CN100491499C - 一种卤化铈闪烁晶体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及闪烁材料领域，是一种卤化铈闪烁晶体及其制造方法，解决了现有技术中的闪烁晶体光输出低、衰减时间长、能量分辨率差以及本底辐射高的问题，提供一种卤化铈闪烁晶体，该晶体组成为CeX₃，其中，X是卤素元素的混合，尤其是溴、氯、碘的混合；通过密封的石英坩埚大气下降法生长技术制得；采用本发明优选的生长方法制备的一种卤化铈闪烁晶体，不仅同时具有光输出高、衰减时间短、能量分辨率好、本底辐射较低等特性，而且制造成本低。

Description

一种卤化铈闪烁晶体及其制造方法

技术领域

本发明涉及闪烁材料领域，是一种卤化铈闪烁晶体及其制造方法。

背景技术

闪烁体是制造各种核探测器的重要材料，已被广泛应用于各种科学研究和技术领域，如高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等。所谓闪烁体，是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的辐照下能够发光的物体，包括闪烁气体、闪烁液体、闪烁陶瓷、闪烁玻璃、闪烁塑料以及闪烁晶体等，其中，闪烁晶体则是一大类宏观结晶形态的闪烁体，在其发光波长范围内有很高的透明度，闪烁效率相对较高。

闪烁晶体中，目前广泛使用的主要是具有高光输出特性的碱金属碘化物系列晶体。该系列晶体包括掺铊的碘化钠(NaI:Tl)晶体、掺铊的碘化铯晶体(CsI:Tl)以及掺钠的碘化铯(CsI:Na)晶体。它们的光输出比大多数闪烁体高，其中，NaI:T1晶体的光输出在实际使用的闪烁体中是最高的，因而常被用作衡量其它闪烁体光输出高低的参比闪烁体(相对光输出：NaI：T1 100％，CsI:Tl 45％，CsI:Na 85％)。

该系列晶体的不足之处是，它们的闪烁衰减时间都大于100纳秒，有的甚至长达1微秒(NaI:Tl 230纳秒，CsI:Tl 1000纳秒)，时间分辨率差，因而限制了它们在积分技术领域(integrating techniques)内的应用，如在核医学成像领域的应用。

衰减时间短于100纳秒的无机闪烁晶体，基本上都是在上世纪90年代以后被发现的。除氟化钡(BaF₂)和氟化铯(CsF)外，衰减时间小于100纳秒的快衰减闪烁晶体大多是铈的化合物或铈掺杂的化合物，如氟化铈(CeF₃)、掺铈的铝酸钇(YAlO₃:Ce——YAP:Ce)、掺铈的氧硅酸镥(Lu₂SiO₅:Ce——LSO:Ce)等。这些闪烁晶体的特点是衰减时间短，大多小于50纳秒，并且不吸潮。除LSO:Ce晶体外，它们的光输出都比NaI:Tl晶体低许多。其中，YAP:Ce晶体的光输出不足NaI:Tl晶体的40％，CeF₃晶体则仅为NaI:Tl晶体的10％。此外，这些闪烁晶体的熔点很高(CeF₃1443℃，YAP:Ce约1900℃，LSO:Ce约2200℃)，制造成本高。

LSO:Ce晶体是一类兼具高光输出(光输出为NaI:Tl晶体的75％)和快衰减(衰减时间约40纳秒)特性的闪烁晶体，已经实际应用。不过，尽管其光输出较高、衰减时间较短，但由于天然放射性同位素¹⁷⁶Lu(丰度为2.6％)的存在，该闪烁晶体具有较高的本底辐射(约240计数/秒/厘米³)，能量分辨率并不十分令人满意(在铯-137放射源的辐照下其能量分辨率一般大于10％)。

不同的应用对闪烁体都有着多方面的要求，尽管不尽相同，但都偏爱那些既具高光输出、快衰减特性，放射性本底又低的闪烁体。其原因是这类闪烁体不仅可以为辐射探测器提供好的能量分辨率，而且可以提供好的时间分辨率和空间分辨率，因而具有更为宽阔的应用领域。发现和研制出这类闪烁晶体，一直是晶体生长者和闪烁探测器界孜孜以求的目标。

近年来，几种新近发现和报道的闪烁体材料，具有令人欣喜的高光输出和快衰减的特性。值得一提是，P.Dorenbos等^[1，2]发明的掺铈的氯化镧(LaCl₃:Ce)晶体和掺铈的溴化镧(LaBr₃:Ce)晶体，K.S.Shah等^[3，4]人报道的溴化铈(CeBr₃)晶体及掺铈的溴化镧(LaBr₃:Ce)晶体。这些闪烁晶体的能量分辨率都高于NaI:Tl晶体，而光输出与NaI:Tl晶体相当，甚至更高。同时，其衰减时间很短，小于50纳秒，甚至30纳秒。尽管镧(La)也有天然放射性同位素，¹³⁸La，但是丰度较低(0.089％)，因此，LaCl₃:Ce晶体和LaBr₃:Ce晶体的本底辐射比LSO:Ce晶体弱得多(约10计数/秒/厘米³)。

发明内容

本发明的一个目的是为解决上述现有技术中的闪烁体光输出低、能量分辨率低、时间分辨率差的问题，提供一种同时具有光输出高、衰减时间短、能量和时间分辨率好、几乎无本底辐射的闪烁体。

本发明的另一个目的是提供一种具有上述特性的闪烁体单晶体的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种不含氟的混合卤化铈闪烁体。该卤化铈闪烁体的化学组成的通式为CeX₃，其中，X是卤素元素的混合，主要是氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)的混合，特别是Cl与Br、Br与I、Cl与I的混合。

一种卤化铈闪烁晶体，其化学组成为Ce(Cl_xBr_yI_1-x-y)₃，其中，0≤x≤1，0≤y<1，0≤x+y≤1。

卤化铈闪烁晶体，其化学组成为Ce(Cl_xBr_yI_1-x-y)₃，0.1≤x≤0.9，0.01≤y≤0.99，0.5≤x+y≤1；甚至是0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.8，0.9<x+y≤1。

卤化铈闪烁晶体，化学组成为Ce(Cl_xBr_y)₃，其中，y＝1-x，0<x<1，尤其是0.01≤x≤0.99，甚至是0.3≤x≤0.7。

卤化铈闪烁晶体，化学组成为Ce(Cl_xI_1-x)₃，其中，0.01≤x≤0.99，尤其是0.3≤x≤0.95，甚至是0.7≤x≤0.9。

卤化铈闪烁晶体，化学组成为Ce(Br_yI_1-y)₃，其中，0.01≤y≤0.99，尤其是0.2≤y≤0.9，甚至是0.7≤y≤0.8。

与相关的专利和文献报道不同的是，本发明的卤化铈闪烁晶体是一种混合的卤化铈晶体，其主量元素中不含具有天然放射性同位素的镧(La)和镥(Lu)。不过，本发明的卤化铈闪烁晶体可能含有少量的杂质元素，如碱金属元素、碱土金属元素以及稀土元素，包括钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、钡(Ba)、镧(La)、钆(Gd)等，但其含量一般小于0.1％，甚至小于0.01％。

根据本发明优选的一种制备方法得到的卤化铈闪烁晶体，其形态是大于50毫米³，甚至大于1厘米³的透明单晶体。

本发明的卤化铈闪烁晶体，可采用从熔体中定向凝固结晶的技术来制备得到。一般的方法有，坩埚下降法，晶体提拉法和区熔法等。其中，坩埚下降法容易实现工业化生长，是一种比较好的方法。对于坩埚下降生长晶体的方法，有两种不同的实现方式，即真空下降法和大气下降法。前者是将生长坩埚置于真空炉中，坩埚始终处于真空状态之中；后者是将生长坩埚置于大气气氛的生长炉中，坩埚始终处于近似于大气组成的气氛中。相比较而言，坩埚的大气下降法实现的成本较低，是一种更优的方法。

鉴于一些已知的卤化铈的物化性质，如熔点在1000℃以下(CeCl₃约810℃，CeBr₃约730℃，CeI₃约760℃)，与金属铂(Pt)、纯碳(C)、二氧化硅(SiO₂)、碳化硅(SiC)等不发生化学反应，本发明的卤化铈闪烁体晶体的生长坩埚可以选择石英玻璃、石墨、玻璃碳、铂、碳化硅等材质制作而成。不过，由石墨、玻璃碳、碳化硅等材质制成的坩埚，只可用于真空下降法。一种优选出来的可用于生长本发明的卤化铈闪烁体晶体的方法是，密封的石英坩埚大气下降法。

本发明优选的用于卤化铈闪烁晶体生长的石英坩埚大气下降法，具有如下优点：(1)石英坩埚可以采用市售的石英管比较便利地烧制而成；(2)石英坩埚容易做到密封，从而方便地实现在隔绝氧气等反应性气氛的条件下生长；(3)生长成本较低，容易实现批量生长。

一种用于本发明的卤化铈闪烁晶体生长的优选的大气下降炉(参见图1)，其主要特征如下：(1)炉膛为轴对称结构，并被耐火隔热的卡口从上而下分隔为三个区域，即上部的高温区、中部的结晶区和炉膛下部的低温区；(2)生长炉采用电阻加热，最高温度通过横穿炉体并直达高温区炉膛内壁的热电偶来测量，并由程序控制器进行精密控制(精度为±0.3℃)；(3)高温区、结晶区和低温区的温度对应的纵向温度梯度分别为5～60℃/厘米、5～35℃/厘米和0～30℃/厘米；(4)结晶区和低温区的温度分布，可通过优选卡口的材质，改变卡口的几何尺寸以及调整高区的控温来实现。

本发明优选的大气下降法生长技术中所使用的石英坩埚，系采用市售的纯度在99.95％以上的透明石英管，用高温火焰烧制而成。石英坩埚为轴对称的，底部呈圆尖锥状而顶部为圆柱状开口的。坩埚的直径、长度和壁厚视生长的晶体大小而定。底部尖锥的角度，需要加以控制，一般小于120度，最好是介于20～60度之间。

本发明优选的制备方法，直接采用高纯度的无水卤化铈(CeX₃，X＝Cl，Br，I)作为原料，包括无水的氯化铈(CeCl₃)、无水的溴化铈(CeBr₃)、无水的碘化铈(CeI₃)。一种获得这些原料的有效的制备方法是，采用含水卤化铈(CeX₃.nH₂O)作为起始原料，在相应的高纯的干燥卤化氢(HX)气流作用下，在硬质的硼硅酸盐玻璃管或石英玻璃管中加热脱水，温度控制在90～250℃之间，并注意及时排除氧气和水汽，防止下列副反应发生，否则难以得到高纯度的CeX₃：

2CeX₃+O₂→2CeOX+2X₂

CeX₃+H₂O→CeOX+2HX

根据所要生长的混合晶体的组成——Ce(Cl_xBr_yI_1-x-y)₃(0≤x≤1，0≤y<1，0≤x+y≤1)，在干燥洁净的环境中称取相应的原料[CeCl₃:CeBr₃:CeI₃＝x:y:(1-x-y)，摩尔比]，装入经过清洗和干燥处理的石英坩埚中，然后将其迅速地接入高真空系统中抽真空。当真空度达10^-5乇以上的高真空以后，将坩埚顶部直接烧熔密封起来，或先往坩埚中灌入少量的惰性气体，如高纯的氮气和(或)氩气，然后将坩埚顶部烧熔密封。

将封装了原料的石英坩埚放置大气炉内与中心立杆相连的坩埚托内。在坩埚与托内壁之间填充石英粉，以保持坩埚的直立和稳定。将坩埚置于高温区，加热升温，使坩埚内的原料熔化。高温区的控温高于卤化铈晶体的结晶温度20℃以上，甚至50℃以上，但以不超过100℃为宜，卤化铈晶体的结晶温度一般为730～810℃。待原料全部熔化后，启动下降机构以一定的速度将坩埚由上往下降，下降的速度一般控制在0.1～3.0毫米/小时内，甚至是在0.4～2.0毫米/小时内。在坩埚通过结晶区的过程中，坩埚内的熔体逐步凝结成单晶并长大。通常，下降距离一般大于生长晶体毛坯长度，最好是多降5～10mm。待熔体全部结晶后，或结晶体全部处于低温区后，以5～40℃/小时的降温速度，最好是以10～30℃/小时的降温速度，使炉子整体降温，直至室温。

这样，如果生长5厘米、10厘米长度的晶体毛坯，整个生长过程大约分别需要3天～4周、4天～6周的时间。

需要指出的是，自原料装入坩埚至晶体生长结束，原料及其熔体和热的晶体毛坯应始终处在密封环境中，以避免原料和(或)晶体与空气中的水汽、氧气发生氧化反应。

有益效果

本发明的卤化铈闪烁体，与一般闪烁晶体相比较，有一个突出的优点，即兼具较高光输出和较快衰减时间的特性。其光输出明显优于组成相近但结构不同的CeF₃晶体，甚至优于大多数由铈离子(Ce³⁺)激活的闪烁晶体，如YAP:Ce晶体和LSO:Ce晶体，甚至与NaI:Tl晶体相当。其衰减时间小于50纳秒，与CeF₃晶体和LSO:Ce晶体相近，优于NaI:Tl晶体。

本发明的卤化铈闪烁体，由于其组成元素——铈(Ce)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)都没有天然放射性同位素，因而不会带来本底辐射，或本底辐射很小(由杂质中的放射性元素产生)。所以本发明的卤化铈闪烁体另一个突出的优点是，其本底辐射优于LSO:Ce、LaCl₃:Ce、LaBr₃:Ce等晶体，可望用于某些低计数率事件探测与研究中。

根据本发明的一些实施例子制备的氯化铈(CeCl₃)晶体、溴化铈(CeBr₃)晶体、氯溴化镧(Ce(Cl_xBr_1-x)₃)晶体、溴碘化铈(CeBr_2.8I_0.2)晶体、氯碘化铈(CeCl_2.8I_0.2)晶体，以及碘化铈(CeI₃)晶体，都是无色透明的。表1列出了一些在本发明的实施例中得到的卤化铈闪烁体晶体及一些作为对比例的晶体的光输出、本底计数率及能量分辨率的数据。

从表1可以看出，根据本发明的一些实施例子制备的闪烁体，其光输出普遍高于CeF₃晶体(～620光电子数/MeV)，而与LaCl₃:Ce晶体(具体组成为La_0.94Ce_0.06Cl₃)相当，甚至更高；其能量分辨率好于CeF₃晶体(～16％)和LSO:Ce晶体的10％，与NaI:Tl晶体(～7％)相当，甚至更优；其本底辐射小于LaCl₃:Ce晶体(～10计数/秒/厘米³)，而远小于LSO:Ce晶体(～240计数/秒/厘米³)。

表1

备注：^*光输出和能量分辨率数据是采用如下测试条件得到的：¹³⁷Cs放射源662keV伽马(γ)射线，XP2020Q光电倍增管，ORTEC572放大器，用4×6×31GSO标定多道。晶体用酒精耦合，上盖CF4。

另外，从根据本发明制备的部分闪烁晶体的X射线激发发射光谱(见图2)来看，纯的氯化铈晶体、纯的溴化铈晶体以及混合的氯溴化铈晶体的发光主要集中350～450纳米的范围内，其发光主峰位于370～390纳米，比LaCl₃:Ce晶体和LaBr₃:Ce晶体的发光主峰波长长，因而更利于光探测器的探测。从图2同样可以看出，当氯/溴的摩尔比适中时，混合的氯溴化铈晶体发光强度明显优于CeCl₃和CeBr₃晶体。

本发明的卤化铈闪烁体中不乏兼具高光输出和快衰减特性的闪烁体，且能量分辨率小于7％，可作为闪烁探测器的部件，用于工业、医学、安检和地质勘探等领域。同时，又由于不含有或几乎不含有放射性同位素，这些闪烁体几乎无本底辐射或本底辐射很低，因而可用于低计数率事件测量以及对时间和能量分辨要求较高的应用领域，如X射线断层扫描仪(XCT)、正电子发射断层扫描仪(PET)或伽玛照相机等核医学成像仪器。

附图说明

图1卤化铈闪烁晶体的坩埚下降炉生长示意图；

图2部分氯(/溴)化铈晶体的X射线激发发射光谱。

图1中A-炉膛高温区，B-炉膛结晶区，C-炉膛低温区，1-炉壳，2-控温热电偶，3-炉口塞，4-炉管，5-炉丝，6-坩埚，7-耐火砖，8-熔体，9-卡口，10-晶体，11-坩埚托，12-保温材料，13-引下机构；

图2中横坐标为波长(单位：纳米)，纵坐标为发光强度(单位：计数)

具体实施方式

下面结合实施例和对比例来进一步说明本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

氯化铈(CeCl₃)单晶体的坩埚下降法生长。

原料：99.99％的无水的氯化铈(CeCl₃)40.0克；

坩埚：

采用直径为30毫米、长度为20厘米的透明石英管烧制而成，坩埚7呈轴对称状，圆锥底，锥度为60度；

晶体生长炉：

由高温耐火材料制成的坩埚下降炉，包括炉壳1；由保温材料12、耐火砖7、炉管4、炉丝5组成的炉体，炉体下底面的中心开有孔，炉体上部盖有炉口塞3；炉体的炉膛被卡口9分割成高温区A、结晶区B和低温区C；控制热电偶2横向穿透并嵌在炉体中，前端直达炉膛高温区内壁；坩埚托11位于炉体的中间，由通过炉体下底面中心的孔的支架与引下机构13相连接，坩埚6位于坩埚托11内。

操作方法：

根据所要生长的混合晶体的组成——CeCl₃，在干燥洁净的环境中称取相应的原料，装入经过清洗和干燥处理的石英坩埚中，然后将其迅速地接入高真空系统中抽真空。当真空度达10^-5乇以上的高真空以后，将坩埚顶部直接烧熔密封起来。

将封装了原料的石英坩埚放置大气炉内与中心立杆相连的坩埚托内。在坩埚与托内壁之间填充石英粉，以保持坩埚的直立和稳定。将坩埚置于高温区，加热升温，使坩埚内的原料熔化。生长炉的控制温度为880℃；待原料全部熔化后，启动下降机构以一定的速度将坩埚由上往下降，下降速度为1.0毫米/小时。在坩埚通过结晶区的过程中，坩埚内的熔体逐步凝结成单晶并长大。待熔体全部结晶后(约需下降60小时)，或结晶体全部处于低温区后，以20℃/小时的速度使炉子整体降温，直至室温。

整个过程大约需要6天，所得晶体毛坯是无色透明的，长约5厘米，体积约为10厘米³。

实施例2-8，对比例1-2

实施例和对比例中，所使用原料的纯度分别为：CeCl₃ 99.99％，CeBr₃99.99％，CeI₃ 99.9％，LaCl₃ 99.99％。石英坩埚全部采用直径为30毫米、长度为20厘米的透明石英管烧制而成，坩埚呈轴对称状，圆锥底。操作方法同实施例1，各例所用原料、以及锥底角度及下降生长的主要工艺参数，列入表二。

Claims (7)

1.一种卤化铈闪烁晶体，其特征是其化学组成为Ce(Cl_xBr_yI_1-x-y)₃，其中，0.01≤x≤0.99，y＝0，或者x＝0，0.01≤y≤0.99，其形态是大于50毫米³的透明单晶体。

2.根据权利要求1所述的卤化铈闪烁晶体，其特征是化学组成为Ce(Cl_xI_1-x)₃，其中，0.3≤x≤0.95。

3.根据权利要求2所述的卤化铈闪烁晶体，其特征是化学组成为Ce(Cl_xI_1-x)₃，其中，0.7≤x≤0.9。

4.根据权利要求1所述的卤化铈闪烁晶体，其特征是化学组成为Ce(Br_yI_1-y)₃，其中，0.2≤y≤0.9。

5.根据权利要求4所述的卤化铈闪烁晶体，其特征是化学组成为Ce(Br_yI_1-y)₃，其中，0.7≤y≤0.8。

6.一种卤化铈闪烁晶体的制备方法，其特征是，所述的闪烁晶体的化学组成为Ce(Cl_xBr_yI_1-x-y)₃，其中，0≤x≤1，0≤y<1，0≤x+y≤1；采用真空密封的石英坩埚，在电阻加热生长炉中，使用坩埚下降技术实现的，其工艺技术特征是：

(1)石英坩埚的底部是尖锥状的，锥角小于120度；

(2)生长炉的炉膛由上而下地被分隔为三个不同的区域，其纵向温梯分别为5～60℃/厘米、5～35℃/厘米和0～30℃/厘米；

(3)坩埚的下降速度控制在0.1～3.0毫米/小时范围内；

(4)坩埚停降后生长炉的降温速度控制在5～40℃/小时范围内。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是，所述的锥角介于20～60度之间；所述的坩埚的下降速度控制在0.4～2.0毫米/小时范围内；所述的坩埚停降后生长炉的降温速度控制在10～30℃/小时范围内。

Images