[發明專利]鎵鐿離子共摻YAG超快閃爍晶體及其制備方法

有效

• 申請號: 201810130637.0
• 申請日: 2018-02-08
• 公開（公告）號: CN108396383B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 齊紅基;靳亞雪;潘明艷;邵建達;顧國瑞
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: C30B29/28
• 分類號: C30B29/28;C30B11/00;C30B15/00;C09K11/80
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種鎵鐿離子共摻YAG超快閃爍晶體及其制備方法，鎵和鐿離子共摻YAG晶體的化學式為(Yb_0.1Y_0.9)₃Al_5?xGa_xO₁₂，式中x＝1，2，3，4，5，x為Ga離子的摻雜量，Ga離子進入晶體取代Al離子，Yb離子的摻雜量為10％，Yb離子進入晶體取代Y離子格位。本發明制備的(Yb_0.1Y_0.9)₃Al_5?xGa_xO₁₂超快閃爍晶體減小了帶隙，湮沒了反位缺陷，具有光產額高、抗輻照損傷強等優點，可應用于超快脈沖輻射探測、高能物理等領域。

技術領域

本發明涉及閃爍晶體，特別是一種鎵鐿離子共摻YAG超快閃爍晶體及其制備方法。

背景技術

無機閃爍晶體是一種將高能光子(X/γ射線)或粒子(質子、中子等)的能量轉換成易于探測的紫外/可見光子的晶態能量轉換體。閃爍晶體做成的探測器廣泛應用于高能物理、核物理探測與成像、影像核醫學診斷(XCT、PET)、地質勘探、天文空間物理學以及安全稽查等領域。隨著核探測及相關技術的飛速發展，閃爍晶體的應用領域不斷拓寬。不同應用領域對閃爍晶體提出了更高要求，傳統的NaI(TI)、BGO、PWO等閃爍晶體已經無法滿足高性能閃爍探測器的要求。

超快脈沖輻射測量技術一般要求探測器系統輸出的電流信號能夠盡可能真實地反映輻射場的時間信息，是探知物質內部核反應過程信息和先進輻射裝置性能的重要技術手段。要求無機閃爍探測器有盡可能快的時間響應特性和適中的光產額。根據超快脈沖輻射測量技術對時間衰減的特殊需求，一般將發光衰減時間小于10ns的閃爍晶體稱為超快閃爍晶體。

超快閃爍體綜合性能是決定超快探測器性能的關鍵因素之一。表1是目前常用的超快閃爍材料的基本物理特性和閃爍性能參數比較。從表中可以發現，有機閃爍體(如BC422Q)時間響應最快可以達到亞納秒，但是其密度和原子序數較低，因而伽馬/中子分辨能力(往往小于1倍)明顯弱于無機閃爍體(一般在5～20倍)，不利于伽馬、中子混合輻射場中的伽馬射線測量。無機閃爍體時間響應一般在十幾納秒以上，滿足亞納秒脈沖輻射探測技術要求的晶體很少。BaF₂晶體能達到亞納秒時間響應，但BaF₂晶體具有0.6ns快成份的同時還具有620ns的慢發光成份，且該慢成份份額較高，限制了該晶體在超快脈沖輻射探測中的應用；Yb:YAP衰減時間小于1ns，并且光輸出相對較高，但YAP晶體由于具有復雜的正交鈣鈦礦結構，晶體生長過程容易開裂，除了難以制備大尺寸晶體外，另一重要缺陷是YAP晶體畸變的鈣鈦礦結構使晶體內部極易形成大量的點缺陷，在高能射線輻照下晶體變成褐色，光輸出急劇下降。

表1常用超快閃爍材料的基本物理性能和閃爍性能比較

為滿足超快脈沖輻射探測應用的需求，獲得容易制備、物化性能穩定的新型無機閃爍體材料成為目前超快閃爍體發展的主要趨勢。近年來，基于Yb電荷轉移發光機制的Yb摻雜無機超快晶體引起了國內外同行的高度重視。其中Yb摻雜的YAG晶體是具有典型電荷轉移發光的一種超快無機閃爍晶體。Yb:YAG超快晶體具有下列特征：1)發光波長位于350nm和550nm附近，和目前使用的光電倍增管等匹配良好；2)由于溫度和濃度效應其室溫下光衰減時間τ＜1ns，且沒有慢發光成份。

雖然Yb:YAG晶體的衰減時間非常快，在無機閃爍晶體中具有絕對優勢。但是其發光產額較低，在低溫下只有1250Ph/MeV，這嚴重限制了Yb:YAG作為性能優越的無機超快閃爍晶體的應用。在不降低晶體衰減時間的前提下，提高Yb:YAG晶體光產額的機理研究和實現手段是國際材料學界和脈沖輻射探測領域關注的熱點問題。

發明內容