CZ200616A3 - Monokrystal LYGSO: Ce, vyuzitelný pro výrobu scintilacních detektoru a zpusob jejich výroby - Google Patents

Monokrystal LYGSO: Ce, vyuzitelný pro výrobu scintilacních detektoru a zpusob jejich výroby Download PDF

Info

Publication number
CZ200616A3
CZ200616A3 CZ20060016A CZ200616A CZ200616A3 CZ 200616 A3 CZ200616 A3 CZ 200616A3 CZ 20060016 A CZ20060016 A CZ 20060016A CZ 200616 A CZ200616 A CZ 200616A CZ 200616 A3 CZ200616 A3 CZ 200616A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
single crystal
scintillation detectors
sub
crystal
lygso
Prior art date
Application number
CZ20060016A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ298519B6 (cs
Inventor
Bartos@Karel
Houzvicka@Jindrich
Original Assignee
Crytur S. R. O.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Crytur S. R. O. filed Critical Crytur S. R. O.
Priority to CZ20060016A priority Critical patent/CZ298519B6/cs
Publication of CZ200616A3 publication Critical patent/CZ200616A3/cs
Publication of CZ298519B6 publication Critical patent/CZ298519B6/cs

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

Nový typ monokrystalu LYGSO : Ce o slození (Lu.sub.1-y-z.n.Y.sub.y.n.RE.sub.z.n.).sub.2.n.Ge.sub.x.n.Si.sub.(1-x).n.O.sub.5.n., kde (RE) je jeden nebo více z prvku ze skupiny vzácných zemin Tb, Eu, Ce, Pr, Sm, Tm, Yb a x, y, z jsou atomární procentauvedených prvku, pricemz x = 0,001 az 0,1, y = 0 az 2,0 a z = 0,005 az 0,02, je vyuzitelný pro výrobu scintilacních detektoru. Zpusob jejich výroby probíhá Czochralskiho metodou za pouzití indukcníhoohrevu v Ir kelímku o objemu 0,15 az 2 dm.sup.3.n. v inertním prostredí ochranné atmosféry dusíku.

Description

Monokrystal LYGSO : Ce, využitelný pro výrobu scintilačních detektorů a způsob jejich výroby
Oblast techniky
Vynález se týká přípravy nového monokrystalu LYGSO : Ce germanáto-silikátu lutecitoyttritého s dotací oxidu ceru obecného vzorce (Luvy-zYy REZ)2 GexSi(i.xjO5, kde (RE) je jeden nebo více z prvků ze skupiny vzácných zemin Tb, Eu, Ce, Pr, Srn, Tm, Yb a x,y, z jsou atomární procenta uvedených prvků, přičemž x = 0,001 až 0,1, y = 0 až 2,0 a z = 0,005 až 0,02.
Tento materiál je s výhodou použitelný v oblasti přípravy scintilačních detektorů.
Dosavadní stav techniky
V současné době se pro přípravu scintilačních detektorů používají různé typy monokrystalů. V závislosti na požadovaných aplikacích se využívá různých fyzikálněchemických, materiálových a luminiscenčních vlastností jednotlivých typů monokrystalů (měrná hmotnost, emisní vlnová délka, luminiscenční dosvit, radiační odolnost, světelný výtěžek, Zef, radiační délka, optická homogenita....).
Dnes běžně používané materiály na bázi aluminátů, Yttrium Aluminium Granát s dotací CeO2 (YAG:Ce) nebo Yttrium Aluminum Perovskit s dotací CeO2 (YAP:Ce) mají především nízkou měrnou hmotnost (4,56 resp. 5,26 g/cm3), což limituje jejich využití v nově se rozvíjejících technologiích využívajících luminiscenčních charakteristik těchto materiálů.
Nové těžké scintilační monokrystaly Lutecium Aluminium Perovskit s dotací CeO2 (LuAP:Ce), Lutecium Silikát s dotací CeO2 (LSO:Ce) proto přinášejí výrazné zlepšení. Vysoká hustota těchto materiálů, 8,3, resp. 7,4 g/cm3 se odráží ve velkém světelném výtěžku těchto materiálů, až násobném v porovnání s předcházející skupinou monokrystalů. V porovnání mezi těmito krystaly, LuAP:Ce má výrazně kratší dosvit • ¥··
• · (19ns vs. 40ns), ale jeho výtěžek je nižší, až poloviční. Oba dva materiály jsou obtížně technicky vyrobitelné. Především růst krystalu LuAP:Ce je obtížně reprodukovatelný, proto širokého komerčního rozšíření se doposud dočkal pouze první krystal LSO, buď ve své čisté podobě (Ce2z(Lu)2(i-z)SiO5), nebo s příměsí ytria {Ce2z(Lui.yYy)2<i-Z)SiO5) a dalších prvků.
K přípravě monokrystalických materiálů může být použito několika pěstovacích metod. Nejběžnější metodou je Czochralskiho metoda využívající indukční ohřev a iridiový kelímek. Princip metody je založen na roztavení vsázky přesně určeného stechiometrického složení v kelímku a tažení monokrystalu z taveniny na orientovaném zárodku v definovaném radiálním a axiálním gradientu teploty v atmosféře dusíku se stopami kyslíku. Tato metoda je velice vhodná pro přípravu materiálů, kde se chemické prvky v použitých sloučeninách vyskytují pouze v jediném mocenství nebo v aplikacích, kde je využito stabilního vyššího oxidačního stavu dopantu (Nd3+, Er3+, Yb3+, Eu3Ú Cr4+....). Méně vhodná v tomto uspořádání je pro přípravu materiálů, kde se aktivní polyvalentní iont nachází v nižším, méně stabilním, oxidačním stavu (Ce3+, Pr3+). Metoda poskytuje monokrystaly s výbornou optickou homogenitou.
Další metodou přípravy je Bridgeman-Stockabargerova metoda, a to jak v horizontálním, tak i vertikálním uspořádání. Principem této metody posuv roztavené vsázky v kelímku v teplotním gradientu do chladnější zóny. Tato metoda je velice vhodná pro přípravu jednosložkových monokrystalů (halogenidy....). Vícesložkové monokrystaly připravené touto metodou nemívají dobrou optickou homogenitu.
Jinou metodou je metoda EFG, kterou lze připravit různě tvarované monokrystaly. Princip této metody spočívá v tažení monokrystalu na orientovaném zárodku skrz přesně tvarově vymezený tvarovací člen (raznici). Vícesložkové krystaly připravené touto metodou mají nízkou optickou homogenitu.
Ostatní pěstovací metody jsou vhodné pro přípravu specifických typů monokrystalů.
« φφ· φ ♦ • φ
Cerem dotované silikáty jsou již dlouho známy. Například Journal of Crystal Growth, 79(1986)308-315 popisuje přípravu a vlastnosti materiálů obecného vzorce Ln2SiO5, kde Ln je prvek ze skupiny lanthanoidů nebo ytrium. Článek uvádí i příklady monokrystalických materiálů složených z několika oxidů vzácných zemin, například
Ce2xY(2-x)SiO5.
U.S. Patent 4,958,080 z roku 1988 popisuje scintilační detektor, který obsahuje monokrystal obecného vzorce Ce2x(Lui-yYy)2(i.x)SiO5, kde y může být i 0, a který ve spojení s fotonásobičem slouží k detekci zářeni. Monokrystal byl vypěstován Czochralskiho metodou podle reference specificky uvedené v předchozím odstavci.
U.S. Patent 5,025,151 z roku 1990 popisuje zařízení uvedené v předešlém patentu podrobněji. Použitý monokrystal má stejné obecné složení.
U.S. Patent 5,264,154 z roku 1993 popisuje monokrystalický scintilátor obecného sležení Gd2-(X+y)LnxCeySiO5, kde Ln může být Sc, Tb, Lu, Dy, Ho, Er, Tm nebo Yb.
U.S. Patent 5,660,627 z roku 1994 popisuje přípravu monokrystalu Ce2xLu(2.x)SiO5 Czochralského metodou, více specificky za podmínek, kdy fázové rozhraní mezi taveninou a monokrystalem je ploché. Cílem této metody je odstranit problémy s reprodukovatelností kvalitativních parametrů materiálu, které se typicky vyskytují u tohoto typu monokrystalu.
U.S. Patent 6,323,489 z roku 1999 popisuje scintilátor obecného složení Ce2x(Lui.yYy)2(i.X)SiO5, který je součástí scintilačního detektoru produkujícího elektrický signál v závislosti na expozici gamma- nebo X- nebo podobným zářením.
U.S. Patent 6,437,336 z roku 2000 popisuje scintilátor obecného složení Ln2(i.X)M2xSi2O7, kde Ln může být lutecium, nebo lutecium ve směsi s některým z prvků Sc, Yb, ln, La nebo Gd, a kde M je prvek ze skupiny lanthanoidů, přednostně cer.
• · fl · · ·
U.S. Patent 6,624,420 z roku 2000 popisuje scintilační detektor, který obsahuje monokrystal Ce2x(Lu1.yYy)2(i-X)SiO5l kde elektrický signál je generován z fotodetektoru poté, co monokrystal byl vystaven gamma záření.
Přestože krystaly LSO mají výborné parametry pro použití jako scintilátor, mohou se scintilační parametry mezi dvěma krystaly lišit, přestože oba krystaly mohou být vyrobeny stejným způsobem a být stejného složení. Taková situace je popsána v literatuře například v „Ce-doped scintillators: LSO and LuAP“ (A. Lempicki aj. Glodo, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A416 (1998) 333-344) nebo v „Scintillation Light Emission Studies of LSO Scintillators“ (A. Saoudi et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 46, No. 6,1999).
Podstata vynálezu
Výše uvedené nedostatky odstraňuje nový typ monokrystalu LYGSO : Ce o složení (Lui-y.zYy REz)2 GexSi(i.X)O5, kde (RE) je jeden nebo více z prvků ze skupiny vzácných zemin Tb, Eu, Ce, Pr, Sm, Tm, Yb a x,y, z jsou atomární procenta uvedených prvků, přičemž x = 0,001 až 0,1, y = 0 až 2,0 a z = 0,005 až 0,02.
Zabudování iontu Ge4+ o větším iontovém poloměru než Si4+ do podmřížky SiO4, umožní zvýšit koncentraci dopantu (Ce, Tb) v pěstovaných krystalech Podobný efekt má zabudování iontu Y3+ do podmřížky obsahující iont Lu3+. Takto připravené krystaly vykazují vyšší luminiscenční výtěžek (tj. počet vzniklých fotonů vztažených na 1 MeV absorbované energie) a rychlejší luminiscenční dosvit v porovnání s uvedenými materiály. Výhodou je i dobrá reprodukovatelnost pěstování krystalů, která je rozhodující v průmyslové výrobě.
Příprava tohoto monokrystalu probíhá Czochralskiho metodou za použití indukčního ohřevu v Ir kelímku o objemu 0,15 až 2 dm3 v inertním prostředí ochranné atmosféry dusíku. V tomto prostředí dochází k zabudování dopantu do mřížky germano-silikátu, které jsou nezbytné pro vznik luminiscence.
·
4 4 4 * • 4 4 ·
4 4 4
Krystal je pěstován na orientovaném zárodku < 010> připraveném z nedotovaného monokrystalu. Orientovaný zárodek z krystalu znamená vyříznutý nebo vyvrtaný hranolek event. váleček z monokrystalu v uvedeném krystalografickém směru.
Parametry pěstování: rychlost rotace 2 až 15 ot/min, rychlost tažení 0,3 až 3 mm/hod, Ochrannou pěstovací atmosférou je dusík.
Uvedeným způsobem lze realizovat výrobu těžkého scintilačního krystalu, jehož měrná hmotnost je relativně vysoká 7,2 g/cm3 , což vede ke snížení radiační délky. Tento materiál má krátký luminiscenční dosvit (40 ns) a vysoký světelný výtěžek (27 000 fotonů/MeV).
Tavenina se primárně skládá z oxidů lutecia, křemíku, ceru a germania v koncentraci až do 10 at% Ge/Si. Další možností je přídavek Y2O3 v koncentraci až 10 at% Y/Lu.
Cer v roli dopantu může být nahrazen jinými vzácnými zeminami jako Eu, Pr, Srn, Tb, Tm nebo Yb. Přidávání těchto komponent do taveniny mění luminiscenční parametry (účinnost, dosvit a vlnovou délku emitovaného záření). Popsané úpravy složení mohou být vyžadovány pro různé technické aplikace.
Monokrystal LYGSO : Ce má primární uplatnění.
Příklady provedení vynálezu
Příklad 1
Pěstování krystalu Luii98Ceo,o2Sio,99Geo,oi05: v ochranné atmosféře dusíku metodou Czochralskiho. Pěstování probíhá v Ir kelímku o objemu 0,75 dm3, v peci s indukčním ohřevem.
Rychlost tažení 3 mm/hod
Rychlost rotace: 15 ot/min
Sintrát (izostaticky vylisované, zhomogenizované a na 1450°C vyžíhané vstupní suroviny 472,4 g oxidu křemičitého 3405,7 g oxidu lutecitého 52,4 g oxidu germaničitého a 69,5 g oxidu ceričitého jsou roztaveny v Ir kelímku. Krystal byl tažen na orientovaném • *·· zárodku rychlostí 3 mm/hod. Po vypěstování byl krystal utržen od taveniny a programově chlazen na pokojovou teplotu.
Výsledkem je monokrystal Lu2Si0,99Geotoi05:Ce s kuželovým fázovým rozhraním o hmotnosti 1,1 kg. Krystal se v dalších operacích zpracovává na požadované výrobky (scintilační detektory)
Příklad 2
Pěstování krystalu Lu-i.ssYo.iCeo^Sio.ggGeo.oiOg v ochranné atmosféře dusíku metodou Czochralskiho. Pěstování probíhá v Ir kelímku o objemu 2 dm3 v peci s indukčním ohřevem.
Rychlost tažení 0,3mm/hod
Rychlost rotace: 2 ot/min
Sintrát (izostaticky vylisované, zhomogenizované a na 1450°C vyžíhané vstupní suroviny: 1261,1 g oxidu křemičitého, 8164,8 g oxidu lutecitého 927,8 g oxidu yttritého 140,1 g oxidu germaničitého a 185,6 g oxidu ceričitého jsou roztaveny vir kelímku. Krystal je tažen na orientovaném zárodku rychlostí 0,3 mm/hod Po vypěstování je krystal utržen od taveniny a programově chlazen na pokojovou teplotu.
Výsledkem je monokrystal o složení Lui.eeYo.iCeo^Sio.ggGeo.oiOs s kuželovým fázovým rozhraním o hmotnosti 3 kg. Krystal se v dalších operacích zpracovává na požadované výrobky (scintilační detektory)
Průmyslová využitelnost
Vynález lze použít k výrobě monokrystalů jejichž využití je v oblasti přípravy různých typů scintilačních detektorů.

Claims (4)

  1. Patentové nároky
    1. Monokrystal LYGSO využitelný pro výrobu scintilačních detektorů o složení (Lui.y. zYy REz)2 GexSi(i-X)O5, kde (RE) je jeden nebo více z prvků ze skupiny vzácných zemin Tb, Eu, Ce, Pr, Sm, Tm, Yb a x,y, z jsou atomární procenta uvedených prvků, přičemž x = 0,001 až 0,1, y = 0 až 2,0 a z = 0,005 až 0,02.
  2. 2. Monokrystal podle nároku 1 o složení (LU(i-y-Z)YyCez )2 GexSifi-xj O5, kde x = 0,001 až0,1 a y = 0,001 až2az = 0,005 až 0,02
  3. 3. Monokrystal podle nároku 1 o složení (l_U(-|.Z)Cez )2 GexSi(i.X) O§ , kde x = 0,001 až 0,1 a z = 0,005 až 0,02
  4. 4. Způsob přípravy monokrystalu podle nároku 1 až 3 zejména pro scintilační detektory vyznačující se tím, že se připraví Czochralskiho metodou za použití indukčního ohřevu v Ir kelímku o objemu 0,15 až 2 dm3 v inertním prostředí ochranné atmosféry dusíku.
CZ20060016A 2006-01-09 2006-01-09 Monokrystal LYGSO: Ce, využitelný pro výrobu scintilacních detektoru a zpusob jejich výroby CZ298519B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20060016A CZ298519B6 (cs) 2006-01-09 2006-01-09 Monokrystal LYGSO: Ce, využitelný pro výrobu scintilacních detektoru a zpusob jejich výroby

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20060016A CZ298519B6 (cs) 2006-01-09 2006-01-09 Monokrystal LYGSO: Ce, využitelný pro výrobu scintilacních detektoru a zpusob jejich výroby

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ200616A3 true CZ200616A3 (cs) 2007-07-18
CZ298519B6 CZ298519B6 (cs) 2007-10-24

Family

ID=38282925

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20060016A CZ298519B6 (cs) 2006-01-09 2006-01-09 Monokrystal LYGSO: Ce, využitelný pro výrobu scintilacních detektoru a zpusob jejich výroby

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ298519B6 (cs)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ2011332A3 (cs) * 2011-06-02 2012-08-08 Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálne inženýrská Zpusob prípravy syntetických struktur na bázi lutecito-hlinitého granátu (LuAG)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5264154A (en) * 1990-04-20 1993-11-23 Hitachi Chemical Co., Ltd. Single crystal scintillator
US5660627A (en) * 1994-10-27 1997-08-26 Schlumberger Technology Corporation Method of growing lutetium oxyorthosilicate crystals
US6323489B1 (en) * 1999-06-04 2001-11-27 Regents Of The University Of California Single crystal scinitillator
RU2242545C1 (ru) * 2003-11-04 2004-12-20 Загуменный Александр Иосифович Сцинтиляционное вещество (варианты)

Also Published As

Publication number Publication date
CZ298519B6 (cs) 2007-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6437336B1 (en) Scintillator crystals and their applications and manufacturing process
RU2242545C1 (ru) Сцинтиляционное вещество (варианты)
CN103388179B (zh) 共掺杂的掺铊碘化铯闪烁晶体及其制备方法和应用
EP1754808A1 (en) Solid solution material of rare earth element fluoride (polycrystal and single crystal), and method for preparation thereof, and radiation detector and test device
CN102286286B (zh) 辐射探测用的氯化物闪烁体
CN105102693A (zh) 钾冰晶石类型闪烁体材料的制备
EP2836628A2 (en) Multi-doped lutetium based oxyorthosilicate scintillators having improved photonic properties
CN107354509B (zh) 一种掺钇氟化钡晶体及其制备方法和应用
JP2011026547A (ja) シンチレータ用単結晶、シンチレータ用単結晶を製造するための熱処理方法、及びシンチレータ用単結晶の製造方法
Zavartsev et al. Czochralski growth and characterisation of large Ce3+: Lu2SiO5 single crystals co-doped with Mg2+ or Ca2+ or Tb3+ for scintillators
JP5454477B2 (ja) 単結晶シンチレータ材料およびその製造方法、放射線検出器、並びにpet装置
JP4702767B2 (ja) 放射線検出用Lu3Al5O12結晶材料の製造方法及び放射線検出用(ZxLu1−x)3Al5O12結晶材料の製造方法
JP4851810B2 (ja) シンチレータ用単結晶材料及び製造方法
CZ200615A3 (cs) Monokrystal LuAG: Pr pro výrobu scintilacních detektoru a pevnolátkových laseru a jejich výroba
CN105332056A (zh) 激光照明用二价金属阳离子与铈共掺镥铝石榴石晶体及其制备方法
US7347956B2 (en) Luminous material for scintillator comprising single crystal of Yb mixed crystal oxide
JP2016056378A (ja) シンチレータ用単結晶、シンチレータ用単結晶を製造するための熱処理方法、及びシンチレータ用単結晶の製造方法
CN108441960A (zh) 二价金属阳离子与铈共掺镥铝石榴石晶体制备方法
CN112522787A (zh) 一种硅格位掺杂竞争发光中心的稀土正硅酸盐闪烁材料及其制备方法和应用
CZ200616A3 (cs) Monokrystal LYGSO: Ce, vyuzitelný pro výrobu scintilacních detektoru a zpusob jejich výroby
JP5994149B2 (ja) X線シンチレータ用材料
JP4605588B2 (ja) 放射線検出用フッ化物単結晶及びその製造方法並びに放射線検出器
CN108893779A (zh) 一种钙镁离子与铈共掺钇铝石榴石闪烁晶体及其制备方法
JP2011202118A (ja) 単結晶シンチレータ材料およびその製造方法、放射線検出器、並びにpet装置
Kim et al. Growth and scintillation properties of directionally solidified Ce: LaCl3/AECl2 (AE= Mg, Ca, Sr) eutectic scintillators