[發明專利]離子擴散法改性鎢酸鉛晶體的工藝

有效

• 申請號: 201110425979.3
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102534802A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 向衛東;邵明國;梁曉娟;黃海宇;陳兆平
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: C30B31/02
• 分類號: C30B31/02
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;俞慧

技術領域

本發明涉及一種用金屬離子改性鎢酸鉛晶體的方法，屬于單晶性能改性技術領域。

背景技術

閃爍晶體是指在高能粒子(X射線或γ射線)的照射下會發出紫外光或可見光的晶體，與光探測器件如光電倍增管(PMT)、雪崩光二極管(APD)以及硅光二極管(SPD)等組成探測器元件，廣泛應用于高能物理、核物理、核醫學影像及工業CT等方面。隨著高能物理研究項目的快速發展，人們為了探索宇宙空間微觀世界的奧秘，現在世界上正在建造能量越來越大的大型加速器和強子對撞機，而閃爍晶體正是建造這些裝置上的最核心元件-電磁能量器的重要材料。

鎢酸鉛(簡稱PWO)晶體作為一種新型閃爍晶體，由于它的高密度(8.28g/cm³)、短輻射長度(0.87cm)和Moliere半徑(2.12cm)、快的閃爍衰減時間(t_平均＜50ns)、較強的抗輻照損傷能力以及價格低廉等優點，自1990年人們就開始系統的研究PWO單晶的閃爍性能，現在已被歐洲核子研究中心(CERN)用于建造大型強子對撞機(LHC)的精密電磁量能器(ECAL)。被美國列為當代世界高科技九大明星之一的正電子斷層掃描(positron?emission?tomography，簡稱PET)成像系統，也開始關注PWO，日本濱松光子學株式會社已經開始試驗將PWO晶體應用到PET系統中，這必將引起PWO閃爍晶體研究的新熱潮。國際上主要研究PWO晶體的機構有俄羅斯BTCP，法國Crismatec，烏克蘭Amcrys-H，德國Korth和Molecular?Technology，捷克Crytur，美國Bicron，Optocac，Shin-Etsu?Chemical以及國內的上海硅酸鹽研究所和北京玻璃研究院等。PWO晶體最常用的生長方法有兩種：提拉法(Czochralski法)和坩堝下降法(Bridgman法)，國際上主要采用提拉法生長技術，國內主要采用改進的坩堝下降法生長技術。

PWO閃爍晶體有很多優點，但每種晶體并不完美，都存在自身的缺陷，PWO也不例外，PWO晶體光產額(簡稱LY)低的缺陷限制了它在高能領域以外其他領域的應用，如何提高PWO晶體的LY以拓寬其應用領域尤其是在PET等醫學成像方面的應用，這是目前急需解決的一個問題。目前常用的提高PWO晶體LY的方法有：(1)在PWO基質中摻雜離子，從而引入新的發光中心，使發光中心的第一激發態輻射躍遷能量接近或稍低于WO₄^2-的零聲子轉變能，此外摻雜離子高的電子能級和強的捕獲e^-能力也會對PWO晶體LY的提高產生積極影響；(2)通過優化退火工藝條件補償氧空位，減少缺陷，提高PWO晶體在藍發光峰(420nm)附近的透過率。但生長一根摻雜離子鎢酸鉛晶體，從鉑金坩堝的制備、晶種的定向切割、裝料、裝爐到晶體的升溫、接種、定向生長，這都需要豐富鎢酸鉛晶體生長經驗，而且生長的鎢酸鉛晶體由于內部缺陷和熱應力，極易使鎢酸鉛晶體開裂和孿晶的生成，很難得到高質量鎢酸鉛晶體。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于提供一種通過擴散法在鎢酸鉛晶體中引入金屬離子來提高鎢酸鉛晶體閃爍性能的工藝，具有低能耗、高效率的特點。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

離子擴散法改性鎢酸鉛晶體的工藝，包括以下步驟：

1)以PbO粉末和WO₃粉末為原料，按照n(PbO)∶n(WO₃)＝1∶1摩爾比精確配料，利用坩堝下降法或提拉法生長鎢酸鉛晶體；

2)將生成的鎢酸鉛晶體經X射線定向儀精確定向、切割、研磨成厚度為2～5mm規格的鎢酸鉛晶片，清洗后得到純鎢酸鉛晶體樣品；

3)將步驟(2)得到的純鎢酸鉛晶體樣品放入裝有金屬氧化物粉末的坩堝中，使純鎢酸鉛晶體樣品被金屬氧化物粉末嚴實包裹，然后將坩堝放入馬弗爐中，升溫至800～1000℃，保溫12～36h后擴散結束，然后降溫至室溫，得到改性的鎢酸鉛晶體。制得的改性的鎢酸鉛晶體取出后經清洗、光學拋光即可進行閃爍性能測試。

所述步驟1)中，可使用常規的坩堝下降法或提拉法制備鎢酸鉛晶體，例如根據[Journal?of?Crystal?Growth?2002，236，589-595.]和[Journal?of?Crystal?Growth?1999，204，505-511.]公開的方法進行制備。本發明優選PbO粉末和WO₃粉末的純度在99.999％。