專利名稱：：鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及閃爍晶體，具體涉及一種鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著高能物理和核探測技術(shù)的發(fā)展，對閃爍體的要求在不斷增加，尤其是隨著快電子學(xué)，如光電倍增管、微通道板及半導(dǎo)體探測器等的飛速發(fā)展，提高儀器的抗脈沖堆積的性能和計(jì)數(shù)率成為新的熱點(diǎn)研究問題。而改善這些性能最關(guān)鍵的因素就是提高閃爍材料的衰減時(shí)間，尋找具有超快閃爍性能的閃爍材料。超快閃爍體通常要求衰減時(shí)間在10納秒量級。目前最常用的超快閃爍提為氟化鋇(BaF2)和鴿酸鉛(PbWO)，這兩種閃爍材料快成分的衰減時(shí)間分別為0.7納秒和6納秒。但是BaF2同時(shí)帶有620納秒的慢成分，且該慢成分占總發(fā)光的80%,很容易造成嚴(yán)重的信號堆積。PbWO快成分的閃爍時(shí)間也比較短，但光產(chǎn)額很小，僅為NaI:Tl的0.7%，且?guī)в?0納秒左右的慢成分，因此探測效率也不高。由于鈰離子摻雜的無機(jī)閃爍體通常兼有高光輸出和快衰減等特征，因此，自從八十年代末九十年代初開始，國內(nèi)外對鈰離子摻雜的無機(jī)閃爍晶體進(jìn)行了大量的研究和探索，所涉及的閃爍體包括從氟化合物、溴化物到氧化物以及硫化物等無機(jī)閃爍晶體。與其他化合物晶體相比，氧化物晶體具有優(yōu)良的熱力學(xué)性能以及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。因此，鈰離子摻雜的無機(jī)氧化物閃爍晶體包括鋁酸鹽、硅酸鹽等晶體受到人們的極大重視并被廣泛研究。多數(shù)鈰離子摻雜的氧化物閃爍晶體具有快衰減和高光輸出等特征，如Ce:YAP，Ce:LuAP，Ce:YAG和Ce:LSO等無機(jī)閃爍晶體具有誘人的閃爍性能。下表1總結(jié)了鈰離子摻雜氧化物閃爍晶體的基本閃爍性能，從表l中可知Ce:YAP和Ce:LuAP晶體具有衰減時(shí)間短，光產(chǎn)額高，發(fā)光峰與光電倍增管接收范圍相匹配等優(yōu)點(diǎn)，但是距離超快閃爍時(shí)間(10ns)還有一定差距。綜上所述，目前現(xiàn)有的超快閃爍材料，不同程度地存在光產(chǎn)額低，慢成分比例太大等問題，而鈰離子摻雜的無機(jī)氧化物閃爍晶體雖然前景較好，也還存在閃爍時(shí)間偏大的問題，還遠(yuǎn)不能滿足超快探測的需要。表l:鈰離子摻雜高溫閃爍晶體的基本性質(zhì)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體及其制備方法，以進(jìn)一步壓縮超快閃爍晶體的閃爍時(shí)間，提高光子產(chǎn)額。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體，其特征在于該晶體的化學(xué)式為化學(xué)式為CexMnyY(Lu)卜xAl卜y03，簡寫為Ce，Mn:Y(Lu)AP，其中x、y的取值范圍是0細(xì)l《x《0.01，0細(xì)Ky《0.01)。上述的鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體的制備方法，其特征在于包括下列步驟-(1)在0.0001《x《0.01，0.0001<y《0.01的范圍選定x、y后,并按原料組分的下列摩爾量配比Ce02:Mn02:Y203(Lu203):Al203=2x:2y:(l—x):(l—y)稱取一定量的干燥的純度大于99.995%的A1203，Y203(Lu203)，Mn02和Ce02原料；(2)將上述稱取各組分原料充分混合均勻構(gòu)成混合粉料；G)將所述的混合粉料，在l一5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，料餅直徑略小于坩堝容器直徑，在1200°C的溫度下燒結(jié)10小時(shí)；(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；(5)采用<100>、<010>、<001>或<101>軸的YAP晶體或LuAP晶體作籽晶，在Ce，Mn:Y(Lu)AP混晶體的熔點(diǎn)下，進(jìn)行提拉法生長，生長氣氛為N2或Ar高純度氣體，晶體生長速度為0.8—1.5mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為10—25rpm，晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束；(6)將Ce，Mn:Y(Lu)AP閃爍晶體按要求進(jìn)行切割加工。本發(fā)明所述的超快閃爍體的基質(zhì)材料為YAP，LuAP以及LuYAP。YAP(LuAP)晶體具有畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系，空間群Pnma,晶格常數(shù)為a-0.5328nm，b=0.7367nm，c=0.5178nm。Lu和Y元素的互換對晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能影響不大，主要影響晶體密度。Mn在Ce:Y(Lu)AP晶體中占據(jù)Al格位，基本以Mn"離子的形態(tài)存在，Ce在晶體中占據(jù)Y(Lu)格位，以Ce^離子的形態(tài)存在。YAP晶體生長溫度為1870'C，相對較低，易于生長尺寸大、高光學(xué)質(zhì)量的晶體。LuAP晶體生長溫度為2050°C。該晶體的發(fā)光中心Ce3+離子核外只有1個(gè)4f電子，激發(fā)光為5d-4f能級間躍遷，由于該躍遷為允許的電偶極子躍遷，因此本身的衰減時(shí)間就很快(參見2005年P(guān)hys.stat.sol.(b)Vol.242(6),p.1315)。Mn離子加入Ce:Y(Lu)AP晶體后，由于Ce3+離子與Mn4+離子之間存在能量轉(zhuǎn)移過程，Ce3+離子發(fā)光迅速轉(zhuǎn)移，使得Ce,Mn:Y(Lu)AP的衰減時(shí)間進(jìn)一步減小，快成分從30納秒縮短為10納秒左右，慢成分從76納秒縮短為34納秒。同時(shí)Mr^+離子發(fā)光強(qiáng)度占總發(fā)光強(qiáng)度的比例很小，為Ce3+離子發(fā)光強(qiáng)度的5%左右，對總體發(fā)光探測影響很小。本發(fā)明所述Ce,Mn:Y(Lu)AP閃爍晶體閃爍時(shí)間的快成分為10.8納秒，強(qiáng)度占總發(fā)光的60%，具備了超快閃爍材料所需要的閃爍時(shí)間性能。本發(fā)明所述Ce，Mn:Y(Lu)AP閃爍晶體的發(fā)光強(qiáng)度為NaI:Tl閃爍晶體的12%左右，具有較高的光子產(chǎn)額。本發(fā)明制備的Ce，Mn:Y(Lu)AP閃爍晶體經(jīng)測試的XEL譜和衰減時(shí)間譜可見圖1和圖2，其發(fā)射鋒的波長在380納米，能與光電倍增管靈敏效率區(qū)(400納米)較好匹配，更好地實(shí)現(xiàn)高探測效率。本發(fā)明生長的Ce,Mrr.Y(Lu)AP晶體有晶體光學(xué)質(zhì)量高、完整無開裂，具有超快的閃爍時(shí)間(10ns)和較高的光子產(chǎn)額。圖例說明圖1是本發(fā)明所述的Ce,Mn:YAP閃爍晶體的衰減時(shí)間特征圖。圖2是本發(fā)明所述的Ce,Mn:YAP閃爍晶體的X射線激發(fā)發(fā)射光譜圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1:制備Ceo.則Mno.oo5Yo.卿A1().99503閃爍晶體按照上述工藝步驟(l)以摩爾比為0.002:0.01:0.999:0.995的比率稱取Ce203，Mn02，Y203，和八1203，其中Mn02純度為99.995%，其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在120(TC的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的YA103(YAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ceo.卿Mno.oo5Yo鄰9Alo.99503晶體的生長溫度約為1870°C,生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為(D30x65mm。實(shí)施例2:制備Ceo.oiMno.oiYo.99Alo.9903閃爍晶體按照上述工藝步驟(1)以摩爾比為0.02:0.02:0.99:0.99的比率稱取Ce203，Mn02,Y203和Al2Cb，其中Mn02純度為99.995%，其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在1200t)的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir塒堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的YA103(YAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ce,Mno.(nYo.99A1().9903晶體的生長溫度約為1870°C，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為C)30x65mm。實(shí)施例3:第ij備Ceo.oooiMno.oooiYo.9999Al0.999903閃爍晶體按照上述工藝步驟(1)以摩爾比為0.0002:0.0002:0.9999:0.9999的比率稱取Ce203,Mn02，Y203和A1203，其中Mn02純度為99.995%,其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在120(TC的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的YA103(YAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ce謹(jǐn)wMno細(xì)!Yo.9柳Alo.9柳03晶體的生長溫度約為1870°C，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr,晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為030x65mm。實(shí)施例4:制備Ceo.oo,Mno.oo5Luo.柳A1().99503閃爍晶體按照上述工藝步驟(1)以摩爾比為0.002:0.01:0.999:0.995的比率稱取Ce203，Mn02,Lu203，和八1203，其中Mn02純度為99.995%，其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l-5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在1200'C的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的YA103(YAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，.Ce譜!Mno.oo5Luo.卿Alo.99503晶體的生長溫度約為205(TC，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為030x65mm。實(shí)施例5:制備Ceo.ooOlMno.oooiLUo.9999Alo.999903閃爍晶體按照上述工藝步驟(1)以摩爾比為0.0002:0.0002:0.9999:0.9999的比率稱取Ce203，Mn02，Lu203，和厶1203,其中Mn02純度為99.995%，其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在1200'C的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的LuA103(LuAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ce謹(jǐn)MMno細(xì)iLua9999Alo.9卿03晶體的生長溫度約為2050°C，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為030x65mm。實(shí)施例6:制備Ceo.(uMno.(nLuo.99Ala9903閃爍晶體按照上述工藝步驟(O以摩爾比為0.02:0.02:0.99:0.99的比率稱取Ce203，Mn02，Lu203，和八1203，其中Mn02純度為99.995%，其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在120(TC的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱k坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的LuA103(LuAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ceo.(nMno.(nLuo.99Al0.9903晶體的生長溫度約為2050°C，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為030x65mm。實(shí)施例7:制備Ceo.W)1Mno.oo5Lua3Yo.694Alo.99503閃爍晶體按照上述工藝步驟(1)以摩爾比為0.902:0.01:0.3:0.699:0.995的比率稱取Ce203，Mn02，Lu203，Y203和A1203，其中Mn02純度為99.995%，其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在120(TC的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的YA103(YAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ce0.QQ1Mno.QQ5Luo.3Yo.694Alo.99503晶體的生長溫度約為2000°C左右，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為030x65mm。實(shí)施例8:制備Ceo.oooiMno.oooiLuo.3Y0.6999Al0.999903閃爍晶體按照上述工藝步驟(1)以摩爾比為0.0002:0.0002:0.3:0.6999:0.9999的比率稱取Ce203，Mn02，Lu203，Y203和A1203,其中Mn02純度為99.995%,其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在1200'C的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的YA103(YAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ce謹(jǐn)(nMno.oooiLuo.3Yo.6999Alo.9柳03晶體的生長溫度約為2000°C左右，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為(D30x65mm。實(shí)施例9:制備Ce,Mno.01Luo.3Y,Al0.9903閃爍晶體按照上述工藝步驟(1)以摩爾比為0.02:0.02:0.3:0.69:0.99的比率稱取Ce203，Mn02，Lu203,Y203和Al203，其中Mn02純度為99.995%，其余均為99.999%;按上述工藝步驟(2)將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；按上述工藝步驟(3)將混合均勻原料，在l一5Gpa的壓力下將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在120(TC的溫度下進(jìn)行燒結(jié)10小時(shí)；按上述工藝步驟(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir坩堝內(nèi)的原料使其完全熔化；按工藝步驟(5)采用b軸的YA103(YAP)晶體籽晶進(jìn)行提拉法生長，Ce0()1Mn,Luo.3Y,Alo.9903晶體的生長溫度約為2000'C左右，生長氣氛為N2氣體，晶體生長速度為1.2mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為15RPM。晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束，晶體尺寸約為030x65mm。上述實(shí)施例經(jīng)測試具有類似的結(jié)果，如圖1圖2所示，測試表明本發(fā)明生長的Ce,Mn:Y(Lu)AP晶體有晶體光學(xué)質(zhì)量高、完整無開裂，具有超快的閃爍時(shí)間(10ns)，較高的光子產(chǎn)額。權(quán)利要求1、一種鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體，其特征在于該晶體的化學(xué)式為化學(xué)式為CexMnyY(Lu)1-xAl1-yO3，簡寫為Ce，MnY(Lu)AP，其中x、y的取值范圍是0.0001≤x≤0.01，0.0001<y≤0.01)。2、權(quán)利要求1所述的鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)在0.0001《x《0.(H,0.0001<y《0.01的范圍選定x、y后，并按原料組分的下列摩爾量配比Ce02:Mn02:Y203(Lu203):Al203=2x:2y:(l~~x):(l—y)稱取一定量的干燥的純度大于99.995%的A1203,Y203(Lu203)，Mn02和Ce02原料；(2)將上述稱取各組分原料充分混合均勻構(gòu)成混合粉料；(3)將所述的混合粉料，在l一5Gpa的壓力下壓成圓柱狀的料餅，料餅直徑略小于坩堝容器直徑，在120(TC的溫度下燒結(jié)10小時(shí)；(4)將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱Ir鉗堝內(nèi)的原料使其完全熔化；(5)采用<100>、<010>、<001>或<101>軸的YAP晶體或LuAP晶體作籽晶，在Ce,MirY(Lu)AP混晶體的熔點(diǎn)下，進(jìn)行提拉法生長，生長氣氛為N2或Ar高純度氣體，晶體生長速度為0.8—1.5mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為10—25rpm，晶體經(jīng)過下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，生長結(jié)束；(6)將Ce，Mn:Y(Lu)AP閃爍晶體按要求進(jìn)行切割加工。全文摘要一種鈰錳共摻的鋁酸釔(镥)超快閃爍晶體及其制備方法，該晶體的化學(xué)式為化學(xué)式為Ce<sub>x</sub>Mn<sub>y</sub>Y(Lu)<sub>1-x</sub>Al<sub>1-y</sub>O<sub>3</sub>，簡寫為Ce，Mn:Y(Lu)AP，其中x、y的取值范圍是0.0001≤x≤0.01，0.0001＜y≤0.01)。其制備方法是采用提拉法生長。本發(fā)明生長的Ce，Mn:Y(Lu)AP晶體有晶體光學(xué)質(zhì)量高、完整無開裂，具有超快的閃爍時(shí)間(10ns)，較高的光子產(chǎn)額。文檔編號C30B29/22GK101545140SQ200910050309公開日2009年9月30日申請日期2009年4月30日優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日發(fā)明者丁雨憧,曹頓華,王春芳,艷程,勤董,趙廣軍,陳建玉申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所