用于修改石榴石型閃爍體的閃爍和光學(xué)性能的共摻雜方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 目前公開的主題基于并且要求于2013年1月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào) 61/755, 799的權(quán)益；該案的公開內(nèi)容全部并入本文中，以作參考。
[0003] 政府利益
[0004] 根據(jù)能源部授予的合同DE-NA0000473,在政府的支持下，形成本發(fā)明。政府在本發(fā) 明中具有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 目前公開的主題涉及改變石榴石型單晶、多晶以及陶瓷閃爍體材料（例如，釓鎵 鋁石榴石型閃爍體材料）的閃爍和/或光學(xué)性能的共摻雜方法。目前公開的主題進(jìn)一步涉 及共摻雜的閃爍體材料、包括共摻雜的閃爍體材料的輻射探測(cè)器、以及使用輻射探測(cè)器來(lái) 檢測(cè)高能粒子的方法。
[0006] 縮寫詞
[0007] % =百分比
[0008] 。K=凱氏度數(shù)
[0009] Al =鋁
[0010] B =硼
[0011] Ba =鋇
[0012] C=攝氏度
[0013] Ca =鈣
[0014] Ce =鈰
[0015] cm =厘米
[0016] CT =計(jì)算機(jī)斷層掃描
[0017] Ga =嫁
[0018] Gd =iIL
[0019] GGAG=釓鎵鋁石榴石
[0020] K =開氏度
[0021] keV =千電子伏特
[0022] LO =光輸出
[0023] Lu =镥
[0024] MeV=兆電子伏特
[0025] MPa =兆帕
[0026] nm =納米
[0027] ns =納秒
[0028] PET =正電子發(fā)射斷層掃描
[0029] PL =光致發(fā)光
[0030] PMT=光電倍增管
[0031] Pr =鐠
[0032] RL =輻射發(fā)光
[0033] SPECT =單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描
[0034] TL =熱致發(fā)光
[0035] Y =釔
【背景技術(shù)】
[0036] 鈰摻雜的閃爍體是用于在包括高能物理、醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探以及國(guó)土安全的各 種應(yīng)用中與光電探測(cè)器一起使用以檢測(cè)高能光子和粒子的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地重要的材料。某些 特征在這些閃爍體中可取，以便在這些應(yīng)用中盡可能最大化其價(jià)值。通常，可以期望高閃爍 光輸出、快速閃爍動(dòng)力（在衰減時(shí)間和上升時(shí)間中）、良好的能量分辨率、高度比例性和/或 對(duì)環(huán)境曝光的相對(duì)不敏感性。為此，可以可取地獲得沒有或者相對(duì)沒有電子/空穴陷阱以 及可能阻礙閃爍過(guò)程的其他缺陷的成分。良好的熱響應(yīng)也可以可取，其中，閃爍體在寬溫度 范圍之上具有良好的性能。
[0037] 因此，持續(xù)不斷地需要額外的閃爍體材料，這些材料可以（例如）具有增大的閃爍 光輸出、增大的能量分辨率、增大的比例性、降低的光敏度、溫度獨(dú)立性、更長(zhǎng)的衰減時(shí)間、 更短的衰減時(shí)間和/或更短的上升時(shí)間。還持續(xù)不斷地需要定制閃爍體材料（例如，稀土 鎵鋁石榴石）的性能的額外方法，以滿足不同應(yīng)用的一個(gè)或多個(gè)特定需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0038] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種材料，包括： Gd3_x_y_zRxD yEzAl5_sGas012，其中，R是Lu或Y ;D是至少一個(gè)三價(jià)摻雜離子；E是至少一個(gè)共摻 雜離子；〇彡X彡2 ;0· 0001彡y彡0· 15 ;0· 0001彡z彡0· 15 ;并且1彡s彡4. 0 ;其中，所 述材料是單晶、多晶或陶瓷材料?？蛇x地，E并非選自由Sc、Mg、Ni、Ti、Zr、Hf、Si以及Ge 構(gòu)成的組的一個(gè)或多個(gè)的元素的離子。
[0039] 在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)三價(jià)摻雜離子是Ce3+或Pr 3+。在一些實(shí)施方式 中，E是選自由Ba、B、Ca、Fe、Bi、Cr、Zn、Ag、Nb、K、Na、Sr以及Cu或其任何子集構(gòu)成的組的 元素的離子。在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)共摻雜離子是Ca2+、B3+或Ba 2+。
[0040] 在一些實(shí)施方式中，X是0,并且s是2或3。在一些實(shí)施方式中，y大約是0.006。 在一些實(shí)施方式中，z在大約0. 006與大約0. 012之間。在一些實(shí)施方式中，摻雜離子與共 摻雜離子的比率具有從大約10:1到大約1:10的范圍。
[0041] 在一些實(shí)施方式中，所述材料是單晶。
[0042] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種輻射探測(cè)器，其包括包含 Gd3_x_y_zRxD yEzAl5_sGas012的材料，其中，R是Lu或Y ;D是至少一個(gè)三價(jià)摻雜離子；E是至少一 個(gè)共摻雜離子；〇彡X彡2 ;0· 0001彡y彡0· 15 ;0· 0001彡z彡0· 15 ;并且1彡s彡4. 0 ;其 中，所述材料是單晶、多晶或陶瓷材料?？蛇x地，E并非選自由Sc、Mg、Ni、Ti、Zr、Hf、Si&& Ge構(gòu)成的組的一個(gè)或多個(gè)的元素的離子。在一些實(shí)施方式中，探測(cè)器是醫(yī)療診斷裝置、用于 石油勘探的裝置和/或用于容器、車輛、人類、動(dòng)物或行李掃描的裝置。在一些實(shí)施方式中， 醫(yī)療診斷裝置是正電子發(fā)射斷層掃描（PET)裝置、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（SPECT)裝 置或平面核醫(yī)學(xué)成像裝置。
[0043] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種檢測(cè)伽馬射線、X射線、宇宙射線 和/或具有IkeV或更大能量的粒子的方法，所述方法包括使用探測(cè)器，探測(cè)器包括包含 Gd3_x_y_zRxD yEzAl5_sGas012的材料，其中，R是Lu或Y ;D是至少一個(gè)三價(jià)摻雜離子；E是至少一 個(gè)共摻雜離子；〇彡X彡2 ;0· 0001彡y彡0· 15 ;0· 0001彡z彡0· 15 ;并且1彡s彡4. 0 ;其 中，所述材料是單晶、多晶或陶瓷材料?？蛇x地，E并非選自由Sc、Mg、Ni、Ti、Zr、Hf、Si以 及Ge構(gòu)成的組的一個(gè)或多個(gè)的元素的離子。
[0044] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種制備包括Gd3_x_ y_zRxDyEzAl5_ sGas012的材料的方法，其中，R是Lu或Y ;D是至少一個(gè)三價(jià)摻雜離子；E是至少一個(gè)共摻雜離子； 0彡X彡2 ;0· 0001彡y彡0· 15 ;0· 0001彡z彡0· 15 ;并且1彡s彡4. 0〇可選地，E并非 選自由3(：、]\%、附、11、21'、!^、51以及66構(gòu)成的組的一個(gè)或多個(gè)的元素的離子。可選地，所 述材料是單晶，所述方法包括從熔體中獲得晶體。
[0045] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種改變稀土鎵鋁石榴石型閃爍體 (例如，包括Gd3_x_y_zRxD yEzAl5_sGas012的材料）的一個(gè)或多個(gè)閃爍和/或光學(xué)性能的方法，所 述方法包括在具有摻雜離子和共摻雜離子時(shí)，制備稀土鎵鋁石榴石型閃爍體?？蛇x地，共摻 雜離子并非選自由Sc、Mg、Ni、Ti、Zr、Hf、Si以及Ge構(gòu)成的組的一個(gè)或多個(gè)的元素的離子。
[0046] 在一些實(shí)施方式中，稀土鎵鋁石榴石型閃爍體是單晶，并且該方法包括（a)形成 混合物，用于石榴石型閃爍體的生長(zhǎng)，其中，形成所述混合物包括提供預(yù)定量的摻雜離子以 及預(yù)定量的至少一個(gè)共摻雜離子；(b)熔化所述混合物，以形成熔體；以及（C)從所述熔體 中生長(zhǎng)晶體，從而獲得共摻雜的單晶石榴石型閃爍體。
[0047] 在一些實(shí)施方式中，所述一個(gè)或多個(gè)閃爍和/或光學(xué)性能中的每個(gè)選自由閃爍光 輸出、衰減時(shí)間、上升時(shí)間、能量分辨率、比例性和/或?qū)ζ毓獾撵`敏度構(gòu)成的組。
[0048] 在一些實(shí)施方式中，摻雜離子是Ce3+，并且共摻雜離子是Ca2+，并且所述方法提供 與非共摻雜的稀土鎵鋁石榴石型閃爍體相比，顯示出更快的衰減、更短的上升時(shí)間、或降低 的光敏度中的一個(gè)或多個(gè)的所述稀土鎵鋁石榴石型閃爍體。在一些實(shí)施方式中，摻雜離子 是Ce3+，并且共摻雜離子是Ba2+，并且所述方法提供非共摻雜的稀土鎵鋁石榴石型閃爍體相 比顯示了更大的光輸出的稀土鎵鋁石榴石型閃爍體。在一些實(shí)施方式中，摻雜離子是Ce3+， 并且共摻雜離子是B3+，并且所述方法提供稀土鎵鋁石榴石型閃爍體，與非共摻雜的稀土鎵 鋁石榴石型閃爍體相比，所述稀土鎵鋁石榴石型閃爍體顯示了更好的能量分辨率、增大的 光輸出、更長(zhǎng)的衰減時(shí)間、更短的上升時(shí)間、更好的比例性以及降低的光敏度中的一個(gè)或多 個(gè)。
[0049] 在一些實(shí)施方式中，所述方法進(jìn)一步包括對(duì)所述共摻雜石榴石型閃爍體（例如， 所述單晶稀土鎵鋁石榴石型閃爍體）退火。在一些實(shí)施方式中，在空氣、氮?dú)饣虻獨(dú)馀c氫氣 的混合物中，執(zhí)行退火。在一些實(shí)施方式中，在大約800與大約1600攝氏度（C)之間的溫 度下，執(zhí)行退火。
[0050] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種包括鈰摻雜的釓鎵鋁石榴石 (GGAG)(例如，Gd3Ga3Al2O1^ Gd 3Ga2Al3012)的成分，其中，所述鈰摻雜的GGAG與共摻雜離子 共摻雜。在一些實(shí)施方式中，所述共摻雜離子選自包括Ca2+、B3+以及Ba2+的組。在一些實(shí) 施方式中，所述鈰摻雜的GGAG由熔體制備。在一些實(shí)施方式中，所述鈰摻雜的GGAG是單晶 或陶瓷。
[0051] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種裝置，包括光電探測(cè)器以及包含 鈰摻雜的GGAG (例如，Gd3Ga3Al2O1^ Gd 3Ga2Al3012)的成分，其中，所述鈰摻雜的GGAG與共摻 雜離子共摻雜。在一些實(shí)施方式中，該裝置適合于用于醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探或國(guó)土安全中。
[0052] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種檢測(cè)高能光子和粒子的方 法，所述方法包括使用包括光電探測(cè)器以及包含鈰摻雜的GGAG (例如，6(1右&#12012或 Gd3Ga2Al3O12)的成分的裝置，其中，所述鈰摻雜的GGAG與共摻雜離子共摻雜。
[0053] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種制備包括鈰摻雜的GGAG(例如， Gd3Ga3Al2O12SGd3Ga 2Al3012)的成分的方法，其中，所述鋪慘雜的GGAG與共慘雜尚子共慘雜， 所述方法從熔化的原始材料中拉出單晶。
[0054] 在一些實(shí)施方式中，目前公開的主題提供了一種改變鈰摻雜的GGAG(例如， Gd3Ga3Al2O1^ Gd 3Ga2Al3012)閃爍體材料的一個(gè)或多個(gè)閃爍和/或光學(xué)性能的方法，所述方 法包括在具有共摻雜離子時(shí)，制備鈰摻雜的GGAG閃爍體材料，從而提供共摻雜的GGAG閃爍 體材料（例如，共摻雜的Gd3Ga3Al2O1^ Gd 3Ga2Al3(yX!爍體材料）。在一些實(shí)施方式中，所 述共摻雜離子選自包括Ca2+、B3+以及Ba 2+的組。
[0055] 在一些實(shí)施方式中，共摻雜的GGAG閃爍體材料包括單晶，所述方法包括：(a)形成 熔體，用于鈰摻雜的GGAG (例如，鈰摻雜的6(136&#12012或Gd 3Ga2Al3012)閃爍體材料的生長(zhǎng)； (b)將共摻質(zhì)加入熔體中；以及（c)從所述熔體中拉出晶體。
[0056] 在一些實(shí)施方式中，所述一個(gè)或多個(gè)閃爍和/或光學(xué)性能中的每個(gè)選自由閃 爍光輸出、衰減時(shí)間、上升時(shí)間、能量分辨率、比例性和對(duì)曝光的靈敏度構(gòu)成的組。在一 些實(shí)施方式中，所述共摻雜離子是Ca2+，并且所述方法提供共摻雜的GGAG(例如，共摻雜 的Gd3Ga3Al2O1^ Gd 3Ga2Al3012)閃爍體，與非共摻雜的GGAG閃爍體（例如，非共摻雜的 6(1右&#12012或Gd 3Ga2Al3012閃爍體）相比，所述共摻雜的GGAG閃爍體顯示了更快速的衰減、 更短的上升時(shí)間或降低的光敏度中的一個(gè)或多個(gè)。在一些實(shí)施方式中，所述共摻雜離子是 Ba2+，并且所述方法提供共摻雜的GGAG(例如，共摻雜的Gd3Ga3Al 2O1^ Gd 3Ga2Al3012)閃爍 體，與非共摻雜的GGAG閃爍體（例如，非共摻雜的Gd3Ga3Al2O 1^ Gd 3Ga2Al30jXl爍體）相 比，所述共摻雜的GGAG閃爍體顯示了更大的光輸出。在一些實(shí)施方式中，所述共摻雜離子 是B3+，并且所述方法提供共摻雜的GGAG (例如，共摻雜的Gd3Ga3Al2O1^ Gd 3Ga2Al3012)閃爍 體，與非共摻雜的GGAG閃爍體（例如，非共摻雜的Gd3Ga3Al2O 1^ Gd 3Ga2Al30jXl爍體）相 比，所述共摻雜的GGAG閃爍體顯示了更好的能量分辨率、增大的光輸出、更長(zhǎng)的衰減時(shí)間、 更短的上升時(shí)間、更好的比例性以及降低的光敏度中的一個(gè)或多個(gè)。
[0057] 在一些實(shí)施方式中，所述方法進(jìn)一步包括對(duì)共摻雜的GGAG閃爍體（例如，共摻雜 的6(136&#12012或6(1右 &413012閃爍體）退火。在一些實(shí)施方式中，在空氣、氮?dú)饣虻獨(dú)馀c氫 氣的混合物中，執(zhí)行所述退火。
[0058] 因此，目前公開的主題的一個(gè)目標(biāo)在于，提供共摻雜的稀土鎵鋁石榴石型閃爍體 材料以及包括所述閃爍體材料的輻射探測(cè)器；使用所述輻射探測(cè)器來(lái)檢測(cè)伽馬射線、X射 線、宇宙射線和/或具有IkeV或更大能量的粒子的方法；制備所述閃爍體材料的方法；以 及改變所述閃爍體材料的一個(gè)或多個(gè)閃爍和/或光學(xué)性能的方法。
[0059] 在上文中陳述了目前公開的主題的目標(biāo)，并且完全或部分由目前公開的主題實(shí)現(xiàn) 該目標(biāo)，隨著說(shuō)明書在下文中繼續(xù)，其他目標(biāo)顯而易見。
【附圖說(shuō)明】
[0060] 圖1是在參考（即，鍺酸鉍（BGO))光輸出被設(shè)置在通道100處的規(guī)模上示出在 鈰摻雜的釓鎵鋁石榴石（GGAG)型單晶閃爍體中共摻雜鈣（Ca)、硼（B)以及鋇（Ba)對(duì)相 對(duì)閃爍光輸出的影響的示圖。示出了對(duì)于0. 2原子％鈰摻雜的GGAG晶體與0. 2原子％鈣 (GGAG:0. 2Ce、0. 2Ca ;中