[发明专利]硅酸铋闪烁晶体的定形提拉生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅酸铋（BSO）闪烁晶体的定形提拉法生长方法，具体而言，就是采用带有定形模具的坩埚，在提拉晶体生长炉内，从高温熔体中提拉出板状硅酸铋晶体，属于单晶生长领域。

背景技术

闪烁晶体是一种能将高能量射线（X射线、γ射线等）或高能粒子的能量转换成紫外或可见光的光功能晶体，由于其在高能物理、核物理、核医学成像（PET/CT）等领域中的重要应用而备受关注。锗酸铋(Bi₄Ge₃O₁₂，BGO)晶体是应用最广泛的闪烁晶体之一，它具有高密度和短的辐照长度。但BGO 晶体的主要缺点是：光衰减时间较长(300ns)，因此它的时间分辨率较差；光产额小，造成材料的能量分辨率较低；晶体组成中GeO₂价格昂贵，造成生产成本高昂。

硅酸铋（Bi₄Si₃O₁₂，简称BSO）晶体是与BGO晶体类质同构的化合物。作为闪烁晶体，BSO晶体具有与BGO晶体类似的优点，比如，密度大，辐射长度短，莫里埃半径小，不潮解，易于加工，波长能与商用光电倍增管和硅光电二极管匹配等。Si与Ge是同一主族的元素，Si的来源丰富，并且价格便宜。用Si替代Ge生长Bi₄Si₃O₁₂（BSO）晶体，能大大降低晶体的成本，同时，又不破坏材料的性能。除此之外，BSO晶体还具有其他的优点，比如，光衰减时间短（是BGO的1/3）；比BGO更加优越的抗辐照损伤性能等。

硅酸铋（BSO）晶体主要通过提拉法和坩埚下降法生长。提拉法生长时，坩埚敞开造成组分挥发等问题，因此生长的BSO晶体中有云层、包裹物，且晶体容易开裂，不易获得大尺寸、高质量的BSO晶体；坩埚下降法是生长BSO晶体比较有效的方法，但是该方法存在着晶体生长速率慢、成本高、生长过程不能直接观察等问题。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提出一种硅酸铋闪烁晶体的定形提拉生长方法。

本发明的技术方案

硅酸铋闪烁晶体的定形提拉生长方法，即将带有狭缝的定形模具放入坩埚中，经过预处理的多晶原料加入坩埚中，通过加热坩埚使原料熔化；熔融体在毛细作用下沿着模具的狭缝上升到模具的顶端，籽晶杆将籽晶缓慢放下，使之与模具顶端的熔体接触，在籽晶上升的过程中提拉成与模具形状一致的板状单晶。板状BSO晶体的尺寸与狭缝的大小、厚度密切相关。

本发明所用的用于控制晶体形状的定形模具包括模具片和支撑架，支撑架和模具片为一体，成“L”形，使用时将两个定形模具左右相对水平放置为一组，形成形状如“                                                ”的模具组，2个模具的模具片中间形成狭缝，狭缝的宽度取决于所长晶体厚度，通常小于15mm；模具片的长度和高度根据所生长晶体的尺寸而定。

本发明的硅酸铋闪烁晶体的定形提拉生长方法所用的定形提拉炉包括炉壁（含循环水冷却系统和真空密封系统）、提拉机构、发热体及温度控制系统、坩埚，还包括上述所述的定形模具等，通过模具约束熔体析晶行为、改变结晶形状，获得所需规格的板状材料。所述的定形提拉炉的炉壁上开设有用于观察的透明窗口。

硅酸铋闪烁晶体的定形提拉生长方法，具体包括如下步骤：

（1）、多晶原料合成

采用高纯的Bi₂O₃、SiO₂为初始原料，按照Bi₂O₃、SiO₂的摩尔比为2：3进 行准确配料，将原料充分混合均匀，在650-750℃预烧6-10h，随后将原料进行研磨，颗粒度控制在700nm以下，在800-850℃预烧8-12h，得到BSO多晶原料；

（2）、籽晶加工

将BSO籽晶经X射线定向仪精确定向，切割、研磨成板状籽晶；

籽晶的取向可以为<001>、<010>、<110>或其它方向；

（3）、晶体生长

将步骤（1）合成的多晶原料置于带有定形模具的坩埚中，将坩埚置于定形提拉炉内，持续升温至1100-1200℃，恒温3-5h至多晶料全部熔化；