專利名稱：摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)，特別涉及一種摻三價(jià)鈰離子(Ce3+)稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，稀土鋁酸鹽晶體的化學(xué)通式為CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1)，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種稀土元素的一種或三種元素任意比例的組合。具體涉及在初始氧化物原料(Re2O3、CeO2、Al2O3)中加入與CeO2等摩爾當(dāng)量的AlN原料，采用提拉法、坩堝下降法以及其它熔體生長(zhǎng)方法進(jìn)行生長(zhǎng)含有三價(jià)鈰離子的稀土鋁酸鹽閃爍晶體制備工藝。
背景技術(shù)：
Ce3+離子摻雜的稀土鋁酸鹽單晶體，即Ce:YAlO3(Ce:YAP)，Ce:LuAlO3(Ce:LuAP)以及Ce:YLuAlO3(Ce:YLuAP)等晶體是一類性能優(yōu)良的高溫?zé)o機(jī)閃爍材料，它們?cè)谟跋窈酸t(yī)學(xué)(PET)診斷、工業(yè)在線無(wú)損檢測(cè)、油井勘測(cè)、安全稽查以及高能粒子探測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用背景。
1973年美國(guó)科學(xué)家M.J.Weber首先報(bào)道了Ce:YAP晶體的光學(xué)光譜性質(zhì)(M.J.Weber，“Optical spectra of Ce3+and Ce3+-sensitized fluorescence in YAlO3”發(fā)表在J.Appl.Phys.，第7期，第44卷，1973年第3025-3028頁(yè))，接著日本科學(xué)家Takeda等人報(bào)道了Ce:YAP材料優(yōu)良的閃爍特征(Takeda等人發(fā)表在J.Electrochem.Soc.，第127期，1980年第438頁(yè))。為了提高Ce:YAP晶體的密度，用重元素Lu取代Y，因此發(fā)展了Ce:LuAP閃爍單晶體。1995年美國(guó)科學(xué)家W.W.Moses等人首次采用提拉法生長(zhǎng)并測(cè)試了Ce:LuAP晶體的閃爍特性(W.W.Moses，“LuAlO3:Ce-a highdensity，high speed scintillator for gamma detection”發(fā)表在IEEE Trans.Nucl.Sci.，第42期，1995年第275頁(yè))。近年來(lái)，為改善閃爍晶體的性能，又發(fā)展了混合型鋁酸镥釔Ce:YLuAlO3閃爍單晶體(J.Chval，et.al.，“Development of new mixedLux(RE3+)1-xAP:Ce scintillators(RE3+＝Y(jié)3+or Gd3+)comparison with other ce-doped orintrinsic scintillation crystals”發(fā)表在Nucl.Instr.Meth.in Phys.Res.A第443卷，第331-341頁(yè))。
下列表1列出了三價(jià)鈰離子摻雜的稀土鋁酸鹽系列閃爍晶體CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種元素的一種或三種元素任意比例的組合)的性能。從表1可知，三價(jià)鈰離子摻雜的稀土鋁酸鹽系列閃爍晶體CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種元素的一種或三種元素任意比例的組合)具有優(yōu)良的閃爍性能，在高能物理、核物理、影像核醫(yī)學(xué)(PET)、工業(yè)在線檢測(cè)以及油井勘測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
表1主要三價(jià)鈰離子摻雜稀土鋁酸鹽晶體CexRe(1-x)AlO3閃爍性能表
鈰離子摻雜的稀土鋁酸鹽系列閃爍晶體CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種元素的一種或三種元素任意比例的組合)屬于非本征閃爍晶體，三價(jià)鈰離子是晶體中的發(fā)光中心。其發(fā)光機(jī)理一般認(rèn)為是由下列3個(gè)步驟完成的，(a)首先閃爍晶體吸收高能射線或粒子，從而在晶格中產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)；(b)大量的高能量的電子空穴對(duì)通過(guò)電子—電子、電子—聲子之間的相互作用進(jìn)行馳豫，最后變?yōu)榫哂薪麕挾饶芰康臒峄娮涌昭▽?duì)，熱化電子空穴對(duì)再將能量傳遞到Ce3+離子發(fā)光中心；(c)Ce3+離子通過(guò)5d-4f的躍遷進(jìn)行發(fā)閃爍光。研究表明，在Ce離子摻雜的稀土鋁酸鹽閃爍晶體中，Ce4+離子對(duì)Ce3+發(fā)光中心有嚴(yán)重的猝滅效應(yīng)，從而大大影響了晶體的閃爍性能(E.G.Gumanskaya，“Spectroscopicproperties and scitillation efficiency of cerium-doped YAlO3single crystals”發(fā)表在Opt.Spectrosc.，第2期，第72卷，1992年第215頁(yè))。因此，如何有效降低晶體中Ce4+離子的濃度是提高晶體的閃爍效率的一個(gè)重要因素。
在先技術(shù)中，鈰離子摻雜稀土鋁酸鹽系列閃爍晶體CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種稀土元素的一種或三種元素任意比例的組合)的生長(zhǎng)都是以固相反應(yīng)生成多晶料作為晶體生長(zhǎng)時(shí)的初始原料(參見(jiàn)在先技術(shù)，人工晶體學(xué)報(bào)，31(2)，2002，p.85-89；Cryst.Res.Technol.33(2)，1998，p.241；和J.CrystalGrowth 198/199，(1999)，p.492-496)。而多晶原料是將相應(yīng)的高純氧化物原料Re2O3(Re＝Y(jié)，Lu，Gd)，Al2O3，及CeO2在高溫下合成的，該方法的缺點(diǎn)是(1)由于晶體中的三價(jià)鈰離子主要是通過(guò)含有四價(jià)鈰離子的CeO2引入的，最后獲得的晶體必將含有一定量的四價(jià)鈰離子，從而降低了晶體的光輸出；(2)另一方面，原料中引入CeO2，一般在合成原料或者生長(zhǎng)晶體的過(guò)程中，常常發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生少量的氧氣，這對(duì)晶體生長(zhǎng)是不利的，晶體常常存在較多的缺陷，使得晶體閃爍性能下降。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服在先技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種生長(zhǎng)只含有Ce3+離子(或含Ce4+離子最少)的稀土鋁酸鹽閃爍單晶體CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種元素的一種或三種元素任意比例的組合)的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，該稀土鋁酸鹽晶體的化學(xué)通式為CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1)，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種稀土元素的一種或三種元素任意比例的組合，其特征在于該方法的關(guān)鍵是在配制原料的過(guò)程中，引入與CeO2等當(dāng)量的強(qiáng)還原性的AlN原料，在升溫化料以及晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，將CeO2還原成Ce2O3，再與Al2O3和Re2O3等氧化物反應(yīng)，生長(zhǎng)摻三價(jià)鈰離子的稀土鋁酸鹽單晶體。
本發(fā)明所述的引入AlN原料后，在升溫化料過(guò)程中以及晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，初始原料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下列方程式所示(1)(2)
上述化學(xué)方程式也可以用下面一個(gè)總方程式表示(3)本發(fā)明所述化學(xué)方程式(1)-(3)中，x的范圍是0.0001≤X≤0.1，Re代表Lu、Y、Gd等稀土元素的一種或其中兩種元素任意比例的組合。
本發(fā)明所述的三價(jià)鈰離子摻雜稀土鋁酸鹽晶體CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種元素的一種或三種元素任意比例的組合)的具體制備工藝步驟如下<1>按上述化學(xué)方程式(3)左邊各組分摩爾量稱取一定量的干燥高純度(大于99.99％)Re2O3，Al2O3，CeO2和AlN原料，原料組分的具體摩爾配比如下所示Re2O3∶Al2O3∶CeO2∶AlN＝3(1-x)∶(3-x)∶6x∶2x，(0.0001≤X≤0.1，Re代表Lu、Y、Gd等稀土元素的一種或這三種元素任意比例的組合)；<2>將上述稱取的各組分原料充分混合成均勻的混合粉料；<3>將混合均勻原料，在1-5Gpa的壓力下，將混合的粉料壓成圓柱狀的料餅(料餅直徑略小于坩堝容器直徑)，在400-500℃的溫度下低溫?zé)Y(jié)10-24小時(shí)，以除去原料中的有機(jī)物、水及低熔點(diǎn)雜質(zhì)；<4>將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，將爐膛密封并抽真空，真空度為10-3-10-4Pa。為了保證CeO2被充分還原，在此真空度下采用中頻感應(yīng)加熱方式，以300-500℃/hr升溫速度升溫化料；<5>當(dāng)坩堝內(nèi)的料塊升溫到1000-1200℃，為了使得上述方程式反應(yīng)充分，在此溫度區(qū)間恒溫2-3小時(shí)；<6>繼續(xù)以300-500℃./hr的升溫速度升溫至1800-2000℃，待料全部熔化后，為了保證原料的充分反應(yīng)以及混合均勻，再在此溫度范圍內(nèi)恒溫1-2小時(shí)；<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入N2氣或者Ar氣保護(hù)氣體，使?fàn)t膛的氣壓保持在1-1.25atm，然后在鈰離子摻雜稀土鋁酸鹽晶體CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種元素的一種或三種元素任意比例的組合)的結(jié)晶溫度下，采用提拉法的工藝生長(zhǎng)鈰離子摻雜的稀土鋁酸鹽晶體，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，采用純ReAlO3籽晶(Re代表Y、Lu或Gd)，生長(zhǎng)速度為1-5mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速為15-60RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。
本發(fā)明上述工藝步驟<4>中所述的升溫化料還可以采用石墨加熱，或者W棒加熱等方式進(jìn)行升溫化料；本發(fā)明上述工藝步驟<7>中所述的鈰離子摻雜稀土鋁酸鹽閃爍晶體的結(jié)晶溫度范圍在1800℃-2100℃，結(jié)晶溫度主要取決于稀土鋁酸鹽晶體CexRe(1-x)AlO3中Re所代表的元素不同而不同，一般CexY(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度為1870℃，CexLu(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度為2050℃，CexGd(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度為2070℃。當(dāng)Re表示兩種元素任意比例混合時(shí)，CexRe(1-x)AlO3晶體的結(jié)晶溫度一般介于對(duì)應(yīng)于兩種純鋁酸鹽晶體的熔點(diǎn)溫度之間，例如，Cex(Lu0.8Y0.2)(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度介于1870-2050℃之間；當(dāng)Re表示Y、Lu、Gd這三種元素任意比例混合時(shí)，CexRe(1-x)AlO3晶體的結(jié)晶溫度介于1870-2070℃熔點(diǎn)溫度之間，例如，Cex(Lu0.3Y0.3Gd0.3)(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度介于1870-2070℃之間。
本發(fā)明上述工藝步驟<7>中所述ReAlO3籽晶一般采用a、b、c軸或者其它特殊結(jié)晶方向進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，由于在初始原料中通過(guò)加入強(qiáng)還原性AlN原料，在真空氣氛中將穩(wěn)定的CeO2原料還原為三價(jià)的鈰離子再引入系統(tǒng)鋁酸鹽晶體中。所以本發(fā)明制備的鈰離子摻雜的稀土鋁酸鹽晶體只有三價(jià)的鈰離子，從而大大提高了閃爍晶體的光輸出。采用本發(fā)明制備的Ce3+離子摻雜的稀土鋁酸鹽晶體可以廣泛應(yīng)用于高能物理、核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1制備Ce0.0001Lu0.9999AlO3稀土鋁酸鹽閃爍晶體具體制備工藝步驟如下<1>按上述化學(xué)方程式(3)分別稱取純度為99.999％的干燥的0.49995mol Lu2O3，0.5mol Al2O3，0.00005mol CeO2和0.000017mol AlN原料；
<2>將上述稱取的組分充分混合成均勻的粉料；<3>將混合均勻原料，在1Gpa的壓力下將混合的粉料壓成φ78×10mm3的料餅，在500℃的溫度下燒結(jié)15小時(shí)以除去原料中的有機(jī)物、水及低熔點(diǎn)雜質(zhì)；<4>將燒好的料塊裝入φ80×50mm3的Ir金坩堝內(nèi)，并裝入提拉爐內(nèi)，密封爐膛并抽真空至5×10-3pa。在此真空度下采用中頻感應(yīng)加熱方式以400℃/hr升溫速度進(jìn)行升溫化料；<5>當(dāng)坩堝內(nèi)的料塊升溫到1000℃時(shí)，恒溫2.5小時(shí)；<6>繼續(xù)以400℃./hr的升溫速度升溫至2000℃，待料全部熔化后，為了保證原料的充分反應(yīng)以及混合均勻，再在此溫度范圍內(nèi)恒溫1.5小時(shí)；<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入N2氣，使?fàn)t膛的氣壓保持在1.25atm；然后在結(jié)晶溫度2050℃下，采用b軸向的LuAlO3籽晶，采用提拉法生長(zhǎng)晶體。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度為3mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為30RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。
最后可以獲得φ35×50mm結(jié)晶完整不開(kāi)裂的Ce0.0001Lu0.9999AlO3晶體，晶體無(wú)色透明，可以廣泛應(yīng)用于高能物理核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。
實(shí)施例2制備Ce0.005Y0.995AlO3稀土鋁酸鹽閃爍晶體按照上述實(shí)施例2中工藝步驟<1>按上述化學(xué)方程式(3)分別稱取純度為99.999％的干燥的0.495mol Y2O3，0.5mol Al2O3，0.005mol CeO2和0.0017mol AlN原料；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>和<5>；按上述實(shí)施例2中工藝步驟<6>繼續(xù)以400℃./hr的升溫速度升溫至1900℃，待料全部熔化后，在此溫度范圍內(nèi)恒溫2小時(shí)；按上述實(shí)施例2中工藝步驟<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入Ar氣，使?fàn)t膛的氣壓保持在1atm。然后在結(jié)晶溫度1870℃下，采用b軸向的YAlO3籽晶，采用提拉法生長(zhǎng)晶體。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度為1mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為25RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。最后可以獲得φ35×50mm結(jié)晶完整不開(kāi)裂的Ce0.005Y0.995AlO3晶體，晶體無(wú)色透明，可以廣泛應(yīng)用于高能物理核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。
實(shí)施例3制備Ce0.01Gd0.99AlO3稀土硅酸鹽閃爍晶體按照上述實(shí)施例1中工藝步驟<1>按上述化學(xué)方程式(3)分別稱取純度為99.999％的干燥的0.495mol Gd2O3，0.5mol Al2O3，0.01mol CeO2和0.0033mol AlN原料；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>和<5>；按上述實(shí)施例1中工藝步驟<6>繼續(xù)以400℃./hr的升溫速度升溫至2000℃，待料全部熔化后，在此溫度范圍內(nèi)恒溫1.5小時(shí)；按上述實(shí)施例1中工藝步驟<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入N2氣，使?fàn)t膛的氣壓保持在1.25atm。然后在結(jié)晶溫度2070℃下，采用b軸向的GdAlO3籽晶，采用提拉法生長(zhǎng)晶體。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度為2.5mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為40RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。最后可以獲得φ35×50mm結(jié)晶完整不開(kāi)裂的Ce0.01Gd0.99AlO3晶體，晶體無(wú)色透明，可以廣泛應(yīng)用于高能物理核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。
實(shí)施例4制備Ce0.01Lu0.8Y0.19AlO3稀土鋁酸鹽閃爍晶體按照上述實(shí)施例3中工藝步驟<1>按上述化學(xué)方程式(3)分別稱取純度為99.999％的干燥的0.4mol Lu2O3，0.095mol Y2O3，0.5mol Al2O3，0.01mol CeO2和0.0033mol AlN原料；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>和<5>；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<6>繼續(xù)以400℃./hr的升溫速度升溫至2000℃，待料全部熔化后，在此溫度范圍內(nèi)恒溫2小時(shí)；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入Ar氣，使?fàn)t膛的氣壓保持在1.25atm。然后在結(jié)晶溫度1980℃左右下，采用b軸向的LuAlO3籽晶，采用提拉法生長(zhǎng)晶體。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度為1mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為25RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。最后可以獲得φ35×50mm結(jié)晶完整不開(kāi)裂Ce0.01Lu0.8Y0.19AlO3的晶體，晶體無(wú)色透明，可以廣泛應(yīng)用于高能物理核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中.
實(shí)施例5制備Ce0.05Lu0.7Gd0.25AlO3稀土鋁酸鹽閃爍晶體按照上述實(shí)施例3中工藝步驟<1>按上述化學(xué)方程式(3)分別稱取純度為99.999％的干燥的0.35mol Lu2O3，0.125mol gGd2O3，0.5mol Al2O3，0.05mol CeO2和0.0017mol AlN原料；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>和<5>；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<6>繼續(xù)以400℃./hr的升溫速度升溫至2000℃，待料全部熔化后，在此溫度范圍內(nèi)恒溫2小時(shí)；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入Ar氣，使?fàn)t膛的氣壓保持在1.25atm。然后在結(jié)晶溫度2050℃下，采用b軸向的LuAlO3籽晶，采用提拉法生長(zhǎng)晶體。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度為1mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為25RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。最后可以獲得φ35×50mm結(jié)晶完整不開(kāi)裂Ce0.05Lu0.7Gd0.25AlO3的晶體，晶體無(wú)色透明，可以廣泛應(yīng)用于高能物理核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。
例6制備Ce0.05Y0.5Gd0.45AlO3稀土鋁酸鹽閃爍晶體按照上述實(shí)施例3中工藝步驟<1>按上述化學(xué)方程式(3)分別稱取純度為99.999％的干燥的0.225mol Gd2O3，0.25mol Y2O3，0.5mol Al2O3，0.05mol CeO2和0.0017mol AlN原料；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>和<5>；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<6>繼續(xù)以400℃./hr的升溫速度升溫至2000℃，待料全部熔化后，在此溫度范圍內(nèi)恒溫2小時(shí)；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入Ar氣，使?fàn)t膛的氣壓保持在1.25atm。然后在結(jié)晶溫度1980℃下，采用b軸向的YAlO3籽晶，采用提拉法生長(zhǎng)晶體。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度為1mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為25RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。最后可以獲得φ35×50mm結(jié)晶完整不開(kāi)裂Ce0.05Y0.5Gd0.45AlO3的晶體，晶體無(wú)色透明，可以廣泛應(yīng)用于高能物理核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。
例7制備Ce0.1Lu0.3Y0.3Gd0.3AlO3稀土鋁酸鹽閃爍晶體按照上述實(shí)施例3中工藝步驟<1>按上述化學(xué)方程式(3)分別稱取純度為99.999％的干燥的0.15mol Lu2O3，0.15mol Y2O3，0.15molGd2O3，0.5mol Al2O3，0.1molCeO2和0.033mol AlN原料；重復(fù)上述實(shí)施例1中工藝步驟<2><3><4>和<5>；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<6>繼續(xù)以400℃./hr的升溫速度升溫至2000℃，待料全部熔化后，在此溫度范圍內(nèi)恒溫2小時(shí)；按上述實(shí)施例3中工藝步驟<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入Ar氣，使?fàn)t膛的氣壓保持在1.25atm。然后在結(jié)晶溫度1980℃下，采用b軸向的YAlO3(或LuAlO3、GdAlO3籽晶)籽晶，采用提拉法生長(zhǎng)晶體。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度為1mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速約為25RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。最后可以獲得φ35×50mm結(jié)晶完整不開(kāi)裂Ce0.1Lu0.3Y0.3Gd0.3AlO3的晶體，晶體無(wú)色透明，可以廣泛應(yīng)用于高能物理核物理以及影像核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，該稀土鋁酸鹽晶體的化學(xué)通式為CexRe(1-x)AlO3(0.0001≤X≤0.1)，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種稀土元素的一種或三種元素任意比例的組合，其特征在于該方法的關(guān)鍵是在配制原料的過(guò)程中，引入與CeO2等當(dāng)量的強(qiáng)還原性的AlN原料，在升溫化料以及晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，將CeO2還原成Ce2O3，再與Al2O3和Re2O3等氧化物反應(yīng)，生長(zhǎng)摻三價(jià)鈰離子的稀土鋁酸鹽單晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，其特征在于本方法的包括下列步驟<1>按如下摩爾配比稱取一定量的干燥高純度的Re2O3，Al2O3，CeO2和AlN原料Re2O3∶Al2O3∶CeO2∶AlN＝3(1-x)∶(3-x)∶6x∶2x，(0.0001≤X≤0.1)；<2>將上述稱取的各組分原料充分混合成混合均勻的粉料；<3>在1-5Gpa的壓力下，將混合均勻的粉料壓成圓柱狀的料餅，料餅直徑略小于坩堝容器直徑，在400-500℃的溫度下低溫?zé)Y(jié)10-24小時(shí)；<4>將燒好的料塊裝進(jìn)爐膛中的Ir金坩堝內(nèi)，將爐膛密封并抽真空，真空度為10-3-10-4Pa，在此真空度下采用中頻感應(yīng)加熱方式，以300-500℃/hr升溫速度升溫化料；<5>當(dāng)坩堝內(nèi)的料塊升溫到1000-1200℃時(shí)，恒溫2-3小時(shí)；<6>繼續(xù)以300-500℃./hr的升溫速度升溫至1800-2000℃，待料全部熔化后，再恒溫1-2小時(shí)；<7>向爐膛內(nèi)緩慢充入N2氣或者Ar氣保護(hù)氣體，使?fàn)t膛的氣壓保持在1-1.25atm，然后在鈰離子摻雜稀土鋁酸鹽晶體的結(jié)晶溫度下，采用提拉法的工藝生長(zhǎng)鈰離子摻雜的稀土鋁酸鹽晶體，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，采用純ReAlO3籽晶，生長(zhǎng)速度為1-5mm/hr，晶體轉(zhuǎn)速為15-60RPM。晶體經(jīng)過(guò)下種、縮徑、放肩、等徑、收尾，降溫等程序后，晶體生長(zhǎng)完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，其特征在于所述的升溫化料還可以采用石墨加熱，或者W棒加熱等方式進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，其特征在于步驟<7>中所述的鈰離子摻雜稀土鋁酸鹽閃爍晶體的結(jié)晶溫度范圍在1800℃-2100℃，結(jié)晶溫度主要取決于稀土鋁酸鹽晶體CexRe(1-x)AlO3中Re所代表的元素不同而不同，一般CexY(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度為1870℃，CexLu(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度為2050℃，CexGd(1-x)AlO3的結(jié)晶溫度為2070℃，當(dāng)Re表示兩種元素任意比例混合時(shí)，CexRe(1-x)AlO3晶體的結(jié)晶溫度一般介于對(duì)應(yīng)于兩種純鋁酸鹽晶體的熔點(diǎn)溫度之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，其特征在于步驟<7>中所述的ReAlO3籽晶一般采用a、b、c軸或者其它特殊結(jié)晶方向進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。
全文摘要
一種摻三價(jià)鈰離子稀土鋁酸鹽晶體的制備方法，該稀土鋁酸鹽晶體的化學(xué)通式為Ce
文檔編號(hào)C30B29/24GK1563514SQ200410016970
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者趙廣軍, 介明印, 徐軍, 張連翰, 何曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所