[发明专利]一种掺钇氟化钡晶体及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种掺钇氟化钡晶体及其制备方法和应用，所述掺钇氟化钡晶体的化学组成为Ba_(1‑x)Y_xF_2+x，其中0.01≤x≤0.50。本发明的BaF₂晶体闪烁性能得到改善，钇掺杂可以极大地抑制BaF₂晶体的慢发光分量，具有优异的快/慢闪烁分量比，该掺杂晶体与光探测器耦合制作成闪烁探头，适用于高能物理、核物理、超高速成像和核医学成像等高时间分辨辐射领域。

技术领域

本发明涉及氟化钡(BaF₂)晶体，特别是一种掺钇氟化钡晶体及其制备方法和应用，属于无机闪烁晶体生长和应用技术领域。

背景技术

无机闪烁晶体是能够吸收高能射线或粒子等的能量发出脉冲光的一类光功能晶体材料，衰减时间是闪烁晶体吸收能量后发出脉冲光的强度随时间变化的动力学参量，衰减时间表征了闪烁材料对射线或粒子的响应速率特性，发展快衰减的闪烁体一直是闪烁材料重要的研究方向和热点。氟化钡(BaF₂)晶体是目前已知最快无机闪烁体，具有发光峰值分别位于195nm和220nm、衰减时间为小于1ns的闪烁光快成分；在发光初始的0.1ns内，BaF₂晶体的光输出约为LSO/LYSO:Ce晶体的两倍，其抗辐照性能好，且价格较为低廉。上世纪80年度末到90年代初，该晶体曾作为许多粒子物理实验中电磁量能器的重要候选材料，受到了人们的广泛关注。但除快成分外，该晶体还具有发光峰值位于300nm、衰减时间约620ns、光输出相当于快成分4-5倍的慢成分；在高计数率(>10⁶Hz)测量时，慢成分会引起严重的信号堆积，极大地限制了其在高速率计数和时间测量等辐射探测领域的应用。

抑制BaF₂晶体的慢发光分量是该晶体得以应用的基本前提，主要途径可分为三类：第一类是采用仅对快成分敏感的光探测器，如TMAE，Cs-Te、K-Cs-Te或Rb-Te作为光阴极材料的光电倍增管，或雪崩光电二极管和硅光电倍增管等。第二类是降低晶体慢成分的光输出，如提高晶体温度和选择性掺杂。第三类是调控光在晶体和光探测器间的传输，如采用有机移波材料分离快成分，以及采用光子带隙系和反射式紫外带通滤光器选择性过滤掉慢成分。

选择性掺杂是在BaF₂晶体中掺入一定量的其它离子如La³⁺离子等，使得慢成分的发光强度减弱，是一种更具实用意义的慢成分抑制途径，其相关研究在过去三十多年受到了持续关注。如今，配合最新的快成分敏感探测器和带通滤光技术，选择性掺杂有望推动该晶体走向广泛应用。1989年，P.Schotanus等发现在BaF₂晶体中掺杂一定浓度的La³⁺离子，可以在基本不减弱BaF₂快成分的前提下，显著地减弱慢发光分量发光强度。C.L.Woody等则发现La³⁺掺杂不影响晶体的抗辐照性能，随后该离子受到了最为广泛的关注，其掺量优化、抑制特性和抑制机理的研究取得了很大的进展。尽管在其慢分量抑制机理，究竟是间隙F^-离子引起的STE的解离能降低，还是La³⁺掺杂引起的STE形成数量减少，抑或是V_k心与间隙F-离子结合而成了对STE发光无贡献的H心等，仍存在较大的争议，但其抑制慢分量的特性的研究结论是较为一致的。

遗憾地是，尽管La³⁺掺杂能抑制BaF₂晶体的发光慢分量，但La³⁺掺杂晶体的制备却存在极大的技术挑战，且La³⁺掺杂会不可避免地引入¹³⁸La同位素的本底放射性，限制了La³⁺作为慢分量抑制离子的广泛应用，亟需发展易生长大尺寸、高质量晶体的慢分量抑制离子掺杂，推动该晶体在高时间分辨领域的实质性应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种慢分量抑制的掺钇氟化钡晶体及其制备方法和应用，显著地改善氟化钡晶体的时间特性。