CN107723795B - 一种掺氟化钇的氟化钡晶体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种掺氟化钇的氟化钡晶体及其制备方法，所述晶体由YF3、BaF2组成，其中YF3摩尔百分比为5～7mol％，通过本发明制备方法制得的所述晶体光输出快慢成分比最大可提高25倍，并且快成分衰减时间不变，而且所述晶体中掺入钇离子，钇离子半径较小，制备所述晶体质量高，完全可以取代纯氟化钡以及碘化铯晶体等，用于高能物理及核医学探测；所述晶体制备方法使掺杂钇元素充分溶解并分布均匀，保障了所述晶体的质量，通过设计的石墨坩埚外壁与加热器内壁之间的距离为20mm，保障了固液界面附近温度梯度约为5～10℃/cm，避免了梯度过大造成的晶体开裂问题，同时设备简单、易于操作。

Description

一种掺氟化钇的氟化钡晶体及其制备方法
技术领域
本发明属于晶体生长领域，具体涉及一种掺氟化钇的氟化钡晶体及其制备方法。
背景技术
闪烁晶体即能吸收高能粒子能量后发出一定波长闪烁荧光的晶体，经光电转换系统和辅助电子设备，最终可以确定高能粒子的能量。闪烁晶体可用于X射线、γ射线、中子及其他高能粒子的探测。氟化钡(BaF2)晶体是一种优良的闪烁晶体材料，这种晶体密度大，抗辐照损伤能力强，光产额高，不易潮解，并且衰减速度极快(0.9ns)，是迄今为止已发现的衰减速度最快的闪烁晶体，被认为是高能物理及核医学应用中进行正电子湮灭研究的极佳材料。但是，BaF2晶体的快成分发光峰位于紫外区，晶体发射的荧光中有强度较高的慢成分(620ns)，快慢成分的光输出比值较低(1:5)，很大程度上限制了BaF2晶体的应用。
例如：中国专利号201010217744.0公开了一种镱钆共掺氟化钡晶体及其制备方法，该晶体的分子式为：YbxGdyBaF2+3x+3y，其中x为yb3+的掺杂浓度，x＝1～10mol％，y为Gd3+离子的掺杂浓度，y＝10～30mol％。采用熔体法生长。该晶体具有较大的吸收和发射截面、长荧光寿命和高的热导率，是一种高效率、高重频、高功率激光器的激光增益材料，可用于激光二极管泵浦的高重频、高功率、可调谐或超短脉冲激光器。但是该发明不能提高氟化钡晶体光输出快慢成分比，而且应用领域不同。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种掺氟化钇的氟化钡晶体，能够使氟化钡晶体光输出快慢成分比最大可提高25倍，而且快成分衰减时间不变。
本发明的另一个目的是提供一种所述晶体的制备方法。
为达到上述目的，所述晶体由YF3、BaF2组成，其中YF3摩尔百分比为5～7mol％。
进一步的，YF3摩尔百分比为6mol％。
一种所述晶体的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：初始原料为YF3、BaF2和聚四氟乙烯，按照YF3摩尔百分比为5～7mol％称量YF3和BaF2，按照0.1wt％称量聚四氟乙烯，聚四氟乙烯与原料中微量的氧杂质反应生成二氧化碳，提高原料的纯度，而且400℃以上完全分解；
步骤二：将步骤一中各原料充分混合后装入石墨坩埚；
步骤三：将步骤二中石墨坩埚放入加热器内，并抽真空，加热器内真空度达到10- 3Pa以上；
步骤四：对步骤三中加热器开始升温，升温过程如下：
1)、以每小时50℃速度升温至350℃，然后恒温2个小时；
2)、再以每小时50℃的升温速度升温至氟化钡晶体的熔点以上，然后恒温10小时至原料熔化，掺杂元素充分溶解并分布均匀；
步骤五：对步骤四中升温后，采用缓冷法使掺氟化钇的氟化钡晶体自发成核生成籽晶；
步骤六：步骤五中缓冷法结束后，将石墨坩埚以每小时1mm的速率匀速下降，直至结晶过程完成；
步骤七：步骤六中结晶过程完成后，以每小时20℃的冷却速度冷却至室温。
进一步的，步骤五中缓冷法降温速率为每小时1～2℃，降温20℃。
进一步的，步骤五中缓冷法降温速率为每小时1℃，降温20℃。
进一步的，步骤五中缓冷法降温速率为每小时2℃，降温20℃。
进一步的，步骤三中石墨坩埚外壁与加热器内壁之间的距离为20mm，以使掺钇氟化钡晶体结晶的温度梯度的变化，适合掺钇氟化钡晶体结晶需求，得到固液界面附近温度梯度为5～10℃/cm。
本发明所述晶体的有益效果为：
1.本发明所述晶体光输出快慢成分比最大提高25倍，并且快成分衰减时间不变。
2.本发明所述晶体中掺入钇离子，钇离子半径小，制备所述晶体质量高。
3.本发明所述晶体能够取代纯氟化钡以及碘化铯晶体等，用于高能物理及核医学探测。
4.本发明所述晶体制备方法使掺杂钇元素充分溶解并分布均匀，保障了所述晶体的质量。
5.本发明所述晶体制备方法中设计的石墨坩埚外壁与加热器内壁之间的距离为20mm，保障了固液界面附近温度梯度为5～10℃/cm，避免了梯度超过5～10℃/cm造成的晶体开裂的缺陷。
6.本发明所述晶体制备方法设备简单、易于操作。
7.本发明所述晶体制备方法中添加除氧剂(聚四氟乙烯)能够提高原料的纯度。
附图说明
图1是本发明掺Y F3的摩尔百分比为5mol％(1701-3)和7mol％(1701-4)晶体光输出；
图2是本发明掺Y F3的摩尔百分比为5mol％(1701-3)和7mol％(1701-4)晶体光输出衰减时间。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1：
制备YF3摩尔百分比为5mol％的所述晶体，包括如下步骤：
步骤一：初始原料为YF3、BaF2和聚四氟乙烯，按照YF3摩尔百分比为5mol％称量YF3和BaF2，按照0.1wt％称量聚四氟乙烯；
步骤二：将步骤一中各原料充分混合后装入石墨坩埚；
步骤三：将步骤二中石墨坩埚放入加热器内，使石墨坩埚外壁与加热器内壁之间的距离为20mm，并抽真空，加热器内真空度达到10-3Pa以上；
步骤四：对步骤三中加热器开始升温，升温过程如下：
1)、以每小时50℃速度升温至350℃，然后恒温2个小时；
2)、再以每小时50℃的升温速度升温至氟化钡晶体的熔点以上，然后恒温10小时；
步骤五：对步骤四中升温后，采用缓冷法降温速率为每小时1℃，降温20℃，以使掺氟化钇的氟化钡晶体自发成核生成籽晶；
步骤六：步骤五中缓冷法结束后，将石墨坩埚以每小时1mm的速率匀速下降，直至结晶过程完成；
步骤七：步骤六中结晶过程完成后，以每小时20℃的速度冷却至室温。
实施例2：
制备YF3摩尔百分比为6mol％的所述晶体，包括如下步骤：
步骤一：初始原料为YF3、BaF2和聚四氟乙烯，按照YF3摩尔百分比为6mol％称量YF3和BaF2，按照0.1wt％称量聚四氟乙烯；
步骤二：将步骤一中各原料充分混合后装入石墨坩埚；
步骤三：将步骤二中石墨坩埚放入加热器内，使石墨坩埚外壁与加热器内壁之间的距离为20mm，并抽真空，加热器内真空度达到10-3Pa以上；
步骤四：对步骤三中加热器开始升温，升温过程如下：
1)、以每小时50℃速度升温至350℃，然后恒温2个小时；
2)、再以每小时50℃的升温速度升温至氟化钡晶体的熔点以上，然后恒温10小时；
步骤五：对步骤四中升温后，采用缓冷法降温速率为每小时2℃，降温20℃，以使掺氟化钇的氟化钡晶体自发成核生成籽晶；
步骤六：步骤五中缓冷法结束后，将石墨坩埚以每小时1mm的速率匀速下降，直至结晶过程完成；
步骤七：步骤六中结晶过程完成后，以每小时20℃的速度冷却至室温。
实施例3：
所述晶体由YF3、BaF2组成，其中YF3摩尔百分比为7mol％。
如实施例3所述晶体的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：初始原料为YF3、BaF2和聚四氟乙烯，按照YF3摩尔百分比为7mol％称量YF3和BaF2，按照0.1wt％称量聚四氟乙烯；
步骤二：将步骤一中各原料充分混合后装入石墨坩埚；
步骤三：将步骤二中石墨坩埚放入加热器内，使石墨坩埚外壁与加热器内壁之间的距离为20mm，并抽真空，加热器内真空度达到10-3Pa以上；
步骤四：对步骤三中加热器开始升温，升温过程如下：
1)、以每小时50℃速度升温至350℃，然后恒温2个小时；
2)、再以每小时50℃的升温速度升温至氟化钡晶体的熔点以上，然后恒温10小时；
步骤五：对步骤四中升温后，采用缓冷法降温速率为每小时1℃，降温20℃，以使掺氟化钇的氟化钡晶体自发成核生成籽晶；
步骤六：步骤五中缓冷法结束后，将石墨坩埚以每小时1mm的速率匀速下降，直至结晶过程完成；
步骤七：步骤六中结晶过程完成后，以每小时20℃的速度冷却至室温。
对实施例1和实施例3所制得的晶体进行光谱实验，得出晶体光输出和晶体光输出衰减时间，如图1、图2所示。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种掺氟化钇的氟化钡晶体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：初始原料为YF3、BaF2和聚四氟乙烯，按照YF3摩尔百分比为6mol％称量YF3和BaF2，按照0.1wt％称量聚四氟乙烯；
步骤二：将步骤一中各原料充分混合后装入石墨坩埚；
步骤三：将步骤二中石墨坩埚放入加热器内，并抽真空，加热器内真空度达到10-3Pa以上，石墨坩埚外壁与加热器内壁之间的距离为20mm；
步骤四：对步骤三中加热器开始升温，升温过程如下：
1)、以每小时50℃速度升温至350℃，然后恒温2个小时；
2)、再以每小时50℃的升温速度至氟化钡晶体的熔点以上，然后恒温10小时；
步骤五：对步骤四中升温后，采用缓冷法，降温速率为每小时1～2℃，降温20℃，使掺氟化钇的氟化钡晶体自发成核生成籽晶；
步骤六：步骤五中缓冷法结束后，将石墨坩埚以每小时1mm的速率匀速下降，直至结晶过程完成；
步骤七：步骤六中结晶过程完成后，以每小时20℃的冷却速度冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤五中所述缓冷法降温速率为每小时1℃，降温20℃。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤五中所述缓冷法降温速率为每小时2℃，降温20℃。
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