[发明专利]一种铈掺杂钽铌酸镧闪烁晶体材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种铈掺杂钽铌酸镧闪烁晶体材料及其制备方法，涉及闪烁晶体技术领域，该晶体的化学式为Ce_xLa_1‑xTa_yNb_1‑yO₄，0.0001≤x≤0.1，0≤y≤1。该晶体为单斜结构，空间群为P21/c，熔点在1800℃以上，呈黄色，晶胞参数、密度、硬度随着y的取值不同而不同，该类晶体材料稳定性高，在空气中不潮解，并且具有良好的机械性能。该晶体生长原料价格较便宜、晶体物化性能稳定，可以采用熔体法晶体生长方法生长优质单晶，本发明的铈掺杂钽铌酸镧闪烁晶体作为闪烁探测器的元部件，可用于高能物理与核物理、超快脉冲辐射探测、核医学成像、太空高能射线探测及安全稽查等领域。

技术领域

本发明涉及闪烁晶体技术领域，具体涉及一种铈掺杂钽铌酸镧闪烁晶体材料及其制备方法。

背景技术

无机闪烁晶体是一种能在高能粒子(质子、中子)或射线(X射线、γ射线等)作用下发出闪烁脉冲光的发光材料，也即无机闪烁晶体可以用来探测高能粒子和射线。基于无机闪烁晶体的闪烁探测器件已经广泛用于高能物理与核物理、超快脉冲辐射探测、核医学成像、太空高能射线探测及安全稽查等领域。例如，2015年由中国科学院所研制并成功发射的暗物质粒子探测卫星“悟空号”中便大量使用了无机闪烁晶体锗酸铋(BGO)，用于探测宇宙中的高能宇宙射线。

近年来，随着太空探测及核能安全应用等相关技术的飞速发展，无机闪烁晶体的应用领域不断拓宽，应用需求不断增加，应用要求不断提高，传统的NaI、PWO、BGO等闪烁晶体虽然在很多方面具备一定的优势，但某些性能仍存在不足，很难满足一些新的应用领域的特殊需求，因此推动了人们对新型优良无机闪烁晶体的探索。高密度、快衰减、物理化学性能稳定及低成本是优良无机闪烁晶体的共同基本要求。高密度的晶体可以更有效的阻止高能射线或粒子，进而减少闪烁体的用量和闪烁探测器件的小型化；快衰减则有利于缩短探测时间，提高时间分辨率；物理化学性能稳定和低成本是闪烁晶体能够广泛地推广使用的关键。

正钽铌酸镧材料(LaTa_mNb_1-mO₄，0≤m≤1)具有单斜结构，是一类自激活发光材料，物理化学性能稳定，密度高(随着m的不同，密度在5.89g/cm³～7.79g/cm³之间变化)，可以采用提拉法进行单晶制备，因此是一种潜在的优良无机闪烁基质材料。Ce³⁺离子5d→4f能级的允许跃迁可以产生几十纳秒的快衰减荧光，因此通过在无机晶体材料中掺入Ce³⁺离子实现闪烁性能是新型闪烁晶体的重要探索方向。目前，通过在石榴石晶体、硅酸盐晶体、磷酸盐等晶体中掺入Ce³⁺离子，研制出了多种新型闪烁晶体材料，如Ce:YAG、Ce:LSO、Ce:LuAP等，它们具有高的光产额、快衰减等特点，对推动闪烁探测器件小型化和多功能化起到了重要的作用。尽管目前Ce3+离子掺杂的无机闪烁晶体材料的研制取得了很大的成功，但它们还存在一些问题，例如晶体生长原料价格昂贵、熔点较高、高质量单晶制备较为困难、存在自吸收现象等，大大限制了它们的应用。

到目前为止，国内外还没有Ce³⁺离子掺杂正钽铌酸镧晶体材料的相关报道。正钽铌酸镧晶体中La³⁺离子的格位对称性为C₂，Ce³⁺离子掺入正钽铌酸镧晶体中将替代La³⁺离子占据C₂对称格位，有利于晶体场能级分裂加宽及发光跃迁的宇称禁戒解除，提高发光效率，因而有望成为高性能的无机闪烁晶体材料，在高能物理与核物理、超快脉冲辐射探测、核医学成像、太空高能射线探测及安全稽查等领域发挥作用。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种铈掺杂钽铌酸镧闪烁晶体材料及其制备方法，该晶体可在高能物理与核物理、超快脉冲辐射探测、核医学成像、太空高能射线探测及安全稽查等领域发挥作用。