一种导模法生长高灵敏度热释光掺碳蓝宝石晶体的方法与流程

本发明涉及一种掺碳蓝宝石(α-Al₂O₃:C)晶体的生长方法，具体涉及一种高质量、热释光灵敏度达1μGy的α-Al₂O₃:C晶体的生长方法，是属于晶体生长技术领域。

背景技术：

天然宝石是含有杂质的Al₂O₃晶体,受辐射后，有热释光(TL)和光释光(OSL)的现象。当今，人工方法可合成纯Al₂O₃单晶或掺入所需含量杂质的α-Al₂O₃晶体，以获得特定的热学和光学性质.Summers对α-Al₂O₃热释光材料已作了综述。由于工艺上的原因,早期研制的掺杂α-Al₂O₃晶体，热释光灵敏度低，限制了它在热释光剂量学上的应用。20世纪90年代初Akselrod等人以碎粒Al₂O₃晶体为基质材料研制成α-Al₂O₃:C单晶，升温速率为4℃s时，发光峰温为190℃，热释光灵敏度是LiF:Mg,Ti的50—60倍，本底阈值剂量仅为0.1μGy，有良好的重复性,其剂量响应为线性—亚线性，线性范围在300nGy至10Gy，有效原子系数仅为11.3。因此，α-Al₂O₃:C成为极具潜质的热释光和光释光材料。

目前,α-Al₂O₃:C晶体的生长和剂量计的制造主要被美国Landauer公司所垄断，该公司研制生产的α-Al₂O₃:C热致发光剂量计最终产品为粉末压制，已经投放欧美市场，广泛应用于环境和个人剂量监测。迄今为止国内很少有关α-Al₂O₃:C晶体生长的报道。

技术实现要素：

本发明旨在填补现有公开文献中没有α-Al₂O₃:C晶体制备方法的技术空白，本发明提供了一种生长热释光灵敏度达1μGy掺碳蓝宝石晶体的方法，特点是以高纯碳粉直接加入原料作为碳源。

本发明提供了一种生长热释光灵敏度达1μGy掺碳蓝宝石晶体的方法，包括：

1)取Al₂O₃粉和纯度至少达到6N的碳粉均匀混合后压块，得到原料块体；

2)将原料块体置于导模炉内的密封坩埚中，采用导模法生长得到掺碳蓝宝石晶体。

较佳地，所述坩埚和模具的材质为钼。

较佳地，Al₂O₃粉纯度至少达到4N。

较佳地，掺碳蓝宝石晶体中含碳量为0.3wt％-1wt％，优选0.5wt％。

较佳地，所述导模法生长掺碳蓝宝石晶体包括：

首先，抽真空所述密封坩埚并通入惰性气体，然后将原料块体加热至2000-2200℃，使其成为熔体，熔体通过导模的毛细管狭缝扩散至导模顶部；

其次，将籽晶置于导模顶部，与熔体接触，待籽晶端部熔化且与熔体熔为一体后，进行提拉 操作，提拉完毕后降温得到掺碳蓝宝石晶体。

较佳地，抽真空至10^-3～10^-4Pa。

较佳地，所述惰性气体为纯度99.99％的氩气。

较佳地，将原料块体以150-250℃/小时的升温速度加热至2000-2200℃。

较佳地，所述籽晶为方向蓝宝石。

较佳地，导模法生长过程中提拉速度为5-10mm/小时，优选7mm/小时。

较佳地，掺碳蓝宝石晶体的截面形状由导模顶部毛细管狭缝的形状和尺寸决定。

本发明的有益效果：

与其他导模法制备的α-Al₂O₃:C晶体相比，本发明采用6N高纯碳粉作为掺杂碳源，一定程度上的实现掺杂量的可控，能够快速生长掺杂量可控的高灵敏热释光性能α-Al₂O₃:C晶体,可用于高灵敏的热释光探测器制造，探测器均为5mm×5mm×1mm、方向为的抛光晶体薄片。

附图说明

图1示出了本发明实施例1中导模法生长的α-Al₂O₃:C晶体照片；

图2示出了本发明实施例1中导模法生长的α-Al₂O₃:C晶体加工的探测器照片；

图3示出了本发明实施例1中α-Al₂O₃:C晶体加工的探测器探测器晶面XRD图谱；

图4示出了本发明实施例1中导模法生长的α-Al₂O₃:C晶体β射线低剂量(低于10Gy)热释光剂量响应曲线；

图5示出了本发明实施例1中导模法生长的α-Al₂O₃:C晶体β射线低剂量(低于10Gy)光释光剂量响应曲线。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明目的是提供一种α-Al₂O₃:C晶体的生长方法，克服现有技术的不足，实现α-Al₂O₃:C晶体的快速生长和掺杂量的可控。

一种导模法生长高灵敏度热释光掺碳蓝宝石晶体的方法，特点是采用导模法,坩埚和模具为钼制品，利用6N高纯的碳粉掺入原料作为碳源达到掺碳目的，生长α-Al₂O₃:C晶体。

所述方法包括如下具体步骤：

(1)取一定质量的Al₂O₃粉和碳粉作为原料，预处理后放入带模具的坩埚中密封；

(2)抽真空至10^-3～10^-4Pa，通入惰性气体，以200℃/h的升温速度加热到2100℃；

(3)将籽晶慢慢放下，使之与模具顶部的熔体液面接触，注意观察籽晶端部的熔化。籽晶顶部与毛细管中的熔体慢慢熔为一体，数分钟后开动提拉机构，提拉速度为7mm/h；

(4)生长完成后缓慢降至室温后取出晶体，得到α-Al₂O₃:C晶体，晶体截面形状由导模顶部的外形和尺寸决定。

所述预处理是混合球磨24小时后冷压成块状，压好的块状原料再经过300Mpa的冷等静压。

所述原料纯度Al₂O₃粉为4N和的碳粉为6N。

所述惰性气体为99.99％的氩气。

所述坩埚和模具均为钼质。

所述籽晶为方向蓝宝石。

所述的制作的探测器均为5mm×5mm×1mm、方向为的抛光晶体薄片。

本发明提供了一种导模法生长高灵敏度热释光掺碳蓝宝石晶体的方法，特点是采用导模法,坩埚和模具为钼制品，生长α-Al₂O₃:C晶体。将纯度4N的Al₂O₃粉和6N的碳粉作为原料，混合均匀初压后在300MPa下冷等静压成形，然后放入钼制的导模模具的坩埚中,装入提拉炉内，将倒模炉抽真空后充入氩气作为保护气体，电阻加热持续升温至2100℃，然后沿方向生长掺碳蓝宝石晶体(α-Al₂O₃:C晶体)。本发明能够快速生长掺杂量可控的高灵敏热释光性能α-Al₂O₃:C晶体，用于高灵敏的热释光探测器制造，探测器均为5mm×5mm×1mm、方向为的抛光晶体薄片。

本发明的技术效果：

与其他导模法制备的α-Al₂O₃:C晶体相比，本发明采用6N高纯碳粉作为掺杂碳源，一定程度上的实现掺杂量的可控，能够快速生长掺杂量可控的高灵敏热释光性能α-Al₂O₃:C晶体,可用于高灵敏的热释光探测器制造，探测器均为5mm×5mm×1mm、方向为的抛光晶体薄片。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的 上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

采用钼制模具和坩锅,以高纯的2487.5g Al₂O₃粉和12.5g石墨粉为原料，混合均匀后在300MPa下冷等静压成形并在1.08个大气压氩气气氛下导模炉中生长晶体，原料装炉完毕后，开动加热电源，以200℃/h的升温速度加热到2100℃，然后将方向蓝宝石籽晶慢慢放下,使之与模具顶部的熔体液面接触，注意观察籽晶端部的熔化。籽晶顶部与毛细管中的熔体慢慢熔为一体，数分钟后开动提拉机构，提拉速度为7mm/h。由于熔体与新生晶体的亲合力以及熔体表面张力的作用，毛细管中的熔体将在模具顶部展开，直至全部覆盖。随着籽晶的缓慢提升，晶体生长不断进行，直至熔体消耗完毕，长出的晶体截面形状由导模顶部的外形和尺寸决定，热释光探测器材料为导模法生长的α-Al2O3:C单晶，由内圆切割机切成尺寸为5mm×5mm×1mm、方向为的晶体薄片，最后对晶体薄片做双面抛光处理；从图1中可以看出，从钼坩埚中取出的晶片表面有微小的生长条纹，主要是由于温场波动引起的。在晶片尾部有少量的黑色物质附着在晶片表面，XRD测试表明黑色附着物主要是石墨和MoC₂，是晶体生长过程中高纯碳粉的挥发造成的；

从图2中可以看出，α-Al₂O₃:C晶体呈淡黄色；

从图3中可以看出，α-Al₂O₃:C晶体样品衍射峰2θ为37.6°，为a面；

从图4中可以看出，α-Al₂O₃:C晶体β射线低剂量热释光剂量响应曲线呈线性；

从图5中可以看出，α-Al₂O₃:C晶体β射线低剂量光释光剂量响应曲线呈线性。