CN104005082A

CN104005082A - 一种大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺

Info

Publication number: CN104005082A
Application number: CN201410261479.4A
Authority: CN
Inventors: 王桂素; 石全州; 张永珍
Original assignee: Chengdu Dongjun Laser Co Ltd
Current assignee: Chengdu Dongjun Laser Co Ltd
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2014-08-27

Abstract

本发明为一种大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺。该工艺采用圆弧底型铱金坩埚作发热体，晶体的原料包括：纯度为99.999%的CeO₂、纯度为99.999%的Y₂O₃、纯度为99.995%的Al₂O₃。以YAP基质晶体作籽晶，采用中频感应加热提拉法生长不同浓度的掺铈铝酸钇闪烁晶体。本发明通过采用圆弧底型铱金坩埚及相应的保温结构，以及设置适合的生长工艺参数，并采取抽气降温的特殊方式，解决了掺铈铝酸钇（Ce:YAP）晶体易产生相变、开裂的问题；还可提高晶体的完整率及利用率，进而降低生长成本。本发明提供了一种获得大尺寸（直径为2英寸至3英寸）晶体的生长工艺，使Ce:YAP晶体可应用于更多的领域。

Description

一种大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺

技术领域

本发明涉及晶体生长领域，具体为一种大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺。

背景技术

近几年来，随着核技术与高能物理的迅猛发展，国内外科学家一直在致力于寻找一些性能优异的闪烁材料。在所提出的几种新的高温无机闪烁晶体中，掺铈铝酸钇(Ce:YAP)晶体引起了人们广泛的关注。与传统的闪烁晶体相比，Ce:YAP晶体具有以下特点：较高光产额，衰减时间短，发光谱带与光电倍增管接收范围(300-500nm)相匹配，对γ射线具有中等的探测效率，能量分辨率可与NaI(Tl)和CsI(Tl)相比较，化学性质稳定，不潮解，可以在高温以及其它苛刻条件下工作等。基于以上特点：Ce:YAP闪烁晶体在动物PET扫描系统、射线光谱仪、扫描电子显微镜、低能γ相机以及高能物理等领域中有着广阔的应用前景。

此外，相对很多其他的高温闪烁晶体，Ce:YAP晶体原料价格相对低廉。但此晶体生长困难，存在易相变及严重开裂的问题。随着晶体尺寸增加，难度更大，因而很难获得完整的大尺寸晶体。完整率低进而会提高晶体的生长成本，此外，不能获得大尺寸晶体，限制了Ce:YAP晶体获得更大的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以解决掺铈铝酸钇(Ce:YAP)闪烁晶体易产生相变、开裂问题的工艺，并可获得不同浓度的大尺寸完整单晶。进而可以提高晶体的完整率及利用率，降低生长成本，以及扩大其应用领域。

本发明的具体技术方案为：

一种大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺，大尺寸晶体是指直径为2英寸至3英寸的晶体。采用中频感应加热提拉法生长不同浓度的掺铈铝酸钇闪烁晶体,原料中铈离子掺杂浓度范围为0＜x≤5％。该工艺采用圆弧底型铱金坩埚作发热体，以YAP基质晶体作籽晶，原料包括：CeO₂(纯度为99.999％)、Y₂O₃(纯度为99.999％)、Al₂O₃(纯度为99.995％)，按下述化学式计算原料中的各组份：

(1-x)Y₂O₃+Al₂O₃+2xCeO₂＝2(Y_1-XCe_xAlO₃)+x/2O₂↑ (0＜x≤5％)。

该工艺具体包括以下步骤：

(1)选定铈离子掺杂浓度x后，按上述化学式配比计算并称量各种原料；

(2)将原料充分混合后装入乳胶袋中，再经过液压机成型后得成型料；

(3)将步骤(2)中所得的成型料放入马弗炉中烧结，设置烧结条件为：1000℃-1500℃下恒温烧结10-100小时；

(4)将原料及籽晶装入炉中，缓慢抽气至真空度达100Pa，充入惰性或中性气体作保护气氛；

(5)采用圆弧底型铱金坩埚及相应的保温结构，生长参数设置分别为：提拉速度0.1-2.0mm/h，晶转速度：5-35转/分；

(6)化料后预热籽晶，并调温引晶；经过放肩、等径生长后进入收尾阶段；

(7)晶体生长结束后，进行抽气降温过程，降温速率为10℃-200℃/h；

(8)待降温结束，停炉5-20小时后取出晶体。

圆弧底型铱金坩埚即坩埚的底部为圆弧底形，材料采用铱金制造的坩埚。

本发明的积极效果体现在：

(一)通过采用圆弧底型铱金坩埚及相应的保温结构，以及设置适合的生长工艺参数，并采取抽气降温的特殊方式，解决了掺铈铝酸钇(Ce:YAP)晶体易产生相变、开裂的问题；

(二)可提高晶体的完整率及利用率，降低生长成本。

(三)另一方面，提供一种获得大尺寸(直径为2英寸至3英寸)晶体的生长工艺，使Ce:YAP晶体可应用于更多的领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，但不限制本发明的范围。

实施例1：

2英寸晶体生长

(1)采用中频感应加热提拉法生长直径2英寸掺铈铝酸钇单晶，铈离子掺杂浓度为1.0at％。

(2)选用纯YAP晶体作籽晶。

(3)按化学计量配比称量原料，充分混合后经过液压成型。将成型料放入马弗炉中烧结，条件为1000℃下恒温50小时。

(4)装炉后，缓慢抽气至真空度达100Pa，充入氩气作保护气氛。

(5)采用圆弧底型铱金坩埚及相应的保温结构，生长参数分别为：提拉速度1.0mm/h，晶转速度20转/分。

(6)化料后预热籽晶，并调温引晶。经过放肩、等径生长后进入收尾阶段。

(7)晶体生长结束后，进入抽气降温过程，降温速率为80℃/h。

(8)降温结束，20小时后取出晶体。

获得尺寸为φ55mm*100mm的完整单晶，晶体呈无色透明。

实施例2：

3英寸晶体生长

(1)采用中频感应加热提拉法生长直径3英寸掺铈铝酸钇单晶，铈离子掺杂浓度为0.5at％。

(2)选用Ce:YAP晶体作籽晶。

(3)按化学计量配比称量原料，充分混合后经过液压成型。将成型料放入马弗炉中烧结，条件为1500℃下恒温10小时。

(5)采用圆弧底型铱金坩埚及相应的保温结构，生长参数分别为：提拉速度0.5mm/h，晶转速度15转/分。

(7)晶体生长结束后，进入抽气降温过程，降温速率为50℃/h。

(8)降温结束，20小时后取出晶体。

获得尺寸为φ75mm*60mm的完整单晶，晶体呈无色透明。

对比例：

晶体生长过程中关键因素对于晶体生长的影响实验：

3#、4#、5#对比例中，晶体生长工艺中其它参数及条件与实施例1均保持一致，仅改变其关键点，测试关键点对晶体生长的影响，6#、7#对比例中，晶体生长工艺中其它参数及条件与实施例2均保持一致，仅改变其关键点，具体参数设置详见下表：

从对比例中可以看出：

3#和4#对比表明：晶体生长结束后降温方式很重要，会直接影响晶体的完整性。采用抽气降温可明显减小晶体收脱瞬间所受到的冷热冲击，降低开裂的风险。晶体若产生开裂，会改变其内在的导热性能，进而会引发相变的问题。3#和5#对比可以得知：在相同的生长、降温工艺条件下，采用圆弧底型铱金坩埚对获得完整不相变的晶体至关重要。采用圆弧底型铱金坩埚有利于热场及温度梯度的调节，可实现晶体在较小的温度梯度下完成生长及降温过程，防止晶体开裂及相变的发生。

Claims

1.一种大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺，其特征在于：该工艺采用圆弧底型铱金坩埚作发热体，晶体的原料包括：纯度为99.999%的CeO₂、纯度为99.999%的Y₂O₃、纯度为99.995%的Al₂O₃；以YAP基质晶体作籽晶，采用中频感应加热提拉法生长不同浓度的掺铈铝酸钇闪烁晶体。

2.根据权利要求1所述的大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺，其特征在于：

所述的晶体按下述化学式计算原料的各组份：

（1-x）Y₂O₃ + Al₂O₃+ 2xCeO₂ = 2(Y_1-XCe_xAlO₃)+x/2O₂↑ （0 < x ≤ 5%）。

3. 根据权利要求2所述的大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺，其特征在于包括以下步骤：

（1）确定铈离子掺杂浓度x后，按上述化学式配比计算并称量各种原料；

（2）将原料充分混合后装入乳胶袋中，再经过液压机成型；

（3）将成型料放入马弗炉中烧结，设置条件：在1000℃-1500℃下恒温烧结10-100小时；

（4）将原料及籽晶装入炉中，缓慢抽气至真空度达100Pa，充入惰性或中性气体作保护气氛；

（5）采用圆弧底型铱金坩埚及相应的保温结构，生长参数分别设置为：提拉速度0.1-2.0mm/h，晶转速度5-35转/分；

（6）化料后预热籽晶，并调温引晶；经过放肩、等径生长后进入收尾阶段；

（7）晶体生长结束后，进行抽气降温过程；

（8）待降温结束，停炉5-20小时后取出晶体。

4.根据权利要求2所述的大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺，其特征在于：

采用中频感应加热提拉法生长不同浓度的掺铈铝酸钇闪烁晶体，铈离子掺杂浓度范围为0 < x ≤ 5% 。

5.根据权利要求2所述的大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺，其特征在于：

采用YAP基质的晶体作为籽晶，YAP基质的晶体包括：纯YAP晶体、Ce:YAP晶体、Yb:YAP晶体、Nd:YAP晶体。

6. 根据权利要求2所述的大尺寸掺铈铝酸钇闪烁晶体的生长工艺，其特征在于：

步骤（7）中待晶体生长结束后，采用抽气降温的方式，降温速率为10℃-200℃/h。