一种钾冰晶石型稀土闪烁材料及其制备方法、探测设备与流程

本发明涉及无机闪烁材料领域，特别涉及一种钾冰晶石型稀土闪烁材料及其制备方法、探测设备。

背景技术：

1、闪烁材料可用于α射线、β射线、x射线、γ射线、中子等放射性粒子的探测，在核医学、高能物理、安全检查、石油测井等领域均有广泛应用。由于中子本身不带电，大多数情况下通过物质时和物质中的电子不发生作用，不能直接引起电离，因此用于中子探测的闪烁材料需要包含与中子作用截面大的元素。3he、10b、6li等核素能够与热中子发生核反应，进而产生能引起电离的次级粒子，因此常采用这三种核素来探测热中子。

2、中子探测场景中，通常伴随有伽马射线的存在，因此探测器需要具有中子和伽马射线的鉴别能力，这对闪烁材料的粒子鉴别性能提出了要求。传统的热中子探测材料是3he气体，但是由于其资源短缺，价格昂贵，应用受限。具有钾冰晶石型结构的含li稀土闪烁材料是一类能够实现热中子、伽马射线双模探测的无机闪烁材料。目前研究的钾冰晶石型结构的含li稀土闪烁材料都是以ce3+作为激活离子，其中实现商业化的两种闪烁体是cs2lilabr6:ce(cllb:ce)和cs2liycl6:ce(clyc:ce)。

3、通常，闪烁材料要求有高的光输出、短的衰减时间和高的能量分辨率。对于探测中子的闪烁材料还要求有尽量高的中子/伽马的鉴别能力，通常用品质因子(figure ofmerit，fom)来衡量，fom值越大越好。clyc:ce在γ射线激发下的光输出约为20000ph/mev，662kev处的能量分辨率为4％～5％。在γ射线激发下具有1～4ns的芯-价发光(core-to-valence luminescence,cvl)的超快成分，而中子激发的发光没有此快成分，因此具有优异的中子/伽马鉴别能力，fom值可达4.5。cllb:ce在γ射线激发下的光输出约为40000ph/mev，662kev处的能量分辨率为4％。但cllb:ce不存在cvl发光，中子/伽马鉴别能力较差，fom值约为2。此外，也有研究报道通过卤素成分和比例的调控实现能带调控，进而改善光输出和能量分辨率。

4、可见，现有的ce3+激活的稀土钾冰晶石闪烁材料中，溴化物体系具有更高的光输出和更好的能量分辨率，得益于其具有更小的带隙。但是相较于氯化物体系，溴化物体系的稀土钾冰晶石闪烁材料的中子/伽马鉴别能力较差。因此，进一步提升溴化物体系的稀土钾冰晶石闪烁材料的中子/伽马鉴别能力具有重要的研究意义和实用价值。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种钾冰晶石型稀土闪烁材料及其制备方法、探测设备，通过添加低浓度pr3+激活离子，基于pr3+激活离子的快速衰减时间，扩大化了中子和伽马波形的差异，从而显著提高中子/伽马鉴别能力；具有优异的中子/伽马鉴别能力、高的光输出以及优良的能量分辨率，作为中子探测用闪烁材料，综合性能明显优于现有的ce3+激活的稀土钾冰晶石闪烁材料。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，所述钾冰晶石型稀土闪烁材料的化学通式为cs2lire1-x-yprxceybrzx6-z；

3、其中，re为钪、钇、镧、钆、镥中的一种或几种，x为氯或碘中的一种，0＜x≤0.01，0＜y≤0.1，0＜z≤6。

4、进一步地，所述re的材料为镧元素。

5、进一步地，所述z的数值为6。

6、进一步地，所述x的数据范围为0＜x≤0.01，优选范围为0.0001＜x≤0.005；

7、所述y的数值范围为0＜y≤0.1，优选范围为0.0001＜x≤0.02。

8、进一步地，所述钾冰晶石型稀土闪烁材料为单晶形态。

9、相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种钾冰晶石型稀土闪烁材料制备方法，包括如下步骤：

10、称取预设比例的溴化铯、溴化锂、溴化镧、溴化镨、溴化铈，混合均匀装入石英坩埚；

11、将所述石英坩埚接入真空系统抽真空，在真空度达到预设压力值时烧熔封口；

12、将所述石英坩埚置于布里奇曼晶体路中进行单晶生长，其高温区为第一预设温度值，其低温区为第二预设温度值，其梯度区温度梯度为第三预设数值，所述石英坩埚下降速率为第四预设数值；

13、生长完成后，按照第五预设数值的降温速率降至室温。

14、进一步地，所述第一预设温度值的数值范围为550℃-750℃；

15、所述第二预设温度值的数值范围为30℃-200℃；

16、所述第三预设数值的数值范围为20℃/cm-35℃/cm；

17、所述第四预设数值的数值范围为0.1mm/h-1mm/h。

18、进一步地，所述第五预设数值的数值范围为5℃/h-20℃/h。

19、相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种闪烁探测器，包括上述任一钾冰晶石型稀土闪烁材料。

20、相应地，本发明实施例的第四方面提供了一种测量系统，包括上述任一钾冰晶石型稀土闪烁材料，所述测量系统用于测量中子、γ射线计数、剂量、能谱、成像、粒子鉴别。

21、相应地，本发明实施例的第五方面提供了一种岩性扫描成像仪，包括上述任一钾冰晶石型稀土闪烁材料。

22、本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

23、通过添加低浓度pr3+激活离子，基于pr3+激活离子的快速衰减时间，扩大化了中子和伽马波形的差异，从而显著提高中子/伽马鉴别能力；具有优异的中子/伽马鉴别能力、高的光输出以及优良的能量分辨率，作为中子探测用闪烁材料，综合性能明显优于现有的ce3+激活的稀土钾冰晶石闪烁材料。

技术特征：

1.一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，所述钾冰晶石型稀土闪烁材料的化学通式为cs2lire1-x-yprxceybrzx6-z；

2.根据权利要求1所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，

6.一种钾冰晶石型稀土闪烁材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料制备方法，其特征在于，

9.一种闪烁探测器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料。

10.一种测量系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，所述测量系统用于测量中子、γ射线计数、剂量、能谱、成像、粒子鉴别。

11.一种岩性扫描成像仪，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料。

技术总结
本发明公开了一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，钾冰晶石型稀土闪烁材料的化学通式为Cs<subgt;2</subgt;LiRE<subgt;1‑x‑y</subgt;Pr<subgt;x</subgt;Ce<subgt;y</subgt;Br<subgt;z</subgt;X<subgt;6‑z</subgt;。其中，RE为钪、钇、镧、钆、镥中的一种或几种，X为氯或碘中的一种，0＜x≤0.01，0＜y≤0.1，0＜z≤6。通过添加低浓度Pr<supgt;3+</supgt;激活离子，基于Pr<supgt;3+</supgt;激活离子的快速衰减时间，扩大化了中子和伽马波形的差异，从而显著提高中子/伽马鉴别能力；具有优异的中子/伽马鉴别能力、高的光输出以及优良的能量分辨率，作为中子探测用闪烁材料，综合性能明显优于现有的Ce<supgt;3+</supgt;激活的稀土钾冰晶石闪烁材料。

技术研发人员：余金秋,王承二,罗亮,蒋周青,张天鹏
受保护的技术使用者：有研稀土新材料股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12