[发明专利]掺Ce3+的氧化镥基透明闪烁陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺Ce³⁺的氧化镥基透明闪烁陶瓷材料的制备方法，属特种稀土透明陶瓷材料制造工艺技术领域。

背景技术

某些物质在射线(X-射线、γ-射线)或高能粒子的作用下会发出紫外或可见光，这种现象称作闪烁效应。具有闪烁效应的晶体称为闪烁晶体。理想的闪烁材料应具有高密度，高有效原子序数，高发光效率，短衰减时间，短余辉，和光探测器有较好的光谱匹配，低价格等。无机闪烁晶体与传统闪烁材料相比具有密度高，体积小，物理性能和闪烁性能优良等特点，已经成为高能粒子探测的首选材料。将闪烁晶体与光电倍增管或光电二级管耦合成的晶体闪烁计数器是高能物理、核物理和核医学中的一个重要探测仪器。

随着核探测技术在医学、物理、化学、地质勘探等科学和技术领域中的发展，一系列无机闪烁晶体，如Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)、CdWO₄(CWO)、CsI:Tl、CsI等相继问世，并在这些领域中得到广泛应用。

闪烁材料的性能主要包括密度、闪烁性能、抗辐射性能等。闪烁性能分为稳定态和动态两类。稳定态性能主要指在常温下测定的透射，发射和激发光谱，是应用上最为关心的性能。与时间相关的性能主要有闪烁衰减时间和光产额等。通常要求闪烁晶体入射辐照具有大的吸收系数，例如对断层扫描技术来说，采用吸收系数大的材料制造探测器，不仅可使探测器尺寸紧凑，而且能改善其空间分辨率。空间分辨率对核物理和高能物理实验用的探测器特别重要。同时希望闪烁晶体有短的辐射长度，辐射长度与吸收系数呈反比，吸收系数越大，辐射长度越短。同时有效原子序数越高，密度越大，晶体辐射长度越短。由于电磁量能器用闪烁晶体的长度一般为20X₀(X₀为辐射长度)，所以使用辐射长度小的晶体有利于缩小探测器的体积；另一方面，辐射长度越长，所需材料越长，难于保证材料的均匀性。为了减少探测器的体积和造价，人们希望探测器的体积越紧凑越好，因此要求闪烁晶体对射线的阻止能力要尽可能地强，具体表现为晶体的吸收系数大，辐射长度短等。

根据发光原理，无机闪烁晶体可粗略地分为本征晶体和掺杂的非本征晶体。许多纯的晶体在常温下并不是十分有效的闪烁体，为了得到有使用价值的闪烁体，通常采用往纯晶体中掺入少量杂质(如Tl，Ce，Eu)等的方法来使晶体发光。这些掺入的杂质称为激活剂。

掺杂的基质是非常高效的发光体系，在有些情况其量子效率接近1。高的量子效率可从三价Ce的电子结构中看出：4f¹的简单电子构型导致在基态和5d轨道上最低能级分裂一个20000-40000cm^-1的大的间隔。因此，非辐射多声子弛豫过程是完全不可能的，同时可以观察到蓝光和紫外波段的发光，其特征衰减时间在10^-8s量级。另一方面，在很多基质中，如Y₂O₃，La₂O₃和Lu₂O₃，发现Ce的发光完全猝灭，而别的稀土离子，像Eu³⁺在这些材料中却能高效发光。

目前掺Ce³⁺的闪烁材料主要有含稀土元素的化合物，如YAlO₃(YAP)，Y₃Al₅O₁₂(YAG)，Lu₃Al₅O12(LuAG)以及Lu₂SiO₅，Gd₂SiO₅等，Ce³⁺在所有上述化合物中都是取代稀土离子Re³⁺(Re＝Y，Lu，Gd等)的位置。但由于这些稀土离子Re³⁺(Re＝Y，Lu，Gd等)的离子半径(Y³⁺离子半径89.6pm；Lu³⁺离子半径86.1pm；Gd³⁺离子半径93.8pm)与Ce³⁺的离子半径101.0pm相差较大，Ce³⁺在上述化合物中很难实现高掺杂，造成该类闪烁材料的吸收系数大幅度下降，影响其应用。和单晶相比，透明陶瓷具有如下优点：制备工艺简单、成本低、能够制备大尺寸的产品且形状自由度大，目前已经开始用透明闪烁陶瓷材料来取代部分闪烁晶体材料。