CN107326439A - 铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法 - Google Patents

铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，熔料阶段：控制单晶炉熔料过程在第一保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0‑0.05MPa，第一保护气体气流量为0‑20L/min；长晶阶段：控制单晶炉长晶过程在第二保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0‑0.05MPa，第二保护气体气流量为0‑20L/min；退火阶段：控制单晶炉退火过程在第三保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0‑0.05MPa，第三保护气体气流量为0‑20L/min。本发明铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法所制备得到的Ce:LYSO晶体呈无色、透明、无开裂，其光学性能优异，本方法值得推广应用。

Description

铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及闪烁晶体领域，具体涉及一种铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法。
背景技术
某些晶体在射线(X射线，γ射线)或高能粒子的作用下会发出紫外光或可见光,这种现象叫闪烁效应。具有这种闪烁效应的晶体称为闪烁晶体。闪烁晶体在辐射探测领域有着十分重要的作用，在测量辐射的能量、强度、传播、哀减等信息的基础上，人们开发了闪烁体的多种应用，这些应用也极大的改变了我们的生活和我们对世界的认识。
近年来，研究人员开发了一类铈掺杂硅酸镥钇（Ce:LYSO）的新型闪烁晶体。Ce:LYSO晶体的主要特点是光产额大、荧光时间短、荧光发射峰在光电倍增管的探测敏感范围内、对γ射线具有良好的探测效率、能量分辨率高、化学性质稳定、不潮解、机械强度高。到目前为止，Ce:LYSO晶体已经在高能物理、核医学、石油勘探等领域有了良好的应用。
由于Ce:LYSO晶体优越的闪烁性能，引起了国内外闪烁晶体行业的关注。美国Crystal Photonics, Inc.公司、Siemens Medical Solutions USA, Inc.，圣戈班公司、日立公司、中国科技电子集团公司第二十六研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所等公司或科研机构先后开展了Ce:LYSO晶体的生长和应用研究。
然而，在Ce:LYSO晶体生长过程中，出现了一些难以解决的技术难题：Ce:LYSO晶体的熔点高达2000℃以上，对于如此高的生长温度对生长设备提出了严重挑战，主要表现在坩埚中的铱特别容易挥发或被氧化挥发到熔体中，这不仅增加了生长成本，而且挥发的铱很容易进入晶体中形成散射中心；高温对保温材料的损耗非常大，热场稳定性不能保证；Ce:LYSO晶体属于单斜晶系，各方向热学性能差异较大，晶体在降温的过程中极易开裂，而且调节温度场很难抑制开裂；晶体在生长结束后，需要二次退火，去除氧空位，来提高其闪烁性能。
因此，需要提出一种新的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法来解决上述技术问题。
发明内容
为了提高铈掺杂硅酸钇镥晶体的产品率和闪烁性能，在晶体生长的不同阶段采用保护气体流动气氛，并控制炉内气压和气流量，来制备铈掺杂硅酸钇镥晶体。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，熔料阶段：控制单晶炉熔料过程在第一保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第一保护气体气流量为0-20L/min；长晶阶段：控制单晶炉长晶过程在第二保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第二保护气体气流量为0-20L/min；退火阶段：控制单晶炉退火过程在第三保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第三保护气体气流量为0-20L/min。
作为本发明的进一步改进，所述第一保护气体为高纯氮气。
作为本发明的进一步改进，所述熔料阶段的炉内气压为0.005-0.04MPa。
作为本发明的进一步改进，所述熔料阶段的气流量为5-10L/min。
作为本发明的进一步改进，所述第二保护气体为高纯氮气。
作为本发明的进一步改进，长晶阶段的炉内气压为0.04MPa。
作为本发明的进一步改进，所述长晶阶段的气流量为0.001-5L/min。
作为本发明的进一步改进，所述第三保护气体为高纯氩气与高纯氧气的混合气，其中高纯氩气占体积分数的95-99.9%，高纯氧气占0.1-5%。
作为本发明的进一步改进，所述退火阶段的炉内气压为0.04MPa。
作为本发明的进一步改进，所述退火阶段的气流量为0.001-5L/min。
本发明铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法所制备得到的Ce:LYSO晶体呈无色、透明、无开裂，其光学性能优异，本方法值得推广应用。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，本发明采用提拉法生长Ce:LYSO晶体，Ce:LYSO原料置于铱坩埚中，并置于单晶炉内，熔料阶段：控制单晶炉熔料过程在第一保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第一保护气体气流量为0-20L/min；长晶阶段：控制单晶炉长晶过程在第二保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第二保护气体气流量为0-20L/min；退火阶段：控制单晶炉退火过程在第三保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第三保护气体气流量为0-20L/min。
在本发明的某些实施例中，所述第一保护气体为高纯氮气。晶体生长在铱坩埚内进行，高纯氮气既能保护铱坩埚不被氧化，又能节省气体成本。
在本发明的某些实施例中，所述熔料阶段的炉内气压为0.005-0.04MPa。气压在此范围内，可以保证单晶生长炉内气压为正，避免设备漏气，损伤铱坩埚。
在本发明的某些实施例中，所述熔料阶段的气流量为5-10L/min。气流量在此范围内，可以将熔料阶段随着炉内温度上升，热场、铱坩埚以及原料中的挥发物尽快的排走，避免挥发物在炉内沉积或者进入熔体，影响晶体质量。
在本发明的某些实施例中，所述第二保护气体为高纯氮气。高纯氮气既能保护铱坩埚不被氧化，又能节省气体成本。此外，由于氮气的导热系数要高于氩气，采用氮气气氛，可以提高长晶阶段温场中的温度梯度，有利于晶体生长界面稳定。
在本发明的某些实施例中，长晶阶段的炉内气压为0.04MPa。气压在此范围内，可以保证单晶生长炉内气压为正，避免设备漏气，损伤铱坩埚。此外，长晶阶段单晶炉内需要维持一个稳定的气压，对于维持热场的稳定性具有重要的意义。
在本发明的某些实施例中，所述长晶阶段的气流量为0.001-5L/min。长晶阶段，处在高温的铱坩埚、熔体和热场中会持续不断的产生挥发物。一定的气流量便于将这些挥发物及时的排出炉内，避免挥发物在炉内沉积或者进入熔体，影响晶体质量。
在本发明的某些实施例中，所述第三保护气体为高纯氩气与高纯氧气的混合气，其中高纯氩气占体积分数的95-99.9%，高纯氧气占0.1-5%。退火阶段需要一个比较小的温度梯度和一定含量的氧分压。氩气的热导率要低于氮气，退火阶段采用氩气可以保证晶体应力得到缓慢释放，避免晶体开裂。氧气的加入便于去除晶体中的氧空位，提高晶体光学性能。氧分压过大会使铱坩埚过分氧化，增加经济损失。因此，退火阶段的退火阶段的流动气氛为高纯氩气与高纯氧气的混合气，其中氩气占体积分数的95-99.9%，氧气占0.1-5%。
在本发明的某些实施例中，所述退火阶段的炉内气压为0.04MPa。退火阶段尽量减少炉内气压的变化，维持一个稳定的退火环境。
在本发明的某些实施例中，所述退火阶段的气流量为0.001-5L/min。退火阶段维持一个稳定的气流量，是为晶体退火提供稳定的化学环境。
实施例1。
采用提拉法生长Ce:LYSO晶体。该晶体的制备方法包括如下步骤：Ce:LYSO原料置于铱坩埚中，并置于单晶炉内。置换炉内空气为高纯氮气，控制气压0.005MPa，气流量5L/min，升温熔料。长晶过程中，炉内气氛为高纯氮气，控制气压0.04MPa，气流量5L/min。长晶结束后，开始退火阶段。逐渐将炉内气氛置换为混合气体，其中高纯氩气占95%，高纯氧气占5%，气压为0.04MPa，气流量为0.001L/min。晶体降温结束后取出晶体，晶体呈无色，透明，无开裂。经过检测，晶体密度7.1g/cm3，衰减寿命35ns，光输出28photons/keV。
实施例2。
采用提拉法生长Ce:LYSO晶体。该晶体的制备方法包括如下步骤：Ce:LYSO原料置于铱坩埚中，并置于单晶炉内。置换炉内空气为高纯氮气，控制气压0.04MPa，气流量10L/min，升温熔料。长晶过程中，炉内气氛为高纯氮气，控制气压0.04MPa，气流量0.001L/min。长晶结束后，开始退火阶段。逐渐将炉内气氛置换为混合气体，其中高纯氩气占99.9%，高纯氧气占0.1%，气压为0.04MPa，气流量为5L/min。晶体降温结束后取出晶体，晶体呈无色，透明，无开裂。经过检测，晶体密度7.1g/cm3，衰减寿命32ns，光输出30photons/keV。
本发明铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法简单易控，所制备得到的Ce:LYSO晶体呈无色、透明、无开裂，Ce:LYSO晶体光产额大、荧光时间短、荧光发射峰在光电倍增管的探测敏感范围内。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：
熔料阶段：控制单晶炉熔料过程在第一保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第一保护气体气流量为0-20L/min；
长晶阶段：控制单晶炉长晶过程在第二保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第二保护气体气流量为0-20L/min；
退火阶段：控制单晶炉退火过程在第三保护气体流动气氛保护下，炉内气压为0-0.05MPa，第三保护气体气流量为0-20L/min。
2.根据权利要求1所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述第一保护气体为高纯氮气。
3.根据权利要求1所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述熔料阶段的炉内气压为0.005-0.04MPa。
4.根据权利要求1 所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述熔料阶段的气流量为5-10L/min。
5.根据权利要求1 所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述第二保护气体为高纯氮气。
6.根据权利要求1所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：长晶阶段的炉内气压为0.04MPa。
7.根据权利要求1所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述长晶阶段的气流量为0.001-5L/min。
8.根据权利要求1所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述第三保护气体为高纯氩气与高纯氧气的混合气，其中高纯氩气占体积分数的95-99.9%，高纯氧气占0.1-5%。
9.根据权利要求1所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述退火阶段的炉内气压为0.04MPa。
10.根据权利要求1所述的铈掺杂硅酸钇镥晶体的制备方法，其特征在于：所述退火阶段的气流量为0.001-5L/min。
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