[发明专利]氟离子掺杂氯化镧铈闪烁材料

说明书

技术领域

本发明涉及氟离子掺杂氯化镧铈闪烁材料及其应用，属于闪烁材 料领域。

技术背景

铈掺杂氯化镧(LaCl₃:Ce)是在1999年由荷兰科学家O.Guillot 等发现的一种新型闪烁晶体，属于六方晶系，空间群为P6₃/m，密度 为3.86g/cm³，熔点为859℃。当时，他们采用炉体相对坩埚垂直移 动的Bridgman方法生长出了体积为φ5×40mm³的LaCl₃:0.57％Ce的晶 体。2002年，C.P.Allier等用雪崩二极管测得φ8×2.5mm³的LaCl₃:Ce 晶体在662keV γ-射线激发下的光输出高达46000±5000ph/MeV，能 量分辨率3.2％，快衰减(25ns)，好的时间分辨率(224ps)，好的线 性响应和小的余辉等。其优异的闪烁性能预示它们将在核医学成像 (PET，SPECT等)、安全检查、地质勘探、油井探测等方面都有非常广 阔的应用前景。

2003年，K.S.Shah等学者利用石英坩埚，采用真空密封和化学 反应的方法处理原料，用Bridgman法生长出尺寸约为2.5cm³的 LaCl₃:Ce晶体。但是由于原料中存在的结晶水和水在高温下的氧化、 挥发性等原因，在晶体生长过程中易造成石英坩埚的炸裂，导致生长 失败。此外，对于原料中的水或其它含氧杂质还会与LaCl₃反应，形 成氯氧化镧(LaOCl)，从而使晶体失透和闪烁性能下降。2005年， 一种经改进的非真空坩埚下降法生长氯化镧(LaCl₃)晶体的方法实 现了该晶体在大气条件下的生长，为低成本制备该晶体奠定了基础。

对于氯化镧晶体，一个致命的弱点就是易潮解。晶体表面一旦与 空气接触便迅速溶解，形成水溶液，从而给性能研究和实际应用带来 不少难题。通常，国际上对付易潮解晶体的解决办法是采用在晶体表 面镀膜或真空封装等措施，这些办法不仅工艺复杂，成本高，而且一 旦晶体表面受到磨损，潮解作用便迅速蔓延。鉴于氯化镧晶体良好的 闪烁性能，如何有效地克服其潮解性能自然成为国内外众多科研人员 的研究目标。但时至今日，但没有找到比较好的解决办法。

本发明从氯化镧晶体产生潮解的物理化学机理入手，根据化学成 分和晶体结构对表面力的影响，试图从根本上克服该晶体的潮解问 题。

本发明的核心是：在晶体生长过程中，掺入CeF₃、YF₃、LaF₃、BaF₂、 CaF₂等含氟离子(F^-)，增加阴离子的极化能力，从而降低晶体的潮解 性，采用非真空坩埚下降法生长出闪烁性能稳定且抗潮解性强的氟氯 化镧晶体。

发明内容

本发明涉及一种潮解性能改善的氟氯化镧掺铈(LaCl_3(1-X)F_3X:Ce) 材料，这种材料具有小的衰减时间常数，高的光输出和好的能量分辨 率，且这些参数与氯化镧掺铈(LaCl₃:Ce)材料基本相当。与氯化镧 掺铈(LaCl₃:Ce)相比，这种氟氯化镧掺铈(LaCl_3(1-X)F_3X:Ce)材料的 突出特点是抗潮解性能得到了明显提高，即便在空气中放置很长时 间，材料的表面依然能够保持比较好的化学稳定性和物理光泽，从而 大大拓宽了该材料的使用空间和应用领域。

这种材料是在氯化镧掺铈晶体生长过程中引入含氟离子的无机 化合物，首先是Ce_xLaCl_3(1-x)F_3x，其中x是置换Ce的摩尔比，这里x 大于或等于0.01摩尔％，小于50摩尔％，甚至小于或等于20摩尔 ％。

其次组成为M_xCe_zLa_(1-x-z)Cl_3(1-x)F_y的无机闪烁材料。