一种掺铈溴化镧闪烁晶体及其生长方法技术

本发明专利技术涉及一种掺铈溴化镧(LaBr

【技术实现步骤摘要】
一种掺铈溴化镧闪烁晶体及其生长方法
本专利技术属于单晶生长
，尤其涉及一种掺铈溴化镧(LaBr3:Ce)闪烁晶体及其生长方法。
技术介绍
LaBr3:Ce闪烁晶体自2001年发现以来，由于其优异的闪烁性能，成为国内外研究的热点。但由于晶体各向异性明显，a轴和c轴热膨胀系数相差较大，同时晶体沿(100)面解离。因此，晶体生长和加工过程中容易开裂，很难获得大尺寸、无开裂晶体。目前，市场上销售晶体尺寸一般不大于3英寸。因此，如何生长出大尺寸(3英寸以上)、高光学质量的LaBr3:Ce晶体一直是国内外研究的热点和难点。目前，国内外报道生长LaBr3:Ce闪烁晶体的方法主要是坩埚下降法，其基本原理是通过上下炉膛温度调控或者物理隔离的方式，在上下降炉膛中内造成一定的温度梯度。其生长过程如下：首先将原料装入坩埚内，放置于下降炉中进行加热熔化，然后坩埚在下降装置的带动下缓慢下降通过温度梯度区，从而在坩埚底部结晶，随着坩埚的连续移动，晶体沿着与坩埚运动相反的方向逐渐长大。该方法的缺点是：对下降装置的要求特别严格，下降装置的微小震动会引起坩埚的微小振动，从而干扰晶体生长，进而影响晶体的光学质量。另外，晶体生长过程中随着坩埚的移动，晶体移动到低温区，由于温场的不均匀，产生较大应力，容易导致晶体开裂。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种掺铈溴化镧闪烁晶体及其生长方法。根据本专利技术的一个方面，提供了一种掺铈溴化镧闪烁晶体生长方法，包括以下步骤：盛装原料熔体的坩埚位置不动，在坩埚底部的热交换器中通入氦气，通过控制热交换器中氦气流量，导走熔体热量，实现熔体从下向上逐渐结晶，从而实现晶体生长。LaBr3:Ce晶体是目前国际研究和应用较热的新型无机闪烁晶体，具有光输出高、衰减时间快、能量分辨率好等优异特性，其性能全面超越了传统高光输出掺铊碘化钠(NaI:Tl)闪烁晶体，是迄今为止发现闪烁性能最优异的晶体。但是该晶体在生长和加工过程中容易开裂，很难获得大尺寸、无开裂晶体。目前，市场上销售晶体尺寸一般不大于3英寸。因此，如何生长出大尺寸(3英寸以上)、高光学质量的LaBr3:Ce晶体一直是国内外研究的热点和难点。本专利技术在生长坩埚不动的情况下，在坩埚底部的热交换器中通入氦气，通过控制热交换器中氦气流量，导走熔体热量，实现熔体从下向上逐渐结晶，从而实现晶体生长，可有效避免传统LaBr3:Ce闪烁晶体坩埚下降法中因引下装置的微小振动对晶体生长干扰而引入的包裹体、气泡等杂质，可显著提高晶体的光学质量，特别适合大尺寸(3英寸以上甚至6英寸)、高光学质量LaBr3:Ce闪烁晶体的生长。进一步的，将盛装原料并抽真空至10-2～10-5Pa封口的坩埚置于热交换炉内升温使原料完全熔化为熔体。进一步的，所述坩埚在抽真空并封口之前还需装入籽晶，所述籽晶为[001]方向LaBr3或LaBr3:Ce籽晶。进一步的，所述原料为无水、纯度99.99％的LaBr3和CeBr3，所述原料在手套箱内按比例称取并混合均匀后装入坩埚中，其中，CeBr3的掺杂量为1～10at％。进一步的，所述坩埚在所述热交换炉内，升至预设温度，恒温，使原料完全熔化为熔体，所述预设温度相对于掺铈溴化镧闪烁晶体生长所需籽晶顶部温度不超过阈值限定，具体所述预设温度相对于掺铈溴化镧闪烁晶体生长所需籽晶顶部温度比熔点高15～40℃。进一步的，所述坩埚在所述热交换炉内，以30～50℃/h的速度升至预设温度，恒温10～20h，使原料完全熔化为熔体。进一步的，控制氦气流量使所述坩埚内降温速度为0.2～1.5℃/h，实现熔体沿着籽晶方向从下向上逐渐结晶。进一步的，待熔体完全结晶后，降至600～650℃，同时调整氦气流量至零，并恒温，进行退火后处理，减少晶体生长应力，然后再降至室温，取出晶体。进一步的，待熔体完全结晶后，以10～20℃/h的速度降至600～650℃，同时调整氦气流量至零，在此温度恒温20～30h，进行退火后处理，然后以20～50℃/h的速度降至室温，取出晶体。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种掺铈溴化镧闪烁晶体，根据上述任一所述方法制得，应用于核医学成像、核辐射环境检测、反恐安检、石油测井以及高能物理任一领域。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术示例的掺铈溴化镧闪烁晶体及其生长方法，在生长坩埚不动的情况下，在坩埚底部的热交换器中通入氦气，通过控制热交换器中氦气流量，导走熔体热量，实现熔体从下向上逐渐结晶，从而实现晶体生长。采用本专利技术工艺代替常规的坩埚下降法，避免了下降装置的微小震动对晶体生长的干扰而引入的包裹体、气泡等杂质，可显著提高晶体的光学质量，特别适合大尺寸(3英寸以上)、高光学质量LaBr3:Ce闪烁晶体的生长，晶体内部无肉眼可见气泡和包裹体等散射颗粒，样品的能量分辨率为不大于3.0％@662keV，采用本专利技术工艺甚至可成功生长出直径高达6英寸的高光学质量LaBr3:Ce闪烁晶体。附图说明图1是本专利技术生长LaBr3:Ce闪烁晶体的热交换炉示意图。图中，1为坩埚，2为坩埚托，3为熔体，4为发热体，5a为第二测温热电偶,5b为第一测温热电偶，6隔热板，7籽晶，8热交换器，9炉膛，10炉体。具体实施方式为了更好的了解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例一：本实施例掺铈溴化镧闪烁晶体生长过程为：S1、装籽晶：在手套箱内将加工好的[001]方向、尺寸φ10mm×50mm的LaBr3籽晶放入预先清洗干净的石英坩埚中；S2、原料的称取：采用无水、纯度99.99％的LaBr3和CeBr3为原料，在手套箱内按比例分别称取1979.9克LaBr3和20.1克CeBr3，其中，CeBr3的掺杂量为1at％，将上述原料在研钵中混合均匀，然后装入步骤S1的石英坩埚中；S3、坩埚熔封：将坩埚从手套箱中取出后迅速抽真空至10-2Pa，并封口；S4、晶体生长：将坩埚置于热交换炉内，调整坩埚托的高度，使籽晶顶部位于隔热板上沿，以50℃/h的速度升至籽晶顶部对应温度为798℃左右，同时启动旋转，转速5～20rpm，恒温10～20h，使原料完全熔化，然后从坩埚底部热交换器中通入氦气，控制氦气流量使降温速度为1.5℃/h，实现熔体沿着籽晶方向从下向上逐渐结晶，其中，如图1所示，坩埚1需置于所述热交换炉炉腔内的坩埚托2上，所述坩埚托2下面设置有热交换器8，当坩埚1内原料被加热全部熔化形成熔体3后，即可通过所述热交换器8从坩埚1底部通入氦气，所述热交换器8的末端置于所述热交换炉的炉体10外，坩埚1内籽晶7顶部温度通过第一测温热电偶5b进行检测，所述第一测温热电偶5b置于所述热交换器8内且末端也位于炉体10外，所述炉腔内还分别设置用于检测炉腔温度的第一测温热电偶5a及隔热板6，所述第一测温热电偶5a的末端依次穿过所述热交换炉的炉膛9、炉体10置于炉体10外，而所述隔热板6的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺铈溴化镧闪烁晶体生长方法，其特征是，包括以下步骤：/n盛装原料熔体的坩埚位置不动，在坩埚底部的热交换器中通入氦气，通过控制热交换器中氦气流量，导走熔体热量，实现熔体从下向上逐渐结晶，从而实现晶体生长。/n

【技术特征摘要】
1.一种掺铈溴化镧闪烁晶体生长方法，其特征是，包括以下步骤：
盛装原料熔体的坩埚位置不动，在坩埚底部的热交换器中通入氦气，通过控制热交换器中氦气流量，导走熔体热量，实现熔体从下向上逐渐结晶，从而实现晶体生长。


2.根据权利要求1所述的掺铈溴化镧闪烁晶体生长方法，其特征是，将盛装原料并抽真空至10-2～10-5Pa封口的坩埚置于热交换炉内升温使原料完全熔化为熔体。


3.根据权利要求2所述的掺铈溴化镧闪烁晶体生长方法，其特征是，所述坩埚在抽真空并封口之前还需装入籽晶，所述籽晶为[001]方向LaBr3或LaBr3:Ce籽晶。


4.根据权利要求1所述的掺铈溴化镧闪烁晶体生长方法，其特征是，所述原料为LaBr3和CeBr3，所述原料在手套箱内按比例称取并混合均匀后装入坩埚中，其中，CeBr3的掺杂量为1～10at％。


5.根据权利要求1所述的掺铈溴化镧闪烁晶体生长方法，其特征是，所述坩埚在所述热交换炉内，升至预设温度，恒温，使原料完全熔化为熔体，所述预设温度相对于掺铈溴化镧闪烁晶体生长所需籽晶顶部温度不超过阈值限定。

【专利技术属性】
技术研发人员：王海丽，李辉，陈建荣，黄存新，
申请(专利权)人：北京中材人工晶体研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11