[发明专利]激光照明用掺铈铝酸钆镥石榴石晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及闪烁晶体，特别是一种掺铈铝酸钆镥Ce_3xLu_3(1-x-y)Gy_3yAl₅O₁₂高温闪烁晶体及其制备方法。

背景技术

无机闪烁晶体是一种能将高能光子或粒子的能量转换成易于探测的紫外/可见光子的晶态能量转换体。闪烁晶体做成的探测器广泛应用于高能物理、核物理、影像核医学诊断(XCT、PET等)、地质勘探、天文空间物理学以及安全稽查等领域。随着核探测及相关技术的飞速发展，其应用领域仍在不断拓展。不同应用领域对闪烁晶体提出了越来越高的要求，传统的NaI(Tl)、BGO、PWO等闪烁晶体已经无法满足高性能闪烁探测器的要求。

目前闪烁晶体的发展趋势是围绕高输出、快响应、高密度等性能为中心，通过以下几种渠道开展新型闪烁晶体的探索研究，提高和改善晶体性能：1）通过不同离子的共掺杂，改善现有闪烁晶体的不足，提高其闪烁性能，如光产额等；2）通过优化晶体生长配方、工艺和工程化技术研究，降低晶体生长成本和生长难度；3）通过晶体微观缺陷、共掺杂与晶体闪烁性能之间的相互关系，减少和抑制有害点缺陷，降低闪烁过程中的无辐射跃迁对能量转换的损耗。铈离子掺杂的硅酸盐和铝酸盐是近年来备受关注的两类高温无机闪烁体。

铈离子掺杂的高温无机闪烁晶体属于非本征闪烁体，掺杂的Ce³⁺离子作为晶体的发光中心，其发光机理由下面3个过程组成：a)首先闪烁晶体吸收高能射线或粒子，从而在晶格中产生大量的电子空穴对；b)大量的高能量电子空穴对通过电子-电子、电子-声子之间的相互作用进行弛豫，最后变为具有禁带宽度能量的热化电子空穴对，热化的电子空穴对再将能量传递到Ce³⁺发光中心；c)Ce³⁺离子通过5d-4f的跃迁发光。

Ce离子掺杂的高温氧化物闪烁晶体如：Ce:YAG、Ce:LSO、Ce:GSO、Ce:YAP、Ce:LuAP等是出现于上世纪80年代末-90年代初的一批新型无机闪烁晶体材料。和传统NaI:Tl，BGO，BaF₂，PWO等低熔点(不超过1500℃)无机闪烁晶体相比，Ce离子掺杂的高温氧化物晶体兼具有高光输出(约为BGO晶体的2-10倍)和快衰减(约为BGO晶体的1/5-1/20)特性，因此，这类性能优良的闪烁晶体引起科学界的高度重视。Ce离子掺杂的硅酸镥(LSO)和硅酸钇镥晶体(LYSO)因在医学PET(正电子发射断层摄影法)机和工业部门中的计算机断层摄影(CT扫描仪)系统中的重要应用而备受关注。US4958080描述了铈掺杂的Lu₂SiO₅晶体制备，专利US6624420描述了Ce_2x(Lu_1-yY_y)_2(1-x)SiO₅晶体制备,专利US6437336涉及Lu_2(1-x)M_2xSi₂O₇类晶体制备，其中M至少部分是铈元素。这类闪烁体都共同地具有对高能量辐射的高阻止本领，引起非常快光脉冲的强光发射。

钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂或YAG)单晶是优良的激光基质材料以及光学窗口材料。1992年，Ce:YAG被提出用作闪烁材料而引起人们广泛兴趣,Moszynski和Ludziejewski等人分别于1994年和1997年对Ce:YAG晶体的闪烁性能进行了较为系统的研究，并指出Ce:YAG晶体具有优良的闪烁性能。Ce:YAG晶体具有快衰减(78ns)以及在550nm波段发射荧光，与硅光二极管能很好的耦合，使得它可以应用于中低能量γ射线、α粒子探测等领域，目前，Ce:YAG高温闪烁晶体已经商品化，主要用于扫描电镜(SEM)的显示部件。

众所周知，实现白光LED的最为普遍最成熟的技术是在蓝光晶片上涂抹一层黄色Ce:YAG荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光，但其显色指数相对较低。目前，科学家正在着力研究的利用半导体激光器的照明。蓝色LED存在“光效下降”问题，越是高亮度，就越难提高效率。而激光器不存在这一问题，“与LED照明相比，激光照明可实现非常高的效率”。因此中村修二预计，激光照明将来会取代LED照明。在激光照明中Ce离子掺杂的YAG单晶是目前已知辅助蓝光激光二极管实现光亮度白光的最佳材料。