一種鈰離子摻雜多組分石榴石結構閃爍晶體的生長方法與流程

2023-06-04 15:01:36

本發明涉及一種晶體生長方法，尤其涉及一種鈰離子摻雜多組分石榴石結構閃爍晶體的生長方法。

背景技術：

閃爍晶體是一種能將電離輻射能（如γ射線、x射線等）轉化為光能（主要為可見光）的能量轉化介質；其在核醫學成像、安全檢查、油氣勘探、工業探傷以及高能物理等領域有著廣泛的應用。目前閃爍晶體的發展趨勢是圍繞高輸出、快響應、高密度等性能為中心，開展新型閃爍晶體的探傷研究，優化晶體生長工藝，進行工程化生長研究，降低生長成本，研究晶體的缺陷與其閃爍性能之間的相互關係。通過減少晶體中各種缺陷，提高晶體的光學均勻性，來改善其閃爍性能。

鈰離子摻雜多組分石榴石結構閃爍晶體（（cexgd1-x）3(alyga1-y)5o12，0.0001≤x≤0.003，0＜y＜1，簡稱ce:gagg），因其立方結構、光產額高、密度大、衰減速度快等特點成為最具應用前景的閃爍材料。但由於ce:gagg晶體的熱導率低，氧化鎵組分易揮發，提拉法生長時界面不穩定，不易獲得閃爍性能均勻的大尺寸晶體。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在於提供一種鈰離子摻雜多組分石榴石結構閃爍晶體的生長方法，能夠在同等條件下大幅度抑制氧化鎵組分的揮發，克服生長界面不穩定的問題，從而提高晶體閃爍性能的均勻性。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是這樣的：一種鈰離子摻雜多組分石榴石結構閃爍晶體的生長方法，其特徵在於：包括如下步驟：

1）根據（cexgd1-x）3(alyga1-y)5o12中鈰離子和鋁離子濃度計算各原材料的質量百分比，其中，所述原材料包括gd2o3、al2o3、ga2o3和ceo2；

2）根據各原材料的質量百分比稱取純度為99.99%的gd2o3、al2o3、ga2o3、ceo2粉末原料，並將al2o3、ga2o3、ceo2粉末原料置於馬弗爐中，在1200°c下煅燒12h；

3）將各粉末原料放入坩堝內，並置於生長爐的爐膛中，將籽晶杆與坩堝對中，然後對爐膛抽真空；

4）向爐膛內衝入保護氣體，並使爐膛內的壓力範圍為1—10mpa；

5）利用中頻感應加熱技術對坩堝進行加熱到1850℃，待粉末原料完全熔化後，降溫20-30℃，並穩定0.5-1h，然後將籽晶杆向下移動直至與液面接觸，穩定一段時間後，進行提拉引晶；

6）提拉0.5~2小時後，將加熱溫度降低5-10°c，使晶體逐漸沿徑向長大；

7）根據晶體的生長情況，調節加熱溫度至晶體結晶點±5℃以內，使晶體等徑生長；

8）當晶體生長到預定長度後，保持提拉速度，並提高升溫效率，直至晶體下端呈平界面或微凸界面時，停止提拉；

9）轉入退火階段，直至晶體溫度緩慢降至室溫；

10）最後，待退火結束後，打開爐膛，取出生長成型的晶體。

進一步地，所述保護氣體為純ar、純n2、或者純he；或者ar、n2、he三種氣體任意一種與co2的混合氣體，且co2體積比在50%以內；或者ar、n2、he三種氣體任意一種與o2的混合氣體，且o2體積比在5%以內。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：加工方便，能夠在同等條件下大幅度抑制氧化鎵組分的揮發，保證生長界面的穩定性，從而獲得性能均勻的大尺寸閃爍晶體。

具體實施方式

實施例：一種鈰離子摻雜多組分石榴石結構閃爍晶體的生長方法，包括如下步驟：

1）根據（cexgd1-x）3(alyga1-y)5o12中鈰離子和鋁離子濃度計算各原材料的質量百分比；例如，合成摻鈰離子濃度為x，摻鋁離子濃度為y的（cexgd1-x）3(alyga1-y)5o12多晶原料，根據（cexgd1-x）3(alyga1-y)5o12的產生的固相原料燒結化學反應式：

6xceo2+3(1-x)gd2o3+5yal2o3+5(1-y)ga2o3→2(cexgd1-x)3(alyga1-y)5o12+o2↑；

計算所述原材料包括gd2o3、al2o3、ga2o3和ceo2的質量百分比。

2）根據各原材料的質量百分比稱取純度為99.99%的gd2o3、al2o3、ga2o3、ceo2粉末原料，並將al2o3、ga2o3、ceo2粉末原料置於馬弗爐中，在1200°c下煅燒12h；以去除粉末原料中的水分和雜質。

3）將各粉末原料放入坩堝內，並置於生長爐的爐膛中，將籽晶杆與坩堝對中，然後對爐膛抽真空。

4）向爐膛內衝入保護氣體，並使爐膛內的壓力範圍為1—10mpa；優選為5mpa，對爐膛內加壓，從而能夠有效防止氧化鎵分解性揮發。其中，所述保護氣體為純ar、純n2、或者純he；或者ar、n2、he三種氣體任意一種與co2的混合氣體，且co2體積比在50%以內；或者ar、n2、he三種氣體任意一種與o2的混合氣體，且o2體積比在5%以內。

5）利用中頻感應加熱技術對坩堝進行加熱到1850℃，待粉末原料完全熔化後，降溫20-30℃，並穩定0.5-1h，然後將籽晶杆向下緩慢移動直至與液面接觸，穩定一段時間（直至液流線穩定）後，進行提拉引晶，其中，為保證引晶生長的質量及生長效率，該提拉速度為0.5~3mm/h。

6）提拉0.5~2小時後，將加熱溫度降低5-10°c，使晶體逐漸沿徑向長大。

7）根據晶體的生長情況，調節加熱溫度至晶體結晶點±5℃以內，使晶體等徑生長。

8）當晶體（總長度）生長到預定長度後，保持提拉速度，並提高升溫效率，其中升溫效率要求在0.5-1h內升溫30-50℃，直至晶體下端呈平界面或微凸界面時（此時，晶體已與液面脫離，停止提拉。

9）轉入退火階段，直至晶體溫度緩慢降至室溫。

10）最後，待退火結束後，打開爐膛，取出生長成型的晶體。

最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。