[发明专利]共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于闪烁晶体材料领域，具体涉及一种共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体及其 制备方法。

背景技术

闪烁晶体作为一种通过高能粒子或射线激发而发光的功能材料，其闪烁性能对晶 体的微观缺陷非常敏感，可以通过掺杂改变晶体的缺陷状态来提高晶体的闪烁性能， 从而形成新的功能晶体材料。掺铈硼酸钆锂晶体(Li₆Ce_xGd_1-xB₃O₉)通过晶体中富集 的锂-6或硼-10或钆-155或钆-157同位素与中子进行反应来探测中子，首先由美国的 J.B.Czirr于1996年报道了其作为中子探测闪烁晶体的潜在用途。作为一种新型中子 探测闪烁晶体，Li₆Ce_xGd_1-xB₃O₉具有以下优点：

(1)同时含有Li、B和Gd三种对中子具有较大俘获截面的同位素的元素，可以 根据不同的探测需求选择不同的同位素富集组合，优化设计出更高探测效率的晶体组 分，因此该晶体具有很强的适应性。

(2)发光中心是Ce³⁺离子，具有衰减时间短(28ns)、光输出高(每个中子激发 产生40000个光电子，每MeVγ射线激发产生25000个光电子)以及发光波长(中心 波长为395nm)与光电倍增管(PMT)耦合好等特点，因而其探测效率高，是⁶Li玻 璃的6倍和BC-454的9倍。

(3)有效原子序数低(46.3)，容易消除γ射线背景。

(4)折射率低(1.67405nm)，很容易与聚合物复合，非常适合于大面积中子探 测和成像。

(5)既可以利用该晶体的块状单晶制作小面积的中子探测器，也可以利用该晶体 的特定颗粒的粉末制作出大面积中子探测器。

然而，Li₆Ce_xGd_1-xB₃O₉晶体作为一种新型中子探测闪烁晶体，同时还存在以下缺 点：

(1)Ce:Li₆Gd(BO₃)₃晶体是一种铈离子激活闪烁晶体，Ce³⁺离子在晶体中的价态 分布对晶体的闪烁性能非常重要。在研究中，通常都使用CeO₂作为激活离子掺杂剂， 而四价铈离子不发光，只有四价铈离子转化为三价铈离子，该晶体才能发光，但Ce 离子在原料合成、熔体形成及晶体生长过程中的价态变化非常复杂，能够让更多的四 价铈离子转化为三价铈离子尤为重要。一般都通过控制生长气氛来控制铈离子的价态 变化，但其机理和效果难以得到有效的控制。这也是几乎所有掺杂Ce³⁺离子的闪烁晶 体都存在的问题，使得该类晶体在不同部位和不同炉次生长的晶体发光均匀性很差。

(2)Li₆Ce_xGd_1-xB₃O₉晶体是一种硼酸盐晶体，晶体导热性差，且其熔体中含有大 量的硼酸根基团，易形成网络状结构，从而导致熔体粘度大，生长速度慢，晶体生长 过程中释放的潜热对晶体生长影响大，使得该晶体生长不易控制。另外，该晶体还存 在(010)、(121)与(012)等多个解理面，使得晶体易开裂、难以加工出直径大于 30mm的晶片等缺点，限制了该晶体的研究和应用范围。

(3)Li₆Ce_xGd_1-xB₃O₉晶体中含有大量的¹⁵⁵Gd和¹⁵⁷Gd同位素，其与中子反应的 截面远远大于⁶Li和¹⁰B同位素，会影响中子和⁶Li或¹⁰B同位素的反应，从而降低该 晶体利用⁶Li或¹⁰B同位素来进行中子探测的的效率。