[发明专利]离子扩散法改性钨酸铅晶体的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种用金属离子改性钨酸铅晶体的方法，属于单晶性能改性技术领域。

背景技术

闪烁晶体是指在高能粒子(X射线或γ射线)的照射下会发出紫外光或可见光的晶体，与光探测器件如光电倍增管(PMT)、雪崩光二极管(APD)以及硅光二极管(SPD)等组成探测器元件，广泛应用于高能物理、核物理、核医学影像及工业CT等方面。随着高能物理研究项目的快速发展，人们为了探索宇宙空间微观世界的奥秘，现在世界上正在建造能量越来越大的大型加速器和强子对撞机，而闪烁晶体正是建造这些装置上的最核心元件-电磁能量器的重要材料。

钨酸铅(简称PWO)晶体作为一种新型闪烁晶体，由于它的高密度(8.28g/cm³)、短辐射长度(0.87cm)和Moliere半径(2.12cm)、快的闪烁衰减时间(t_平均＜50ns)、较强的抗辐照损伤能力以及价格低廉等优点，自1990年人们就开始系统的研究PWO单晶的闪烁性能，现在已被欧洲核子研究中心(CERN)用于建造大型强子对撞机(LHC)的精密电磁量能器(ECAL)。被美国列为当代世界高科技九大明星之一的正电子断层扫描(positron emission tomography，简称PET)成像系统，也开始关注PWO，日本滨松光子学株式会社已经开始试验将PWO晶体应用到PET系统中，这必将引起PWO闪烁晶体研究的新热潮。国际上主要研究PWO晶体的机构有俄罗斯BTCP，法国Crismatec，乌克兰Amcrys-H，德国Korth和Molecular Technology，捷克Crytur，美国Bicron，Optocac，Shin-Etsu Chemical以及国内的上海硅酸盐研究所和北京玻璃研究院等。PWO晶体最常用的生长方法有两种：提拉法(Czochralski法)和坩埚下降法(Bridgman法)，国际上主要采用提拉法生长技术，国内主要采用改进的坩埚下降法生长技术。

PWO闪烁晶体有很多优点，但每种晶体并不完美，都存在自身的缺陷，PWO也不例外，PWO晶体光产额(简称LY)低的缺陷限制了它在高能领域以外其他领域的应用，如何提高PWO晶体的LY以拓宽其应用领域尤其是在PET等医学成像方面的应用，这是目前急需解决的一个问题。目前常用的提高PWO晶体LY的方法有：(1)在PWO基质中掺杂离子，从而引入新的发光中心，使发光中心的第一激发态辐射跃迁能量接近或稍低于WO₄^2-的零声子转变能，此外掺杂离子高的电子能级和强的捕获e^-能力也会对PWO晶体LY的提高产生积极影响；(2)通过优化退火工艺条件补偿氧空位，减少缺陷，提高PWO晶体在蓝发光峰(420nm)附近的透过率。但生长一根掺杂离子钨酸铅晶体，从铂金坩埚的制备、晶种的定向切割、装料、装炉到晶体的升温、接种、定向生长，这都需要丰富钨酸铅晶体生长经验，而且生长的钨酸铅晶体由于内部缺陷和热应力，极易使钨酸铅晶体开裂和孪晶的生成，很难得到高质量钨酸铅晶体。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种通过扩散法在钨酸铅晶体中引入金属离子来提高钨酸铅晶体闪烁性能的工艺，具有低能耗、高效率的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

离子扩散法改性钨酸铅晶体的工艺，包括以下步骤：

1)以PbO粉末和WO₃粉末为原料，按照n(PbO)∶n(WO₃)＝1∶1摩尔比精确配料，利用坩埚下降法或提拉法生长钨酸铅晶体；

2)将生成的钨酸铅晶体经X射线定向仪精确定向、切割、研磨成厚度为2～5mm规格的钨酸铅晶片，清洗后得到纯钨酸铅晶体样品；

3)将步骤(2)得到的纯钨酸铅晶体样品放入装有金属氧化物粉末的坩埚中，使纯钨酸铅晶体样品被金属氧化物粉末严实包裹，然后将坩埚放入马弗炉中，升温至800～1000℃，保温12～36h后扩散结束，然后降温至室温，得到改性的钨酸铅晶体。制得的改性的钨酸铅晶体取出后经清洗、光学抛光即可进行闪烁性能测试。

所述步骤1)中，可使用常规的坩埚下降法或提拉法制备钨酸铅晶体，例如根据[Journal of Crystal Growth 2002，236，589-595.]和[Journal of Crystal Growth 1999，204，505-511.]公开的方法进行制备。本发明优选PbO粉末和WO₃粉末的纯度在99.999％。