CN107287657B - 一种溴化镧闪烁晶体的生长方法及所得晶体 - Google Patents

一种溴化镧闪烁晶体的生长方法及所得晶体 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种溴化镧闪烁晶体的生长方法，包括以下操作：将原料装入坩埚内，放置于下降炉中进行加热熔化，然后坩埚不动，炉体缓慢移动，从而使坩埚通过温度梯度区，使原料在坩埚底部结晶，随着炉体的连续移动，晶体沿着与炉体运动相同的方向逐渐长大。利用本发明提出的生长方法，坩埚不动，靠炉体的移动实现晶体生长，可有效避免传统LaBr3:Ce闪烁晶体生长方法中因引下装置的微小振动对晶体生长干扰而引入的包裹体、气泡等杂质，可显著提高晶体的光学质量，特别适合大尺寸、高光学质量LaBr3:Ce闪烁晶体的生长。

Description

一种溴化镧闪烁晶体的生长方法及所得晶体
技术领域
本发明属于光学材料领域，具体涉及一种溴化镧晶体的生长方法。
背景技术
闪烁晶体是一类能将X、γ等高能射线转换为紫外-可见光的功能材料，作为高端探测装备的核心部件广泛应用于安检、医疗、石油勘探等领域，蕴藏的产业规模极其巨大。
掺铈溴化镧(LaBr3:Ce)闪烁晶体是目前国际研究和应用最热的新型无机闪烁晶体材料，具有光输出高(大于60000Ph/MeV)、衰减时间短(小于30ns)、能量分辨率高(小于4％)等优异特性，其性能全面超越了传统高光输出掺铊碘化钠(NaI:Tl)闪烁晶体，是迄今为止发现闪烁性能最好的晶体，可广泛应用于核医学成像、核辐射探测、地质勘探、石油测井以及高能物理等领域。由于晶体各向异性明显，且存在解离面，晶体特别是大尺寸特别容易开裂。另外，晶体内部易产生云雾、散射颗粒、气泡等缺陷，从而影响晶体的性能。因此，如何生长出大尺寸、高光学质量的晶体一直是国内外研究的热点和难点。
目前，国内外报道的生长LaBr3:Ce闪烁晶体的方法主要是坩埚下降法，其基本原理是通过上下炉膛温度调控或者物理隔离的方式，在上下降炉膛中内造成一定的温度梯度。其生长过程如下：首先将原料装入坩埚内，放置于下降炉中进行加热熔化，然后坩埚在下降装置的带动下缓慢下降通过温度梯度区，从而在坩埚底部结晶，随着坩埚的连续移动，晶体沿着与坩埚运动相反的方向逐渐长大。该方法的缺点是：对下降装置的要求特别严格，下降装置的微小震动会引起坩埚的微小振动，从而干扰晶体生长，进而影响晶体的光学质量。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提出了一种采用炉体移动生长LaBr3:Ce闪烁晶体的方法。该方法的突出特点是：在坩埚不动的情况下，通过炉体的向上移动，实现温度梯度区的移动，从而实现晶体生长。采用炉体移动代替常规的坩埚移动，避免了下降装置的微小震动对晶体生长的干扰而引入的包裹体、气泡等杂质，从而可以生长出高光学质量的LaBr3:Ce闪烁晶体。
本发明的第二个目的是提出所述生长方法获得的晶体。
实现本发明目的的技术方案为：
一种溴化镧闪烁晶体的生长方法，包括以下操作：将原料装入坩埚内，放置于下降炉中进行加热熔化，然后坩埚不动，炉体缓慢移动，从而使坩埚通过温度梯度区，使原料在坩埚底部结晶，随着炉体的连续移动，晶体沿着与炉体运动相同的方向逐渐长大。
其中，所述容器为石英坩埚，或为内衬铂金筒的石英坩埚。
其中，所述原料为溴化镧和掺杂的盐，所述掺杂的盐为溴化铈、氯化铈或氟化铈中的一种。
优选地，所述溴化镧的质量为500～1500g，溴化镧和掺杂的盐的摩尔比例为(100-x)：x，0﹤x≤20。
更优选地，溴化镧和掺杂的盐的摩尔比例为95：5。
所述的生长方法，具体包括步骤：
1)原料的称取：采用无水、纯度99.99％的LaBr3和CeBr3为原料，在手套箱内按比例称取LaBr3和CeBr3，在研钵中混合均匀，然后装于预先处理好的石英坩埚中；
2)坩埚熔封：将坩埚从手套箱中取出后迅速抽真空，并封口。
3)晶体生长：将坩埚置于两段控温下降炉内，进行化料、向上移动炉体生长和降温，生长结束后，将晶体从下降炉中取出。
进一步地，步骤3)中，将坩埚放置于两段控温下降炉的上温区，上温区的温度升至850～880℃，下温区的温度升至720～780℃，恒温10～24h，使原料完全熔化。
更优选地，步骤3)中，将炉体以500～5000mm/h的速度上升至坩埚底位于梯度区，然后以0.5～3mm/h的速度向上移动炉体，进行晶体生长。
其中，步骤3)晶体生长结束后，停止移动炉体，在低温区原位退火10～20h后，以15～50℃/h的速度降至室温，取出晶体。
本发明所述的生长方法制得的晶体。
本发明的有益效果在于：
利用本发明提出的生长方法，坩埚不动，靠炉体的移动实现晶体生长，可有效避免传统LaBr3:Ce闪烁晶体生长方法中因引下装置的微小振动对晶体生长干扰而引入的包裹体、气泡等杂质，可显著提高晶体的光学质量，特别适合大尺寸、高光学质量LaBr3:Ce闪烁晶体的生长。
附图说明
图1为实施例1制直径2英寸LaBr3:Ce闪烁晶体照片。
具体实施方式
以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。
实施例中，控制炉体下降的装置为济南金曼顿自动化技术有限公司生产的坩埚下降炉。
实施例1：
1)原料的称取：在手套箱内，分别称取无水、纯度99.99％的LaBr3原料700克，CeBr3原料37克，在玛瑙研铂中混合均匀，然后装于预先处理好的石英坩埚中。石英坩埚上设置有石英管。
2)坩埚熔封：从手套箱中取出后，迅速抽真空至10-3Pa，用氢氧焰将石英坩埚的管口封住。
3)晶体生长：将坩埚放置于两段控温下降炉的上温区，上温区的温度升至850℃，下温区的温度升至780℃，恒温12h，使原料完全熔化。将炉体以500mm/h的速度上升至坩埚底位于梯度区，然后以1±0.5mm/h的速度移动炉体，进行晶体生长。晶体生长结束后，停止移动炉体(此时坩埚位于低温区)。在低温区原位退火10h后，以20℃/h的速度降至室温，取出晶体。
图1为按实施例1生长LaBr3:Ce闪烁晶体的照片。在He-Ne激光下观察，晶体内无散射颗粒，经测试样品的光输出为同体积NaI:Tl晶体的160％
实施例2
1)原料的称取：在手套箱内，分别称取无水、纯度99.99％的LaBr3原料150克，CeBr3原料6.27克，在玛瑙研铂中混合均匀，然后装于预先处理好的石英坩埚中。
2)坩埚熔封：从手套箱中取出后，迅速抽真空至10-4Pa，用氢氧焰将石英坩埚的管口封住。
3)晶体生长：将坩埚放置于两段控温下降炉的高温区，上温区的温度升至870℃，下温区的温度升至750℃，恒温10h，使原料完全熔化。将炉体以3000mm/h的速度上升至坩埚底位于梯度区。然后以2±0.5mm/h的速度移动炉体，进行晶体生长。晶体生长结束后，停止移动炉体，在低温区原位退火15h后，以40℃/h的速度降至室温，取出晶体。
得到的晶体直径1英寸左右。
实施例3
1)原料的称取：在手套箱内，分别称取无水、纯度99.99％的LaBr3原料300克，CeBr3原料3.04克，在玛瑙研铂中混合均匀，然后装于预先处理好的石英坩埚中。
2)坩埚熔封：从手套箱中取出后，迅速抽真空至10-5Pa，用氢氧焰将石英坩埚的管口封住。
3)晶体生长：将坩埚放置于两段控温下降炉的高温区，上温区的温度升至880℃，下温区的温度升至720℃，恒温15h，使原料完全熔化。将炉体以5000mm/h的速度上升至坩埚底位于梯度区。然后以1±0.5mm/h的速度向上移动炉体，进行晶体生长。晶体生长结束后，停止移动炉体，在低温区原位退火20h后，以30℃/h的速度降至室温，取出晶体。
得到的晶体直径为1.5英寸左右。
实施例4
1)原料的称取：1000g溴化镧、52.8g溴化铈；
3)晶体生长：将坩埚放置于两段控温下降炉的上温区，上温区的温度升至880℃，下温区的温度升至750℃，恒温24h，使原料完全熔化。将炉体以800mm/h的速度上升至坩埚底位于梯度区。然后以1±0.5mm/h的速度移动炉体，进行晶体生长。晶体生长结束后，停止移动炉体，在低温区原位退火20h后，以15℃/h的速度降至室温，取出晶体。
其他操作同实施例1。
得到的溴化镧晶体直径为3英寸。
以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种溴化镧闪烁晶体的生长方法，其特征在于，包括以下操作：将原料装入坩埚内，坩埚封口后放置于下降炉中进行加热熔化，然后坩埚不动，炉体缓慢移动，从而使坩埚通过温度梯度区，使原料在坩埚底部结晶，随着炉体的连续移动，晶体沿着与炉体运动相同的方向逐渐长大；
其中，将坩埚放置于两段控温下降炉的上温区，上温区的温度升至850～880℃，下温区的温度升至720～780℃，恒温10～24h，使原料完全熔化；
所述炉体以500～5000mm/h的速度上升至坩埚底位于梯度区，然后以0.5～3mm/h的速度向上移动炉体，进行晶体生长；
晶体生长结束后，停止移动炉体，在低温区原位退火10～20h后，以15～50℃/h的速度降至室温，取出晶体；
所述原料为溴化镧和掺杂的盐，所述掺杂的盐为溴化铈、氯化铈、氟化铈中的一种，溴化镧和掺杂的盐的摩尔比例为100-x：x。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述坩埚为石英坩埚，或为内衬铂金筒的石英坩埚。
3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述溴化镧和掺杂的盐的摩尔比例为95:5。
4.根据权利要求1～3任一项所述的生长方法，其特征在于，所述溴化镧的质量为500-1500g。
5.权利要求1所述的生长方法，其特征在于，包括步骤：
1)原料的称取：采用无水、纯度99.99％的LaBr3和CeBr3为原料，在手套箱内按比例称取LaBr3和CeBr3，在研钵中混合均匀，然后装于预先处理好的石英坩埚中；
2)坩埚熔封：将坩埚从手套箱中取出后迅速抽真空，并封口；
3)晶体生长：将坩埚置于两段控温下降炉内，进行化料、向上移动炉体生长和降温，生长结束后，将晶体从下降炉中取出。
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