[发明专利]硅锗酸铋混晶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型闪烁晶体硅锗酸铋（Bi₄Si_3-xGe_xO₁₂,BSGO）混晶及其制备方法，属于晶体生长领域。

背景技术

无机闪烁晶体是一类重要的功能材料，主要用于X射线、γ射线及其它高能粒子的探测，广泛应用于核医学成像、核物理探测、空间物理探测、安全检查、地质勘探及工业生产领域。锗酸铋(Bi₄Ge₃O₁₂，BGO)晶体和钨酸铅（PbWO₄，PWO）晶体都是著名的闪烁晶体，被成功用于大型电磁量能器和医学成像设备PET等。这两种晶体也有它们的不足：BGO晶体衰减时间较长，晶体组成中GeO₂价格昂贵，从而限制了它的应用；而PWO光输出比较低，无法用于PET等更广泛的领域。

硅酸铋（Bi₄Si₃O₁₂，简称BSO）与锗酸铋（BGO）晶体结构相同，性能相近。BSO晶体衰减时间为100ns，比BGO晶体的300ns快很多；BSO光输出虽然只有BGO的20%，但比PWO晶体要高出好几倍。此外，BSO晶体还具有原料成本低、机械性能好和化学稳定性高等优点，是一种很有发展前途的闪烁材料。由于Bi₂O₃与SiO₂的熔点相差很大，BSO在结晶过程中很容易析出低熔点相，高质量晶体难以生长，而BGO是一致融熔的稳定化合物，比较容易生长。

硅锗酸铋（BSGO）混晶是一种新型的闪烁材料，它兼具BSO和BGO两者的性能，其光输出要大于BSO，同时衰减时间明显比BGO快，因此BSGO混晶的综合闪烁性能更优越，有利于拓宽BSO和BGO 在高能物理、核医学成像等领域的应用；BSGO混晶的结晶习性与BSO和BGO都有所不同，BSO中添加BGO成分可以改善BSO的结晶习性，提高晶体质量。另外，BSGO混晶减少了高纯GeO₂的用量，将极大地降低生产成本。

目前，关于BSO和BGO晶体主要通过提拉法和垂直布里奇曼法生长，而BSGO混晶的研究则比较少，更没有关于该晶体的专利。提拉法生长BSO和BGO晶体的主要问题是坩埚敞开，低熔点的Bi₂O₃容易挥发，熔体组分偏离严重，导致晶体成品率低且易出现包裹、色芯等宏观缺陷；垂直布里奇曼法的主要好处是晶体的形状和组分可控，而且采用多坩埚技术还可实现批量生产。

发明内容

BGO晶体已被应用于高能物理、核医学成像等领域，但是有2个问题限制了它更广泛的应用：1、衰减时间慢；2、GeO₂成本高，是SiO₂的10倍。如果采用BSO替代，不仅降低成本，而且提高衰减时间。但是BSO存在光输出较低的问题。

本发明的目的之一是为了兼顾以上两种晶体的性能，提出一种新型的硅锗酸铋混晶。

本发明的目的之二是提供一种新型的硅锗酸铋混晶的垂直布里奇曼生长法。

本发明的技术方案

一种新型硅锗酸铋（BSGO）混晶，其分子式为Bi₄Si_3-xGe_xO₁₂，其中X的变化范围是0.01～2.99。

上述的一种新型硅锗酸铋（BSGO）混晶的制备方法，包括如下步骤：

（1）、采用高纯的Bi₂O₃、SiO₂和GeO₂为初始原料，按照分子式Bi₄Si_3-xGe_xO₁₂中的各元素化学组成进行准确配料，将初始原料充分混合均匀；混合后的初始原料在650-750℃预烧6-10h，随后将初始原料进行研磨，颗粒度控制在700nm以下，在800-850℃预烧8-12h，得到组分均匀的BSGO固溶体多晶原料；

（2）、将BGO或BSO或BSGO籽晶经X射线定向仪精确定向，切割、研磨成直径10～20mm的籽晶；

所述的籽晶的取向为<001>，还可以为<110>或其它方向；

所述籽晶的截面形状可以为圆形、长方形或正方形；