CN108221055B - 一种本征发光的闪烁晶体钽酸镁及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种闪烁晶体钽酸镁,其化学式Mg4Ta2O9,属于六方晶系,具有钛铁矿结构,闪烁发光的光产额为16000photons/M eV,衰减时间为5μs,能量分辨率为6.2%,还提供了上述Mg4Ta2O9作为闪烁晶体材料的用途,还提供了其制备方法,即以MgO和Ta2O5为初始粉料,按摩尔比4.04:1混匀,做成原料棒并预烧得纯相、致密、均匀的多晶料棒,采用光学浮区法生长出大小为Φ4mm×L62mm的无色、透明棒状晶体。该方法具有熔区稳定、操作简便等优点,能有效抑制MgO挥发、保持组分均匀和结晶质量稳定。
Description
技术领域
本发明属于化工领域,涉及一种新型闪烁晶体材料钽酸镁,其化学式Mg4Ta2O9,包括其本征发光、闪烁性能、多晶料棒制备和晶体生长等。
背景技术
无机闪烁晶体是一类光电功能材料,被广泛应用于高能物理、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领域。随着核科学技术以及其他相关技术的飞速发展,其应用领域在不断拓宽。不同应用领域对无机闪烁体的要求有所侧重,目前闪烁晶体的发展趋势是高光输出、高能量分辨率、快响应和高密度,因此国内外诸多团队致力于探索新型的闪烁体晶体乃至新材料体系,以期推动光电探测领域的发展。
Mg4Ta2O9晶体材料属于六方晶系,具有钛铁矿结构,空间群为P3c1(165),晶格常数为a=0.51611nm,c=1.40435nm,V=0.32396nm3。Mg4Ta2O9在升温至其熔点1825℃期间,一直保持稳定,无相变发生。由于其在蓝光至紫外区域有很强的光致发光峰,所以在荧光材料领域有潜在应用;由于其高Q×f值(>116000GHz)和高的谐振频率稳定系数,在微波介电领域有重要的应用价值。2015年,李亮等人用光学浮区法生长出最大尺寸为Φ4mm×L12mm的晶体,但晶体棒质量不高,且有大量裂缝,性能研究仅仅涉及室温和变温的拉曼光谱。作为一种新材料,人们对它的了解还处于初级阶段,有大量工作有待开展。钽酸镁晶体作为闪烁材料迄今未见文献报道,系本发明之核心所在。
发明内容
本发明在我们生长的Mg4Ta2O9晶体上首次测试到闪烁性能。X射线激发发射谱测试表明其发射峰位于349nm和362nm处。脉冲X射线激发的衰减时间谱图显示其第一快衰减时间为429.7ns,其占光产出总量的3.3%;第二快衰减时间为5234.1ns,占光产出总量的79.9%;慢成分发光占光产出总量的16.8%。γ射线脉冲强度谱图计算表明,该晶体的光产额为16000photons/MeV,退火前后基本不变,大约是同等条件下测试的BGO晶体参考样品的1.6~2倍,能量分辨率为6.2%。
这些性能与目前广泛用于安检的钨酸镉晶体相当,但钨酸镉晶体在生长和使用中存在镉污染问题,而本发明提出的钽酸镁晶体结构稳定,环境友好,从生产、加工到应用、回收都没有环境污染问题。因此,钽酸镁晶体是一种具有优良闪烁性能、适合安检等应用的新型闪烁晶体。
本发明提供了一种闪烁晶体钽酸镁,其化学式为Mg4Ta2O9,属于六方晶系,具有钛铁矿结构,该晶体闪烁发光的光产额为16000photons/MeV,衰减时间为5μs,能量分辨率为6.2%。
本发明还提供了上述的钽酸镁作为闪烁材料的用途。
本发明的创新内容还包括上述闪烁晶体钽酸镁的制备方法:采用MgO组分补偿,通过固相反应合成高纯Mg4Ta2O9多晶料棒;采用光学浮区法生长出结晶良好,可实现闪烁性能表征的Mg4Ta2O9棒状晶体。
具体工艺如下:
1)将高纯粉料MgO和Ta2O5按4.04:1的摩尔比进行配料,球磨1h,将混匀后的粉料填入、捣匀在长条塑胶管中,封口且将塑胶管夹在两片金属半圆薄管中固定,放入等静压机中在350MPa的压强下保压1h,将塑胶管去掉就制成长约10cm直径为5mm的原料棒;
2)将步骤1)制得的原料棒放入坩埚中,马弗炉中烧结,以1400℃/h的升温速率升至1400℃,保温2h,以1400℃/h的降温速率降至室温,即制成的致密均匀等径的纯相多晶料棒;
3)将步骤2)制得的纯相Mg4Ta2O9多晶料棒切取一部分做籽晶棒,进行自发成核生长,优化出无裂缝,高结晶质量的晶体棒;
4)以步骤3)优化的高结晶质量的Mg4Ta2O9晶体棒为籽晶,缠绑在下旋转杆的托槽上,调节至籽晶上端水平居中。制备好的多晶料棒打孔并穿入铂金丝悬挂在上旋转杆的吊钩上,调节至水平居中,与籽晶成一直线。安装上石英管,移动进料棒和籽晶位置,使其对接部位刚好处于聚焦中心,一切就绪后设置升温速率进行加热熔化。
5)使用功率1000W层状灯丝形貌的两个卤素灯作为加热源,输出电压90~95V,设置上旋转速度为15~30rpm,下旋转速度为-15~-25rpm,生长速度为1mm/h。无色透明,具有少量裂缝的,结晶良好,大小为Φ4mm×46mm的纯相晶体棒被制备出来。
本发明的有益效果:
本发明公开的新型闪烁晶体材料钽酸镁,具有环境友好、高温稳定等优点,其性能与现有商业应用的重要闪烁晶体钨酸镉相当,可用于安全检查、资源勘探等领域;
本发明制备的新型闪烁晶体材料钽酸镁,晶体完整性高,质量好,其闪烁性能突出,光产额为16000photons/MeV,能量分辨率为6.2%。钽酸镁晶体作为闪烁材料迄今未见文献报道,系本发明之核心所在。
本发明的单晶制备方法,即光学浮区法,熔区稳定,操作简便,采用边熔化边结晶的方式,抑制挥发保持组分和结晶质量稳定。
附图说明:
图1为实施例1通过光学浮区法生长的Mg4Ta2O9晶体棒;
图2为实施例1通过组分补偿烧结获得的多晶料棒及光学浮区法生长的单晶棒Mg4Ta2O9的粉末XRD图谱;
图3为实施例1所生长晶体的单晶X射线衍射数据获得的结构图;
图4为实施例1所生长的Mg4Ta2O9晶体的X射线激发的发射光谱图;
图5为实施例1所生长的Mg4Ta2O9晶体的脉冲X射线激发的衰减时间谱图;
图6为实施例1所生长的Mg4Ta2O9晶体的γ射线脉冲强度谱图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步进行阐述,但不限制本发明。
实施例1:
1)将高纯粉料MgO(99.9995%)和Ta2O5(99.99%)按4.04:1的摩尔比进行配料,球磨1h,将混匀后的粉料填入、捣匀在长条塑胶管中,封口且将塑胶管夹在两片金属半圆薄管中固定,放入等静压机中在350MPa的压强下保压1h,将塑胶管去掉就制成长约10cm直径为5mm的原料棒;
2)将步骤1)制得的原料棒放入长条形坩埚中,马弗炉中烧结,以1400℃/h的升温速率升至1400℃,保温2h,以1400℃/h的降温速率降至室温,即制成的致密均匀等径的多晶料棒,并截取一部分进行粉末XRD表征,如图2所示;
3)将步骤2)制得的纯相Mg4Ta2O9多晶料棒切取一部分做籽晶棒,进行自发成核生长,优化出无裂缝,高结晶质量的晶体棒;
4)以步骤3)优化的高结晶质量的Mg4Ta2O9晶体棒为籽晶,缠绑在下旋转杆的托槽上,调节至籽晶上端水平居中。制备好的多晶料棒打孔并穿入铂金丝悬挂在上旋转杆的吊钩上,调节至水平居中,与籽晶成一直线。安装上石英管,移动进料棒和籽晶位置,使其对接部位刚好处于聚焦中心,一切就绪后设置升温速率进行加热熔化;
5)使用功率1000W层状灯丝形貌的两个卤素灯作为加热源,输出电压90~95V,设置上旋转速度为15~30rpm,下旋转速度为-15~-25rpm,生长速度为1mm/h。所生长的晶体棒如图1所示,无色透明,少量裂缝,大小为Φ4mm×46mm,粉末XRD图谱显示所生长的晶体为纯相,如图2所示。图3为所生长晶体的单晶X射线衍射数据获得的结构图;
6)从步骤5)制得的原料棒上切割、定向和加工晶体样品,在空气中1000℃下退火12h,升降温速率为50℃/h;
7)X射线激发发射谱(图4)测试表明其发射峰位于349nm和362nm处。脉冲X射线激发的衰减时间谱图(图5)显示其第一快衰减时间为429.7ns,其占光产出总量的3.3%;第二快衰减时间为5234.1ns,占光产出总量的79.9%;慢成分发光占光产出总量的16.8%。γ射线脉冲强度谱图(图6)计算表明,该晶体的光产额为16000photons/MeV,退火前后基本不变,大约是同等条件下测试的BGO晶体参考样品的1.6~2倍,能量分辨率为6.2%。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明,而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换,均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种闪烁晶体钽酸镁作为闪烁材料的用途,其特征在于:其化学式为Mg4Ta2O9,属于六方晶系,具有钛铁矿结构,该晶体闪烁发光的光产额为16000photons/M eV,衰减时间为5μs,能量分辨率为6.2%。
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