CN1092148C - 钨酸铅单晶 - Google Patents

Abstract

用三氧化钨和氧化铅或钨酸铅生产的钨酸铅单晶，其中每一摩尔钨酸铅含有3×10^-7摩尔到1×10^-3摩尔镧。靠提高光透射率和减少自吸收来增加钨酸铅单晶的光发射量，可以获得做辐射探测器的闪烁体用的钨酸铅单晶。

Description

钨酸铅单晶

本发明涉及用做闪烁体的钨酸铅单晶，这种闪烁体用于放射性射线，诸如X射线或γ射线的探测器。

对于用于高能的闪烁体有多种特征要求，其中特别重要的是：(1)高密度，(2)短发光衰减时间和(3)优异的辐射硬度。

到目前为止，Bi₄Ge₃O₁₂被作为满足上述要求的材料使用。

可是，近年来要求闪烁体具有更高的性能特征。按照上述观点，为寻找具有更高性能特征的物质而对多种物质进行了研究，Derenzo等人发现，在这些物质中，钨酸铅PbWO₄可以用于放射 性探测。然后，在PbWO₄单晶的生产、它们特性的测量以及使它们进入实际应用方面开展了研究。

通常，PbWO₄单晶是用旋转提拉法(Czochralsky方法)生产的。就是用氧化铅(PbO)和三氧化钨(WO₃)或PbWO₄做起 始材料，放在铂坩埚内加热熔融，PbWO₄单晶就被用Czochralsky方法生产出来。

获得的PbWO₄一般地能满足前述的三个特征。可是，由于起始材料纯度不够，杂质被带入单晶使晶体呈现出黄色。PbWO₄单晶的发射峰位于400nm到420nm附近，可是由于黄色吸收它附近 波长的光，发射的光部分被晶体的自吸收所吸收掉，当光从晶体射出时，光的损失就不可避免。

对PbWO₄，光输出为Bi₄Ge₃O₁₂的3％(PbWO₄的值包括自吸收)。

从上面提到的三个特征的角度看，PbWO₄远优于现有的Bi₄Ge₃O₁₂，但其发光量却较小。因此减少PbWO₄中的自吸收，也即减少晶体的着色是极端重要的。

无论如何，为减少晶体的着色已经进行了多种尝试。其中之一就是改善起始材料的纯度。但即使当起始材料的纯度达99.999％时还没有获得满意的结果。另一方面，为了不透明也试过掺杂 剂，但同样没有成功。如果加入钼，在弱辐射区发光量出现增加，但在强辐射区发光量则与那些未加钼的晶体相同，而且还有，钼的加入使发光衰减时间变坏。

如上所述，不牺牲其它特性而减少晶体着色还未获得成功。

高能领域使用的加速器需要更高的能量。那么，辐射探测器的闪烁体就需要更好的时间分辨。因此，用做闪烁体的晶体就需要有更短的衰减时间(推荐值小于几纳秒)和优异的辐射硬度(推荐值大于10⁸拉德)。另一方面，从测量仪器灵敏度的角度来说，发光量越大越有优势。可是目前生产的PbWO₄单晶不足以达到这样的要求。

本发明意在克服前述问题，其目的在于提供用做辐射探测器的闪烁体的钨酸铅单晶。

根据本发明，用三氧化钨和氧化铅或钨酸铅制成的每摩尔含有3×10^-7摩尔到1×10^-3摩尔镧的钨酸铅单晶就能达到前述目的。

本发明的前述和其它特征和优点在下面参考附图对优先实施例所进行的描述中体现出来。这里，

图1是显示波长与透射率之间关系的图；

图2是显示镧的浓度与透射率增加比之间关系的图。

作为对具有较少光自吸收的PbWO₄单晶的认真研究的结果，本发明人发现现有的PbWO₄单晶的透射率曲线在420nm附近有一凹陷，它意味着大的自吸收，吸收边附近的曲线变化和缓，如图1所示。另一方面，加入了镧的PbWO₄单晶的透射率曲线在420nm附近没有凹陷，这意味着小的自吸收，并且吸收边附近的曲线突然下降，这意味着这一特性是令人满意的。在这一发现的基础上，本发明人做了多种实验，获得了根据本发明的钨酸铅单晶。

在PbWO₄单晶中，可利用光的量可以由增加光透射率和减少自吸收而增加，这是由钨酸铅混合镧来实现的，镧的含量为每摩尔PbWO₄含3×10^-7摩尔到1×10^-3摩尔镧。

如果镧的含量是3×10^-7摩尔或更少，由于着色出现自吸收，反之，如果镧的含量为1×10^-3摩尔或更多，由于镧引起的全面自吸收出现黑色，且透射率变坏。

PbO和WO₃或PbWO₄被用做起始材料，并被置于铂坩埚内加热熔融，PbWO₄单晶被用Czochralsky方法制备出来。PbWO₄单晶中的镧含量在每摩尔PbWO₄含3×10^-7摩尔到1×10^-3摩尔之间。

为了这个目的，用做起始材料的PbO和WO₃或PbWO₄中的镧含量被定为3×10^-7摩尔或更少。进而，PbO和WO₃或PbWO₄中的杂质含量，不包括镧，被定为1×10^-4摩尔或更少，推荐值为1×10^-5或更少。

当这样获得的PbWO₄单晶被加工成预定的尺寸并做镜面抛光，而且做光透射率观察时，光的透射率曲线在420nm附近没有凹陷，且曲线在吸收边附近突然下降，这意味着优异的特性。

例1

在各称出等摩尔数的纯度为99.99％的PbO粉末和WO₃粉末并将它们混合后，将混合物填入直径70mm，高70mm的铂坩埚，起始粉末状材料混合物被感应加热熔融，PbWO₄单晶被用Czochralsky方法从熔融的液态制备成直径35mm，长65mm的棒。镧被添加进去以使晶体里含有3×10^-7摩尔的镧。在PbO和WO₃粉末中的镧是5×10^-8     或更少。

这样获得的PbWO₄单晶被切割成1×1×2cm大小，并被镜面抛光，然后在1cm厚度方向上测300nm和600nm的透射率。

结果被显示在图1和图2中。图1显示了波长与透射率之间的 关系，图2显示了镧的含量与透射率增加比之间的关系。

透射率曲线在420nm附近没有凹陷，并且在曲线的吸收边附近显示了突然下降。透射率在420nm处为70.5％，出现了19.5％的增加。例2

在各称出等摩尔数的纯度为99.99％的PbO粉末和WO₃粉末并将它们混合后，将混合物填入直径70mm，高70mm的铂坩埚，起始粉末状材料混合物被感应加热熔融，PbWO₄单晶被用Czochralsky方法从熔融的液态制备成直径33mm，长70mm的棒。镧被添加进去以使晶体里含有2.2×10^-5摩尔的镧。在PbO和WO₃粉末中的镧是5×10^-8或更少。

这样获得的PbWO₄单晶被切割成1×1×2cm大小，并被镜面抛光，然后在1cm厚度方向上测300nm和600nm的透射率。

结果被显示在图1和图2中。透射率曲线在420nm附近没有凹陷，并且在曲线的吸收边附近显示了突然下降。透射率在420nm处为71％，出现了20.3％的增加。例3

在各称出等摩尔数的纯度为99.99％的PbO粉末和WO₃粉末并将它们混合后，将混合物填入直径70mm，高70mm的铂坩埚，起始粉末状材料混合物被感应加热熔融，PbWO₄单晶被用Czochralsky方法从熔融的液态制备成直径35mm，长70mm的棒。镧被添加进去以使晶体里含有7.5×10^-4摩尔的镧。在PbO和WO₃粉末中的镧是5×10^-8或更少。

这样获得的PbWO₄单晶被切割成1×1×2cm大小，并被镜面抛光，然后在1cm厚度方向上测300nm和600nm的透射率。

结果被显示在图1和图2中。透射率曲线在420nm附近没有凹陷，并且在曲线的吸收边附近显示了突然下降。透射率在420nm处为70％，出现了18.6％的增加。例4

在各称出等摩尔数的纯度为99.99％的PbO粉末和WO₃粉末并将它们混合后，将混合物填入直径70mm，高70mm的铂坩埚，起始粉末状材料混合物被感应加热熔融，PbWO₄单晶被用Czochralsky方法从熔融的液态制备成直径35mm，长60mm的棒。镧被添加进去以使晶体里含有1×10^-3摩尔的镧。在PbO和WO₃粉末中的镧是5×10^-8或更少。

这样获得的PbWO₄单晶被切割成1×1×2cm大小，并被镜面抛光，然后在1cm厚度方向上测300nm和600nm的透射率。

结果被显示在图1和图2中。透射率曲线在420nm附近没有凹陷，并且在曲线的吸收边附近显示了突然下降。透射率在420nm处为69％，出现了16.9％的增加。

由于含有3×10^-7摩尔到1×10^-3摩尔镧的PbWO₄单晶具有高 透射率和较少自吸收，发射的光能在穿过晶体时无吸收而从晶体射出。

在上述实验中测量是沿1cm厚度方向进行的。无论如何，由于在实际应用中使用的材料有23cm长，每1cm透射率的差异会在实际应用中带来极其重要的影响。

如果象现有技术中的PbWO₄单晶那样，透射率曲线在420nm附近有一凹陷，发射波长在400到430nm之间的光就会在23cm长 的行进过程中被吸收，而几乎不能向外出射光。由于现有PbWO₄单晶在420nm波长处每1cm的透射率为59％，在通过了一定长度，如23cm后可利用的光只有发射量的1％或更少了。

可是，由于根据本发明的PbWO₄单晶几乎没有自吸收，发射光的大部分都可以被利用。例如，如果每1cm的透射率为70％，光的透过量就增加到50倍。

因此，这种PbWO₄单晶能有效地用于实际应用。

如上所述，根据本发明，靠提高光透射率和减少自吸收来增加钨酸铅单晶的光发射量，可以获得做辐射探测器的闪烁体用的钨酸铅单晶。

Claims (1)

1.用三氧化钨和氧化铅或钨酸铅制备的钨酸铅单晶，其特征在于每一摩 尔钨酸铅含有3×10^-7摩尔到1×10^-3摩尔镧。

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