本發(fā)明涉及閃爍晶體，特別是一種摻鈰鋁酸釓釔(Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂)高溫閃爍晶體及其制備方法。

背景技術：

無機閃爍晶體是一種能將高能光子(X/γ射線)或粒子(質子、中子等)的能量轉換成易于探測的紫外/可見光子的晶態(tài)能量轉換體。閃爍晶體做成的探測器廣泛應用于高能物理、核物理、影像核醫(yī)學診斷(XCT、PET)、地質勘探、天文空間物理學以及安全稽查等領域。隨著核探測及相關技術的飛速發(fā)展，其應用領域仍在不斷拓寬。不同應用領域對閃爍晶體提出了更高的要求，傳統(tǒng)的NaI(Tl)、BGO、PWO等閃爍晶體探測器已經無法滿足高性能閃爍探測器的要求。

目前閃爍晶體的發(fā)展趨勢是圍繞高輸出、快響應、高密度等性能為中心，主要通過以下幾種渠道開展新型閃爍晶體的探索研究，提高和改善晶體性能：1）通過離子取代，改善現(xiàn)有閃爍晶體的某些不足，提高其閃爍性能，降低生長難度；2）通過優(yōu)化晶體生長工藝和工程化研究，降低晶體生長成本；3）通過晶體點缺陷及其閃爍性能之間的相互關系，抑制和減少各種點缺陷，降低閃爍過程中的無輻射躍遷對能量轉換的損耗。鈰離子摻雜的硅酸鹽和鋁酸鹽是近年來非常受業(yè)內關注的兩類高溫無機閃爍體。

鈰離子摻雜的高溫閃爍晶體屬于非本征閃爍體，Ce³⁺離子是晶體中的發(fā)光中心。其發(fā)光機理由下列3個過程組成：a) 首先閃爍晶體吸收高能射線或粒子，從而在晶格中產生大量的電子空穴對；b) 大量的高能量電子空穴對通過電子-電子、電子-聲子之間的相互作用進行弛豫，最后變?yōu)榫哂薪麕挾饶芰康臒峄娮涌昭▽?，熱化的電子空穴對再將能量傳遞到Ce³⁺發(fā)光中心；c) Ce³⁺離子通過5d-4f的躍遷發(fā)光。研究表明，晶體中含有Ce⁴⁺離子時，將會淬滅Ce³⁺離子發(fā)光中心從而降低閃爍晶體的光輸出。參見：Journal of luminescence 第87-89期，2000年，p266-268；Journal of luminescence 第60-61期 1994年， p963-966；Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 第320卷,1992年，p263-272。

Ce離子摻雜的高溫氧化物閃爍晶體如：Ce:YAG、Ce:LSO、Ce:GSO、Ce:YAP、Ce:LuAP等是出現(xiàn)于上世紀80年代末-90年代初的一類新型閃爍晶體材料。和傳統(tǒng)的NaI:Tl，BGO，BaF₂,PWO等低熔點(不超過1500℃)無機閃爍晶體相比，Ce離子摻雜的高溫氧化物晶體兼具有高光輸出(約為BGO晶體的2-10倍)和快衰減(約為BGO晶體的1/5-1/20)特性，因此，這類閃爍晶體備受人們重視。Ce離子摻雜的硅酸镥因在醫(yī)學PET(正電子發(fā)射斷層攝影法)機和工業(yè)部門中的計算機化斷層攝影(CT掃描儀)系統(tǒng)中的重要應用而備受關注。US4 958 080描述了鈰摻雜的Lu₂SiO₅晶體制備，專利US6 624 420描述了Ce_2x(Lu_1-yY_y)_2(1-x)SiO₅晶體制備，專利US6 437 336涉及Lu_2(1-x)M_2xSi₂O₇類晶體制備，其中M至少部分是鈰元素，這類閃爍體都共同地具有對高能量輻射的高阻止本領，引起非常快光脈沖的強光發(fā)射。但是這類硅酸镥晶體含有的大量Lu元素具有天然放射性缺點，所以這類閃爍晶體做成的探測器具有較高的背景噪音。

眾所周知，釔鋁石榴石(Y₃Al₅O₁₂或YAG)單晶是優(yōu)良的激光基質材料以及光學襯底材料。1992年，Ce:YAG被提出用作閃爍材料而引起人們廣泛興趣，接著，Moszynski和Ludziejewski等人分別于1994年和1997年對Ce:YAG晶體的閃爍性能進行了較為系統(tǒng)的研究，并指出Ce:YAG晶體具有優(yōu)良的閃爍性能。Ce:YAG晶體具有塊衰減(70ns)以及在550nm波段發(fā)射熒光，與硅光二極管能很好的耦合，使得它可以應用于中低能量γ射線、α粒子的探測等領域，目前，Ce:YAG高溫閃爍晶體已經商品化，主要用于掃描電鏡(SEM)的顯示部件。

Ce:YAG晶體存在的主要缺點有以下兩點：1）由于Ce³⁺(R_Ce=1.03nm)離子進入YAG晶格后取代離子半徑較小的Y³⁺(R_Y=0.89nm) ， 由于離子半徑差別較大，Ce離子在YAG晶格中分凝系數(shù)很小(～0.1)，一方面導致Ce離子在晶體中的分布不均勻，同時使Ce:YAG晶體難以實現(xiàn)高濃度摻雜，另一方面由于離子半徑差別巨大，造成晶體結構應力較大，晶體容易開裂；2) Ce:YAG晶體密度較小(約4.55g/cm³)導致其探測高能射線時的截止能量較小，在高能量γ射線探測時有一定的局限性。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述Ce:YAG閃爍晶體的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于高能射線探測的Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂高溫閃爍晶體及其制備方法，該晶體能夠實現(xiàn)更高濃度Ce³⁺離子摻雜，并具有較高的密度和閃爍截止能量，是一種性能優(yōu)異的高溫閃爍晶體材料。

本發(fā)明的技術解決方案如下：

一種用于高能射線探測的摻鈰鋁酸釓釔石榴石高溫閃爍晶體，特點在于該Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂晶體是采用熔體法生長的，其化學式為：

Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂

式中，x=0.001～0.1，y=0.6～0.9，x為摻雜離子Ce³⁺，其取代GYAG基質晶格中的Gy³⁺離子。

一種摻鈰鋁酸釓釔石榴石高溫閃爍晶體的制備方法，該方法包括下列步驟：

①原料配方：

摻鈰鋁酸釓釔晶體，即Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂晶體的初始原料采用CeO₂(5N)、Gy₂O₃(5N)、Y₂O₃ (5N)和Al₂O₃ (5N)并按摩爾比3x:3(1-x-y)/2:3y/2:5/2進行配料，其中x、y的取值范圍分別為x=0.001～0.1，y=0.6～0.9；

②采用熔體法生長Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂閃爍晶體：

先將各高純氧化物粉末在空氣中預干燥，除去吸附水，灼燒溫度為1000℃，按選定的x、y值后的摩爾比稱量CeO₂(5N)、Gy₂O₃(5N)、Y₂O₃ (5N)和Al₂O₃ (5N)原料，其中5N表示原料的純度為5個9，即99.999%，原料充分混合均勻后用等靜壓機壓制成塊，然后裝入氧化鋁坩堝內，放進馬弗爐中燒結，用10個小時升溫至1300℃，恒溫10個小時后經10小時降溫至室溫，將塊料取出放入坩堝內，采用熔體法生長上述單晶體：

所述的熔體法為提拉法，所述的坩堝為銥坩堝，籽晶為<111>或<100>方向的純YAG單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。提拉速度為0.5～2.5mm/h，旋轉速度為10～30rpm。

所述的熔體法為坩堝下降法，所述的坩堝材料采用高純石墨，坩堝底部可以不放籽晶，或放入上述提拉法中所述的純YAG籽晶，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。坩堝下降速率為0.1～1.5mm/h。

所述的熔體法為溫度梯度法，坩堝材料采用高純石墨，坩堝底部可以不放籽晶，或放入上述提拉法中所述的純YAG籽晶，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。使晶體以生長速率為1～1.8mm/h的降溫速率進行降溫并生長晶體。

本發(fā)明的技術效果：

用以上原料和工藝生長了高質量的Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂晶體，晶體為黃色，外觀良好，有優(yōu)良的光學和物化性能。主發(fā)光峰位于530nm左右，衰減時間約75ns，Ce³⁺濃度可摻雜至10at%，在高能射線輻照下，光子產額可達9000～15000Ph/MeV1。

Ce_3xGy_3(1-x-y)Y_3yAl₅O₁₂晶體可以與硅光二極管等探測設備有效耦合，可應用于高能物理、核物理、影像核醫(yī)學診斷(XCT、PET)、地質勘探、天文空間物理學以及安全稽查等領域。

具體實施方式

下面通過具體實施對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：提拉法生長Ce³⁺摻雜濃度為1.0at%的Ce_0.03:Gy_0.27Y_2.7Al₅O₁₂閃爍晶體。

先將各高純氧化物粉末在空氣中適當?shù)念A干燥，除去吸附水，在1000℃下灼燒10h，然后將CeO₂(5N)，Gy₂O₃ (5N)，Y₂O₃ (5N)和Al₂O₃(5N)原料按照摩爾比等于進行稱量配料?；旌暇鶆蚝笥玫褥o壓機壓制成塊，放于銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶為<111>方向的純YAG單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。晶體的提拉速度為1mm/h， 轉速為18 rpm， 控制晶體凸界面生長，所有晶體生長都經過裝爐→抽真空→充氬氣→升溫化料→烤晶種→下種→縮頸→放肩→等徑生長→提脫和降溫等過程.整個生長周期約7天。生長出尺寸為Φ50*100mm的淡黃色Ce:GYAG晶體，晶體重約1200g。

實施例2： 提拉法生長摻雜濃度為2.0at%Ce³⁺的Ce_0.06:Gy_0.24Y_2.7Al₅O₁₂閃爍晶體。

先將各高純氧化物粉末在空氣中適當?shù)念A干燥，除去吸附水，在1000℃下灼燒10h，然后將CeO₂(5N)，Gy₂O₃ (5N)，Y₂O₃ (5N)和Al₂O₃(5N)原料按照摩爾比等于進行稱量配料?；旌暇鶆蚝笥玫褥o壓機壓制成塊，放于銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶為<111>方向的純YAG單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。晶體的提拉速度為1mm/h, 轉速為18rpm， 控制晶體凸界面生長，所有晶體生長都經過裝爐→抽真空→充氬氣→升溫化料→烤晶種→下種→縮頸→放肩→等徑生長→提脫和降溫等過程，整個生長周期約7天。生長出尺寸為Φ50*100mm的淡黃色Ce:GYAG晶體，晶體重約1200g。

實施例3：提拉法生長摻雜濃度為3.0at%Ce³⁺的Ce_0.09:Gy_0.21Y_2.7Al₅O₁₂閃爍晶體。

先將各高純氧化物粉末在空氣中適當?shù)念A干燥，除去吸附水，在1000℃下灼燒10h，然后將CeO₂(5N)，Gy₂O₃ (5N)，Y₂O₃ (5N)和Al₂O₃(5N)原料按照摩爾比等于進行稱量配料。混合均勻后用等靜壓機壓制成塊，放于銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶為<111>方向的純YAG單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。晶體的提拉速度為1mm/h, 轉速為18 rpm， 控制晶體凸界面生長，所有晶體生長都經過裝爐→抽真空→充氬氣→升溫化料→烤晶種→下種→縮頸→放肩→等徑生長→提脫和降溫等過程，整個生長周期約7天。生長出尺寸為Φ50*100mm的淡黃色Ce:GYAG晶體，晶體重約1200g。

實施例4：提拉法生長摻雜濃度為5.0at%Ce³⁺的Ce_0.15:Gy_0.15Y_2.7Al₅O₁₂閃爍晶體。

先將各高純氧化物粉末在空氣中適當?shù)念A干燥，除去吸附水，在1000℃下灼燒10h，然后將CeO₂(5N)，Gy₂O₃ (5N)，Y₂O₃ (5N)和Al₂O₃(5N)原料按照摩爾比等于進行稱量配料。混合均勻后用等靜壓機壓制成塊，放于銥坩堝內，采用提拉法生長晶體，籽晶為<111>方向的純YAG單晶棒，晶體生長在高純Ar氣氛中進行。晶體的提拉速度為1mm/h， 轉速為18rpm， 控制晶體凸界面生長，所有晶體生長都經過裝爐→抽真空→充氬氣→升溫化料→烤晶種→下種→縮頸→放肩→等徑生長→提脫和降溫等過程，整個生長周期約7天。生長出尺寸為Φ50*100mm的淡黃色Ce:GYAG晶體，晶體重約1200g。