[发明专利]镁镱离子共掺YAG超快闪烁晶体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种镁镱离子共掺YAG超快闪烁晶体及其制备方法，化学式为：Mg_3xYb_3yY_3(1‑x‑y)Al₅O₁₂，式中x＝0.0001～0.01，y＝0.05～0.3，x为Mg离子的掺杂量，y为基质Yb离子的掺杂量，Mg离子和Yb离子进入晶体取代Y离子格位。采用中频感应加热提拉法生长Mg_3xYb_3yY_3(1‑x‑y)Al₅O₁₂晶体，发热体为铱金坩埚，1300℃的高温下烧结发生固相反应；用氧化锆和氧化铝做保温材料，用宝石片封住观察口，炉膛内部采用惰性气体保护，晶体生长温度约1970℃，提拉速度0.5～5mm/h，晶体转速10～30rpm。本发明具有光产额高、抗辐照损伤强等优点。

技术领域

本发明涉及闪烁晶体，特别是一种镁镱离子共掺YAG超快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(X/γ射线)或粒子(质子、中子等)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、核物理探测与成像、影像核医学诊断(XCT、PET)、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，闪烁晶体的应用领域不断拓宽。不同应用领域对闪烁晶体提出了更高要求，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。

超快脉冲辐射测量技术一般要求探测器系统输出的电流信号能够尽可能真实地反映辐射场的时间信息，是探知物质内部核反应过程信息和先进辐射装置性能的重要技术手段。要求无机闪烁探测器有尽可能快的时间响应特性和适中的光产额。根据超快脉冲辐射测量技术对时间衰减的特殊需求，一般将发光衰减时间小于10ns的闪烁晶体称为超快闪烁晶体，超快闪烁体综合性能是决定超快探测器性能的关键因素之一。表1是目前常用的超快闪烁材料的基本物理特性和闪烁性能参数比较。从表中可发现，有机闪烁体(如BC422Q)时间响应最快可以达到亚纳秒，但是其密度和原子序数较低，因而伽马/中子分辨能力(往往小于1倍)明显弱于无机闪烁体(一般在5～20倍)，不利于伽马、中子混合辐射场中的伽马射线测量。无机闪烁体时间响应一般在十几纳秒以上，满足亚纳秒脉冲辐射探测技术要求的晶体很少。BaF2晶体能达到亚纳秒时间响应，但BaF2晶体具有0.6ns快成份的同时还具有620ns的慢发光成份，且该慢成份份额较高，限制了该晶体在超快脉冲辐射探测中的应用；Yb:YAP衰减时间小于1ns，并且光输出相对较高，但YAP晶体由于具有复杂的正交镁钛矿结构，晶体生长过程容易开裂，除了难以制备大尺寸晶体外，另一个重要缺陷是YAP晶体畸变的镁钛矿结构使晶体内部极易形成大量的点缺陷，在高能射线辐照下晶体变成褐色，光输出急剧下降。

表1常用超快闪烁材料的基本物理性能和闪烁性能比较

为满足超快脉冲辐射探测应用的需求，获得容易制备、物化性能稳定的新型无机闪烁体材料成为目前超快闪烁体发展的主要趋势。近年来，基于Yb电荷转移发光机制的Yb掺杂无机超快晶体引起了国内外同行的高度重视。其中，Yb掺质的YAG晶体是具有典型电荷转移发光的一种超快无机闪烁晶体。Yb:YAG超快晶体具有下列特征：1)发光波长位于350nm和550nm附近，和目前使用的光电倍增管等匹配良好；2)由于温度和浓度效应其室温下光衰减时间τ＜1ns，且没有慢发光成分。

虽然Yb:YAG晶体的衰减时间非常快，在无机闪烁晶体中具有绝对优势。但是其发光产额较低，只有1250Ph/MeV，这严重限制了Yb:YAG作为性能优越的无机超快闪烁晶体的应用。在不降低晶体衰减时间的前提下，提高Yb:YAG晶体光产额的机理研究和实现手段是国际材料学界和脉冲辐射探测领域关注的热点问题。

发明内容