[发明专利]新型闪烁晶体LaBr3:Ce3+的坩埚下降法生长工艺

说明书

技术领域

本发明属于单晶生长技术领域。LaBr₃:Ce³⁺单晶是近年来发现的一种具有优良发光特性的闪烁晶体材料，它具有相当高的发光效率、高的能量分辨率、短的衰减时间，因而被材料学界认为是极具应用价值的闪烁晶体，可望应用于以核医学成像为主的射线探测技术领域。采用本发明技术可生长出满足实用需要的优质大尺寸LaBr₃:Ce³⁺单晶。

背景技术

近年来核医学成像技术的飞速发展极大地推动了无机闪烁晶体的研究开发，医用闪烁晶体的主要性能要求是：发光效率高、辐照长度短、衰减时间短、材料密度大，目前在核医学成像技术上使用最为广泛的是NaI:Tl晶体，但该晶体的衰减时间仍不够短(230ns)，使整个仪器的成像分辨率受到很大限制；而CsI:Tl不仅衰减时间太长(1300ns)，而且发光波长在550nm左右，超出了常用PMT的最佳读出范围(300～500nm)，其应用主要限于高能物理技术领域。此外，这类碘化物闪烁晶体在制备过程中须掺入剧毒的铊离子(Tl⁺)，增加了材料制备的技术难度，易于造成环境污染。由于现有的NaI:Tl、CsI:Tl晶体所存在的固有缺点，促使材料学者探索性能更好的医用无机闪烁晶体。

LaBr₃:Ce³⁺单晶是近年来新发现的稀土卤化物闪烁材料，跟NaI:Tl、CsI:Tl晶体相比，LaBr₃:Ce³⁺晶体具有非常优异的发光性能：(1)光输出最高可达到80,000 photons/MeV，远高于NaI:Tl晶体的38,000 photons/MeV，这是迄今已知闪烁晶体所具有的最高光输出；(2)具有短的衰减时间，在30ns以内的发光快分量超过90％；(3)其最强发光波长在360nm左右，位于常用光电倍增管的最佳读出范围(300～500nm)；(4)材料密度适中(5.3g/cm³)；(5)此晶体生长原料避免使用有毒成分。跟NaI:Tl、Cs:Tl晶体类似，LaBr₃:Ce³⁺晶体在空气环境下也具有明显潮解性，经加工的晶体元件须进行镀膜处理，通过晶体镀膜工艺完全可以解决此技术问题，所以，全面估价LaBr₃:Ce³⁺晶体的技术性能，此新材料在高分辨探测成像领域具有重要应用价值。

近年来国际相关研究机构相继开展了LaBr₃:Ce³⁺晶体的研究，采用真空条件下的坩埚下降法进行晶体生长，其生长条件要求比较苛刻，晶体易于开裂，材料成本相当高，目前有关文献报道的单晶尺寸还比较小，尚难于实现单晶材料的稳定批量生长。由于稀土卤化物的物性特点，LaBr₃:Ce³⁺晶体生长所固有的关键技术问题在于：(1)通常市售试剂为含结晶水的LaBr₃.7H₂O和CeBr₃.7H₂O，且无水溴化物LaBr₃和CeBr₃在空气中易于吸潮；在晶体生长过程中，含水溴化物易于发生水解而生成溴氧化物和氧化物，从而导致晶体出现光学散射甚至失透，高纯无水溴化物的制备是生长高质量单晶的前提条件；(2)LaBr₃:Ce³⁺晶体为一致熔融稀土溴化物，此溴化物在常温下稳定，在晶体生长温度下其熔体则易于被氧化，且易于出现挥发损失，如何防止熔体的氧化和挥发成为突破其晶体生长工艺的关键问题。

本发明提供了LaBr₃:Ce³⁺单晶的非真空密闭坩埚下降法生长新工艺，通过卤化焙烧脱水处理以制备无水氯化物配合料LaBr₃:Ce³⁺，掺入少量活性碳粉作为脱氧剂，采用金属铂制作的薄壁坩埚，在非真空密封坩埚条件下进行晶体生长，能够避免熔体的氧化和挥发，从而有效地解决了此晶体生长固有的技术难题，此外，采用多坩埚晶体生长炉能够一次生长多根晶体，所用主要设备造价较低、操作简便，因而本发明技术在优质大尺寸LaBr₃:Ce³⁺单晶的批量生长方面具有应用价值。

发明内容

本发明的工艺流程如说明书附图1所示，其主要内容分述如下：

1、原料制备