掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法与流程

本发明涉及新材料领域，具体涉及一种掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法。

背景技术：

1、闪烁晶体是一类能吸收高能粒子能量后发出一定波长闪烁荧光的晶体，经光电转换系统和辅助电子设备，最终可以确定高能粒子的能量。闪烁晶体可用于x射线、γ射线、中子及其它高能粒子的探测。

2、氟化钡晶体(baf2)是一种优良的闪烁晶体材料，抗辐照损伤能力强，不易潮解，并且衰减速度极快(0.9ns，发射峰波长220nm，称为快成分)，是迄今为止已发现的衰减速度最快的闪烁晶体，被认为是空间探测、高能物理研究以及核医学影像应用等领域中进行辐射探测的极佳材料。

3、但是，氟化钡晶体受激发射的荧光中有强度较高的慢成分(620ns，发射峰波长310nm，称为慢成分)，并且快慢成分的光输出比值较低(20％以下)，很大程度上限制了氟化钡闪烁晶体的应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，解决了本征氟化钡晶体快成分光产额低及快慢成分比较低的缺点。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，包括以下步骤：

3、步骤1)将纯度99.99％的氟化钡粉体、纯度99.99％的氟化铥粉体和聚四氟乙烯粉体混合均匀，其中氟化铥质量比为0.5-0.9wt％，聚四氟乙烯质量比为0.1wt％；聚四氟乙烯的作用是去除原料表面吸附的微量杂质和真空炉内的氧气和水汽，并保证无其它杂质引入晶体内；原理为：高温分解产生f和c，与真空炉内的氧或其它杂质反应生成低熔点(低于生长温度)的氧化物或氟化物，通过高温和真空泵抽气排除真空炉，保证原料和真空炉内的纯度。

4、步骤2)将混合均匀后的粉体装入处理坩埚内，并放置在真空炉内，在250-300℃条件下烘干；

5、步骤3)将烘干后的粉体装入第一生长坩埚，并将生长坩埚放置于坩埚下降真空炉内，升温使粉体熔化，得到结晶的原料，取出原料并去除原料顶部杂质部分，其余透明部分进行粉碎后待用；作用是将氟化铥溶解在氟化钡中，保证氟化钡晶体内氟化铥的分布均匀；

6、步骤4)将粉碎后的原料装入第二生长坩埚内，第二生长坩埚放入晶体生长炉内进行晶体生长，首先抽真空使炉体内部真空度达到10-3pa以上，开启升温程序，升温至氟化钡晶体的熔点以上，恒温5小时以上使原料充分熔化达到温度平衡状态，确保掺杂的氟化铥充分溶解并在熔体内分布均匀，然后启动坩埚下降程序，以0.2-0.5mm/小时的速率匀速下降第二生长坩埚，直至结晶过程完成，晶体生长过程结束后以20℃/小时的速度冷却至室温，得到掺杂的氟化钡晶体毛坯；

7、步骤5)将氟化钡晶体毛坯经过定向、切割、研磨、抛光得到用于实际掺杂量为0.8±0.05wt％的掺铥氟化钡闪烁晶体器件。

8、进一步的，第一生长坩埚为石墨材质，并且石墨中的fe、ce杂质含量低于10ppm。

9、进一步的，所述晶体生长炉为真空坩埚下降炉，真空坩埚下降炉内设置有保温筒、加热器和第二生长坩埚，所述保温筒为碳纤维硬毡材质，壁厚不小于60mm，高度不小于300mm，所述加热器为高纯等静压石墨制备，加热器厚度10±1mm，高度不小于200mm，所述保温筒、加热器和第二生长坩埚相互之间的间距大于等于8mm。

10、进一步的，在步骤3)中，坩埚下降真空炉内真空抽至好于10-3pa。

11、进一步的，在步骤3)中，坩埚下降真空炉内的温度加热至1280℃，达到氟化钡晶体的熔点，随后以10mm/h的速度快速下降第一生长坩埚，待第一生长坩埚下降结束后降至室温。

12、进一步的，在步骤4)中，升温过程中，以50℃/小时升温至300±20℃，恒温3小时，再以30℃/小时升温至氟化钡晶体的熔点以上。

13、进一步的，在步骤1)中，氟化铥质量比为0.8wt％。

14、本发明的有益效果：

15、在氟化钡晶体中掺入氟化铥，使铥离子进入本征氟化钡晶体的晶格，在氟化钡晶体中掺入较低浓度的铥离子，即可以显著降低慢发光成分的光输出，并且快成分衰减时间不变。

16、和镧(la)、钇(y)等稀土离子(3-5mol％)相比，低掺杂浓度不易导致晶格扭曲或畸变，更易制备出完整的高质量晶体，从而提高晶体成品率及性能，并保证掺杂离子在氟化钡晶体中浓度分布均匀，避免不同位置或批次晶体的不一致性，更适合于批量生产。

17、本发明掺铥的氟化钡晶体完全可以取代非掺杂氟化钡或碘化铯、硅酸铋晶体等，用于空间探测、高能物理探测及核医学影像，具有巨大的应用前景。

技术特征：

1.一种掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，其特征在于，第一生长坩埚为石墨材质，并且石墨中的fe、ce杂质含量低于10ppm。

3.如权利要求1所述的掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，其特征在于，所述晶体生长炉为真空坩埚下降炉，真空坩埚下降炉内设置有保温筒、加热器和第二生长坩埚，所述保温筒为碳纤维硬毡材质，壁厚不小于60mm，高度不小于300mm，所述加热器为高纯等静压石墨制备，加热器厚度10±1mm，高度不小于200mm，所述保温筒、加热器和第二生长坩埚相互之间的间距大于等于8mm。

4.如权利要求1所述的掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，其特征在于，在步骤3)中，坩埚下降真空炉内真空抽至好于10-3pa。

5.如权利要求1所述的掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，其特征在于，在步骤3)中，坩埚下降真空炉内的温度加热至1280℃，达到氟化钡晶体的熔点，随后以10mm/h的速度快速下降第一生长坩埚，待第一生长坩埚下降结束后降至室温。

6.如权利要求1所述的掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，其特征在于，在步骤4)中，升温过程中，以50℃/小时升温至300±20℃，恒温3小时，再以30℃/小时升温至氟化钡晶体的熔点以上。

7.如权利要求1所述的掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，其特征在于，在步骤1)中，氟化铥质量比为0.8wt％。

技术总结
本发明公开了一种掺杂的氟化钡闪烁晶体及生长方法，先将高纯度氟化钡粉体、高纯度氟化铥粉体和聚四氟乙烯粉体混合均匀，其中氟化铥质量比为0.5‑0.9wt％，聚四氟乙烯质量比为0.1wt％；随后将混合均匀后的粉体装入处理坩埚内，在250‑300℃条件下烘干；将烘干后的粉体装入第一生长坩埚，并将生长坩埚放置于坩埚下降真空炉内熔化，得到结晶的原料，取出原料并去除原料顶部杂质，其余透明部分粉碎后待用；将粉碎后的原料装入第二生长坩埚内，第二生长坩埚放入晶体生长炉内进行晶体生长，生长结束后得到掺杂的氟化钡晶体毛坯，氟化钡晶体毛坯经过定向、切割、研磨、抛光得到掺铥氟化钡闪烁晶体器件。本发明解决了本征氟化钡晶体快成分光产额低及快慢成分比较低的缺点。

技术研发人员：徐超,甄西合
受保护的技术使用者：河南驭波科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14