专利名称：稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体及其 制备方法。
背景技术：
掺三价稀土镱离子(Yb3+)闪烁晶体是新近发展起来的一类闪烁 发光材料，有可能被应用于探测太阳中微子。中微子是一种不带电、 质量极小、穿透力极强的基本粒子，它有三种类型，分别是电子中微 子、M子中微子和t子中微子。太阳的热核反应会释放出大量的电子 中微子，但由于它几乎不与任何物质发生作用，因此很难被发现和探 测。1997年，R.S.Raghavan提出了用176Yb、 16QGd或82Se对太阳中 微子pe的捕获效应来探测低能太阳中微子。其中，16QGd存在4个能 级可以与太阳中微子〃e发生作用，且还产生a粒子的衰减，而"Se 的半衰期非常短且产生7衰减的阈值非常低。因此，在以上三种元素 中，^Yb最适合于用来探测太阳中微子^。176Yb与太阳中微子〃e的相互作用可以用以下过程来描述 pe + 176Yb — 176Lu* + e- (Q = 301keV) i76Lu*— i76Lu + 7 (E = 72keV)一个发射的电子和一个延迟的7粒子显示着一个太阳中微子被176Yb所捕获。若要探测到太阳中微子，就要求探测材料的所发出荧光的时间分辨能力在50纳秒以内。稀土镱离子激活的石榴石晶体中，Yb3+离子与氧原子的电荷迁移带发光具有快衰减的性质，其荧光衰减寿命在30纳秒之内。稀土石榴石型晶体(YAG晶体)具有非常优良的物理和机械性 能，是激光晶体的首选基质材料。其中，三价稀土钕离子(Nd3+)、 铒离子(Er3+)、钬离子(Ho3+)、镱离子(Yb3+)等激活的YAG晶体 在激活加工和激光医疗领域具有非常广泛的应用。而且，YAG晶体 的生长工艺成熟，原料成本也低，容易在高温下生长大尺寸高质量单 晶，因此，稀土镱离子激活的石榴石型晶体成为了闪烁晶体的首选材 料之一。但该晶体具有有效原子序数小和密度低的缺点，增加镱离子 的掺杂浓度可以提高有效原子序数和密度，但浓度猝灭效应限制了镱 离子浓度的进一步提高。2001年，N. Guerassimova、杨培志和P. Antonini等人分别研究了 Y^+离子激活钇铝石榴石(YAG:Yb3+)和 镱铝石榴石(YbAG)晶体的闪烁性能，认为含YbS+离子的石榴石型 晶体是一种探测太阳中微子的闪烁晶体候选材料，但其效率和衰减时 间仍需要优化。稀土镥元素在元素周期表中紧邻镱元素，同属镧系元素，原子半 径相当接近，而且镥原子具有大的原子序数且没有发光能级。用部分 稀土镥离子取代钇铝石榴石基质晶体中的钇离子，不会改变晶体的构 型，而且可以显著增大晶体有效原子序数，提高晶体的密度，增加晶 体对高能射线的吸收系数。本发明的目的是克服现有稀土镱离子激活钇铝石榴石晶体有效 原子序数小和密度低的问题，提供一种有效原子序数大、密度高的稀 土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体材料。本发明的另一个目的是提供上述稀土镱离子激活含镥钇铝石榴 石闪烁晶体的制备方法。本发明的稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体材料，具有如下化学组成表示式(YmLUl—m)3Al5012:;cmol%Yb3+，其中m的取值 范围0.05《m《0.95; x为激活离子(镱离子)所占化学式中稀土 离子的摩尔百分含量，其取值范围为0.5《x《50。该晶体材料对 高能射线具有较高的吸收系数，在高能射线激发下，在300-600纳米 波长范围内产生两个快衰减的荧光发射带。本发明还涉及该晶体材料 的制备方法，这种制备方法可以在高温下生长大尺寸镱离子激活含镥 钇铝石榴石闪烁晶体。本发明的稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体材料按以下 步骤通过高温熔体直拉法制备得到按化学式中原子个数比称取反应 原料，原料为高纯稀土氧化物和氧化铝粉体。经过预烧、充分混合、 压料后，将原料放入中频感应加热炉中的铱坩埚，在高纯氩气或高纯 氮气中加热至粉体原料熔融。再经过引晶、放肩、等径、收尾、降温 等过程提拉生长得到稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石单晶。与现有的镱离子激活钇铝石榴石闪烁晶体相比，本发明的镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体具有有效原子序数大、密度高的优点。在高能射线激发下，本发明的闪烁晶体在300-600纳米波长范围内产 生两个快的荧光发射带，峰值分别在330纳米和485纳米处，分别属 于Yb"—02-电荷迁移带到三价镱离子^5/2和^7/2能级的跃迁发射峰， 适合于用来做高能射线的探测材料。
图1为本发明的闪烁晶体在X-射线激发下的荧光发射光谱图。
具体实施方式
实施例1称取预烧后的高纯氧化钇(Y203) 10.0945g，氧化镥(Lu203) 336.2102g，氧化镱(Yb203) 1.7617g，氧化铝(A1203) 151.9318g， 用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚 中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、 收尾、降温等过程，生长得到闪烁晶体。实施例2称取预烧后的高纯氧化钇(Y203) 65.6621g，氧化镥(Lu203) 23L4252g，氧化镱(Yb203) 38.1975g，氧化铝(A1203) 164.7134g， 用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚 中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、 收尾、降温等过程，生长得到闪烁晶体。实施例3称取预烧后的高纯氧化钇(Y203) 176.9626g，氧化镥(Lu203) 44.5502g，氧化镱(Yb203) 88.2378g，氧化铝(A1203) 190.2475g， 用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚 中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、 收尾、降温等过程，生长得到闪烁晶体。实施例4称取预烧后的高纯氧化钇(Y203) 265.2763g，氧化镥(Lu203) 22.1439g，氧化镱(Yb203) 2.4366g，氧化铝(A1203) 210.1407g， 用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚 中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、 收尾、降温等过程，生长得到闪烁晶体。实施例5称取预烧后的高纯氧化钇(Y203) 65.8589g，氧化镥(Lu203) 77.3730g，氧化镱(Yb203) 191.5599g，氧化铝(A1203) 165.2071g， 用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱柑埚 中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、 收尾、降温等过程，生长得到闪烁晶体。实施例6称取预烧后的高纯氧化钇(Y203) 90.7118g，氧化镥(Lu203) U9.8922g，氧化镱(Yb203) U8.7316g，氧化铝(A1203) 170.6629g， 用混料机混合均匀后，将原料压实，放到中频感应单晶炉中的铱坩埚中，在高纯氩气气氛中，加热至原料熔融，再经过引晶、放肩、等径、 收尾、降温等过程，生长得到闪烁晶体。 实施例7
沿着垂直于晶体生长的方向，将实施例1所得晶体切割成厚度为
l.Omm的单晶片，两面抛光后，在X-射线激发下，测定得到稀土镱 离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体的荧光发射光谱图，如图1所示， 晶体在300-600纳米波长范围内产生两个快的荧光发射带，峰值分别 在330纳米和485纳米处，适合于用来做高能射线的探测材料。
权利要求
1、一种稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体材料，其化学组成表示式为(YmLu1-m)3Al5O12:xmol％Yb3+，其中m的取值范围0.05≤m≤0.95；x为镱离子所占化学式中稀土离子的摩尔百分含量，其取值范围为0.5≤x≤50。
2、 权利要求1所述稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体材 料的制备方法，其特征在于首先将原料按化学组成式准确称量，充分 混合均匀，进行压料后放入中频感应加热炉中，采用高温熔体直拉法 生长单晶材料。
3、按权利要求2所述的稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶 体材料的制备方法，其特征在于所述的原料为稀土氧化物和氧化铝。
全文摘要
本发明公开了一种稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体及其制备方法。镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体的化学组成表示式为(Y<sub>m</sub>Lu<sub>1-m</sub>)<sub>3</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>:x mol％Yb<sup>3+</sup>，其中m的取值范围0.05≤m≤0.95；x为激活离子(镱离子)所占化学式中稀土离子的摩尔百分含量，其取值范围为0.5≤x≤50。该晶体材料在高能射线激发下，在300-600纳米波长范围内产生两个快衰减的荧光发射带。稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体的制备方法是采用熔体直拉法，所用的装置是中频感应加热提拉式单晶炉。这种制备方法可以在高温下生长大尺寸稀土镱离子激活含镥钇铝石榴石闪烁晶体。
文档编号C30B29/10GK101654807SQ20091019249
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者钟玖平 申请人:广州半导体材料研究所