[发明专利]一种掺Pr3+高密度闪烁玻璃及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及可应用于高能物理测量、医学成像、地球物理探测等领域的高密 闪烁玻璃。

背景技术

闪烁体是一种将高能光子(X-射线，γ-射线)或粒子(强子、电子、质子、α- 粒子等)的电离能转换成紫外/可见光子的光电导型发光材料，是一种能量转换 体。闪烁体在高能粒子的研究中具有非常重要的作用，粒子的鉴别、粒子性能 的测定和新粒子的发现都离不开高性能的闪烁体。随着高能物理、核物理和放 射物理的快速发展，特别是随着改进正电子放射断层扫描仪(PET)等核医疗设备 以及建造美国超级超导对撞机(SSC)、西欧大型强子对撞机(LHC)等大型高能物 理实验装置等工作的进行，对高性能核探测器有了更加迫切的需要。为此，90 年代尤其是近几年来，开拓和研制应用于高能物理领域的新型高密度闪烁材料 的工作得到进一步加强，有关学术交流活动也异常频繁活跃。

闪烁材料的性能主要包括密度、闪烁性能、抗辐射性能等，为满足应用在 高能辐射环境中的要求，材料应：(1)具有高的密度值(＞5g/cm³)：密度愈大，材 料对射线的截止本领愈大，辐射长度x₀和莫来尔(Moliere)半径愈小，小的莫来 尔半径可以减小两个相邻讯号之间的重叠和污染，便于“辨认”；小的辐射长 度可使探测器做成小体积，从而降低成本。(2)在可见光区或近紫外光区激发： 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，(3) 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，这要求制备工 艺简单。

闪烁晶体是比较合适的材料，具有耐辐照、快衰减、高光输出等优点。但 是，闪烁晶体的缺点是制备困难，价格昂贵，激活剂在晶体中存在的分凝现象 使得各部位的发光性能存在差异，再者，其密度相对较低，一般在5.0g/cm³以下， 这就限制了其应用，特别对高能物理实验。闪烁玻璃制备容易、成分易于调整、 组织均匀性好、各向同性、可以浇注成各种形状、加工方便、成本低廉、易于 实现大批量、大尺寸工业化生产。但是，多年来闪烁玻璃的研究进展缓慢，到 现在为止闪烁玻璃的光产额和密度都还很低，没有得到广泛应用。

本发明掺Pr³⁺铋硼硅酸盐闪烁玻璃，在不影响其发光强度的前提下，玻璃密 度也有了很大的提高。一方面高原子量Bi³⁺可以赋予玻璃高密度，使之成为闪烁 材料的基材；另一方面发射波长在300nm以上，可实现光讯号与光电二极管的匹 配；再一方面，由于玻璃固有的透明性，制备容易，工艺简单，可实现低成本、 大体积等特点。较之传统的氧化物玻璃，密度从传统的4.0g/cm³左右可提高到 7.0g/cm³，并呈现出较强的488nm蓝光发射，以及530nm绿光、610nm橙光、647nm 红光发射。因此，掺Pr³⁺高密度铋硼硅酸盐玻璃是新型的闪烁材料。

发明内容

本发明掺Pr³⁺的高密度闪烁玻璃，包括基质玻璃(Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂)、发光中 心(Pr³⁺)、脱色剂(Sb₂O₃)，其摩尔组成如下：

本发明闪烁玻璃的制备主要经过了四个步骤：a)玻璃组成的设计与确定；b) 原料的混合；c)玻璃的熔制；d)退火热处理。

在玻璃组成的设计与确定中，Bi₂O₃作为网络中间体，大量引入可显著提高 玻璃密度，密度的增加可有效提高闪烁体对高能射线的阻挡能力；B₂O₃的引入， 可降低玻璃的高温粘度，改善成玻性能；SiO₂作为最常见的玻璃形成体在本系 统中被引入；Sb₂O₃引入主要起到脱色作用，防止玻璃发黑。