本發(fā)明涉及閃爍體材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三價(jià)鈰離子激活的閃爍體材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

閃爍體材料是一類能將電離輻射能轉(zhuǎn)換成光輻射能(主要是可見光能)的化學(xué)物質(zhì)。所用電離輻射包括帶電的α粒子、β粒子和不帶電的X 射線、γ射線以及中子。閃爍體材料在探測(cè)輻射信息中有重要的應(yīng)用，被大量地應(yīng)用于高能物理、核物理、核醫(yī)學(xué)成像、探礦、安全監(jiān)控、工業(yè)無損探測(cè)、油井探測(cè)、環(huán)境檢查等領(lǐng)域。例如歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的探測(cè)器采用了82000多根PbWO₃閃爍晶體(25 cm × 2.5 cm × 2.5 cm)；醫(yī)院用于人體拍片的正電子發(fā)射斷層掃描成像技術(shù)(PET)中的探測(cè)器由閃爍體材料(如Bi₄Ge₃O₁₂晶體)和光電倍增管耦合制成；飛機(jī)場(chǎng)和火車站等對(duì)行李物品進(jìn)行安全檢測(cè)的儀器主要部件是用閃爍體材料[如(ZnCd)S:Ag⁺]涂制的X 射線熒光屏。

通常，一種性能優(yōu)異的閃爍體材料需要滿足多方面的要求，主要包括高密度(> 6 g/cm³)、快衰減(< 100 ns)、高光產(chǎn)額(> 6000 光子/MeV)、高穩(wěn)定性和低成本等。其中快衰減有利于提高掃描速度，高光產(chǎn)額有利于提高光電檢測(cè)器的靈敏度。不同的高能輻射其特性不同，相應(yīng)探測(cè)材料的性能要求、使用條件和探測(cè)原理也各有不同。雖然人們對(duì)閃爍體材料的研究已經(jīng)有了一百多年的歷史，但至今仍然沒能找到性能非常滿意的全能閃爍材料。隨著科技對(duì)于探測(cè)要求的提高，傳統(tǒng)的商用無機(jī)閃爍體材料已越來越難以滿足當(dāng)前技術(shù)的需要，例如CaWO₄、Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)等，雖然有較高的光產(chǎn)額(> 10⁴ 光子/MeV)，但衰減時(shí)間比較長(zhǎng)(> 200ns)；BaF₂、CsI、CeF₃等，雖然衰減時(shí)間較短(≤ 30 ns)，但光產(chǎn)額較低(幾千光子/MeV)。NaI:Tl⁺衰減時(shí)間較長(zhǎng)，且吸收系數(shù)大，容易潮解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的缺陷，提供一種光產(chǎn)額高、光衰減快、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的三價(jià)鈰離子激活的閃爍體材料。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種閃爍體材料的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種三價(jià)鈰離子激活的閃爍體材料，所述閃爍體材料的化學(xué)組成表示式為：Sr_3-2xCe_xM_xMgSi₂O₈；其中，Ce³⁺為激活離子，M⁺為電荷補(bǔ)償離子，x為Ce³⁺相對(duì)堿土金屬離子Sr²⁺所占的摩爾百分比系數(shù)，x的選取范圍為0.001≤x≤0.10。

本發(fā)明所述閃爍體材料的發(fā)射熒光波長(zhǎng)在300~450nm范圍之內(nèi)，能與光電倍增管很好的耦合，在X射線的激發(fā)下，所述閃爍體材料光產(chǎn)額高，能達(dá)商用BaF₂的2倍以上，且所述閃爍體材料光衰減快、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

優(yōu)選地，所述電荷補(bǔ)償離子為堿金屬離子。所述電荷補(bǔ)償離子選自Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺中的一種。

優(yōu)選地，所述x的選取范圍為0.005≤x≤0.07。

本發(fā)明還提供上述閃爍體材料的制備方法，其包括以下步驟：

按照所述閃爍體材料的化學(xué)組成表示式的化學(xué)計(jì)量比稱取原料，研磨、混合均勻，將所述混合后的原料置于還原性氣體的氣氛中焙燒，然后冷卻，研磨，即得到所述閃爍體材料；所述焙燒的條件為：焙燒溫度為650～1200 ℃，焙燒時(shí)間為4～12小時(shí)；所述原料包括含鈰化合物、含鍶化合物、含鎂化合物、電荷補(bǔ)償劑、二氧化硅。

本發(fā)明所述的制備方法操作簡(jiǎn)單、安全、條件容易控制。

優(yōu)選地，所述含鈰化合物為鈰氧化物、鈰草酸鹽、鈰碳酸鹽、鈰硝酸鹽中的一種或多種的組合。

優(yōu)選地，所述含鍶化合物為碳酸鍶、硝酸鍶、氟化鍶中的一種或多種的組合。

優(yōu)選地，所述含鎂化合物為氧化鎂或堿式碳酸鎂。

優(yōu)選地，所述電荷補(bǔ)償劑為碳酸鈉、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸銣、碳酸銫。

進(jìn)一步地，所述原料還包括助熔劑。所述助熔劑的用量為原料總質(zhì)量的1%～3%。

優(yōu)選地，所述助熔劑為氯化銨或硼酸。

優(yōu)選地，所述還原性氣體為CO、H₂、由H₂和N₂組成的混合氣、由H₂和Ar組成的混合氣。

進(jìn)一步地，所述焙燒的條件為：以5℃/min的速率升溫到650℃，恒溫2小時(shí)，然后再繼續(xù)升溫到1200℃，在所述還原性氣體的氣氛中，1200℃焙燒4小時(shí)。

本發(fā)明還提供所述閃爍體材料的應(yīng)用。

Sr_3-2xCe_xM_xMgSi₂O₈在作為X射線探測(cè)用閃爍體材料中的應(yīng)用， Ce³⁺為激活離子，M⁺為電荷補(bǔ)償離子，x為Ce³⁺相對(duì)堿土金屬離子Sr²⁺占的摩爾百分比系數(shù)，x的選取范圍為0.001≤x≤0.10。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所述閃爍體材料的發(fā)射熒光波長(zhǎng)在300~450nm范圍之內(nèi)，能與光電倍增管很好的耦合，且所述閃爍體材料光產(chǎn)額高、光衰減快、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。另外，本發(fā)明所述閃爍體材料的制備方法操作簡(jiǎn)單、安全、條件容易控制。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1所得閃爍體材料的X射線粉末衍射圖。

圖2為實(shí)施例1所得閃爍體材料與參照樣品BaF₂在相同條件下測(cè)試得到的X射線激發(fā)熒光光譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但實(shí)施例并不對(duì)本發(fā)明做任何形式的限定。除特別說明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。

實(shí)施例1

1）原料稱取

分別稱取原料氧化鈰（CeO₂）0.0052g、碳酸鍶（SrCO₃）1.3198g、二氧化硅（SiO₂）0.3605g、碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0016g、堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g、氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

將上述原料置于瑪瑙研缽中充分研磨并混合均勻，之后將混合均勻后的原料放入一個(gè)小氧化鋁坩堝中，將此小氧化鋁坩堝放入一個(gè)底部鋪有一層碳粒的大氧化鋁坩堝中，蓋上一個(gè)和該大氧化鋁坩堝外徑一樣的蓋子后放入馬弗爐中焙燒，在還原氣體一氧化碳的氣氛中，以5℃/min的速率升溫到650℃后恒溫2小時(shí)，然后再繼續(xù)升溫到1200℃，1200℃焙燒4小時(shí)，自然冷卻到室溫。將焙燒后的產(chǎn)物取出，研磨，得到閃爍體材料，所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.98Ce_0.01Na_0.01MgSi₂O₈。

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料，見圖1。

圖2為本實(shí)施例所得閃爍體材料在X射線（60kV，25mA）激發(fā)下的熒光光譜。從圖1可以看出，在X射線激發(fā)下，熒光光譜為300~450 nm范圍內(nèi)的寬帶發(fā)射譜，主峰位于360 nm。該發(fā)射光譜的范圍與光電倍增管耦合很好。

用積分強(qiáng)度與同樣測(cè)試條件下測(cè)得的BaF₂樣品的熒光光譜積分強(qiáng)度比較，得到所得閃爍體材料在X射線激發(fā)下的光產(chǎn)額為20596 photons/MeV，是相同測(cè)試條件下商用BaF₂樣品的2.3倍。

實(shí)施例2

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0155 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.3021g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0048 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

本實(shí)施例的制備方法與實(shí)施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.94Ce_0.03Na_0.03MgSi₂O₈。

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實(shí)施例1相同的測(cè)試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為16980 photons/MeV。

實(shí)施例3

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0258 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.2844 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0079 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

本實(shí)施例的制備方法與實(shí)施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.90Ce_0.05Na_0.05MgSi₂O₈

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實(shí)施例1相同的測(cè)試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為12469 photons/MeV。

實(shí)施例4

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0361 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.2667g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0223g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實(shí)施例的制備方法與實(shí)施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.86Ce_0.07Na_0.07MgSi₂O₈。

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實(shí)施例1相同的測(cè)試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為10800 photons/MeV。

實(shí)施例5

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0516 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.2401 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0159 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實(shí)施例的制備方法與實(shí)施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.80Ce_0.10Na_0.10MgSi₂O₈。

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實(shí)施例1相同的測(cè)試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為7831 photons/MeV。

實(shí)施例6

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂） 0.0005 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.3277 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605 g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0002 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實(shí)施例的制備方法與實(shí)施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.998Ce_0.001Na_0.001MgSi₂O₈。

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實(shí)施例1相同的測(cè)試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為5870 photons/MeV。

實(shí)施例7

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂） 0.0026 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.3242 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605 g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0008 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實(shí)施例的制備方法與實(shí)施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.99Ce_0.005Na_0.005MgSi₂O₈。

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實(shí)施例1相同的測(cè)試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為11352 photons/MeV。

實(shí)施例8

1）原料稱取

分別稱取原料氧化鈰（CeO₂）0.0052 g、碳酸鍶（SrCO₃）1.3198g、二氧化硅（SiO₂）0.3605g、碳酸銫（Cs₂CO₃) 0.0048g、堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g、氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

本實(shí)施例的制備方法與實(shí)施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.98Ce_0.01Cs_0.01MgSi₂O₈。

3）檢測(cè)

對(duì)所得閃爍體材料進(jìn)行X射線粉末衍射測(cè)試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實(shí)施例1相同的測(cè)試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為13380 photons/MeV。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。