[发明专利]高密度、耐辐照的快速闪烁无机玻璃

说明书

本发明涉及一种高密度、耐辐照的闪烁无机材料，适用于高能物理探测器，也可用作正电子发射X线断层照相机，医学模拟方面的闪烁材料。

在高能物理实验和正电子发射X线断层照相机等方面，对高密度、耐辐照的快速闪烁材料总是有着特别的兴趣。许多目前和下一代粒子物理实验需要应用在高辐射环境中的探测器。目前，这种探测器的设计者正求助于闪烁材料去满足物理实验要求。这些要求包括：（1）材料应具有高的密度值，密度愈大，材料对射线的截止本领愈大，辐射长度X。和莫来尔（Moliere）半径愈小。小的莫来尔半径可以减少两个相邻光讯号之间的重叠或污染，便于“辩认”。小的辐射长度可使探测器做成小体积，从而降低成本。（2）能耐辐照：大部分无机材料（包括无机晶体和玻璃）在x、r、α和β等射线的辐照下，将引起色泽和透明度的下降，使发出的荧光不能透过或被材料本身吸收，甚至造成材料结构缺陷。（3）短的荧光衰退时间：电子从高能级向低能级退激时，将发出光讯号，为了避免光讯号之间的污染，要求进行快速探测，快速探测要求快速闪烁，即短的衰退时间。（4）在可见或近紫外区激发：根据波长与能量的关系，发射波长总是大于激发波长，因此，在可见或近紫外区激发就能保证荧光发射波长在300nm以上，使光讯号与光电二极管相匹配。（5）低的成本：新一代加速器要求探测器闪烁材料成本≤2美元/cm³。

无机闪烁材料主要是晶体，早期使用的晶体闪烁材料是NaI（T_L），其密度为3.67g/cm³，荧光衰退时间为230ns。近几年开发并被认为可用于高能物理实验的较有希望的晶体有CeF₃、YAP（ce）、GSO（ce）、ThF₄和PbF₂等。这些晶体的性能不能完全满足高能物理实验的要求，各项性能列于表1，而且晶体制备工艺复杂，成本高。

玻璃作为闪烁材料较早的有由Li⁺激活Ce³⁺的硅酸盐玻璃，但这种玻璃密度值低（～2.5g/cm³），荧光衰退时间慢（～100μs）。氟化物玻璃是近几年受到重视的一类闪烁材料，密度值5.95～6.75g/cm³，在10⁵rad C⁶⁰₀射线辐照下透过率降低8.9%，制备须在还原气氛下进行，难于控制。

本发明目的旨在提供一种具有高密度值，荧光发射波长在可见区范围内，荧光衰退时间短，能抵抗高能射线辐照，成本低，制备方法简单的快速闪烁无机玻璃。

本发明是以PbO，Bi₂O₃为主要成份，加入玻璃形成体氧化物组成，各成份含量（重量%）为：PbO 17～80%，Bi₂O₃20～75%，余量为玻璃形成体氧化物;本发明或者是由PbO与玻璃形成体氧化物组成，其中PbO含量（重量%）为70～95%，余量为玻璃形成体氧化物;本发明或者由Bi₂O₃与玻璃形成体氧化物组成，其中Bi₂O₃含量（重量%）为70～95%，余量为玻璃形成体氧化物。

由于以含Pb²⁺，Bi³⁺离子氧化物构成玻璃的主要成份，赋于了玻璃材料的高密度，使得本发明的材料防射线能力增强，具有抗辐照性，而且Pb²⁺，Bi³⁺离子又是发光物质，这些离子能级中电子受到激发而跃迁（6S→6P），当退激时一部分能量以荧光发出，由于玻璃体系中结构效应，使得6S与6P轨道能级差很小，所以荧光衰退时间短，此外，Pb²⁺，Bi³⁺离子积聚作用虽强，但在玻璃组成中加入了玻璃形成体氧化物，可降低析晶倾向。

上述的PbO可以由分析纯一氧化铅，也可以由分析纯四氧化三铅或分析纯硝酸铅引入，Bi₂O₃由分析纯氧化铋引入，玻璃形成体氧化物可以是B₂O₃或SiO₂或P₂O₅或GeO₂中的任一种或几种合用。构成本发明各成份含量举例如下：