[发明专利]一种生长三价铈离子掺杂硅酸钇镥闪烁晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提拉法拉制Ce³⁺掺杂硅酸钇镥晶体的工艺方法，属于晶体生长和电子控制技术领域。 

背景技术

无机闪烁晶体由于对高能射线（X射线、γ射线等）的吸收能力强、探测效率高以及抗辐射硬度高，被广泛地应用于各种放射线探测领域，如核医学、核物理、安全检查、极端条件应用以及工业无损探伤等。材料体系主要包括Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)、PbWO₄(PWO)、CsI(TI)、NaI(TI)、BaF₂、Lu₂SiO₅(LSO)和硅酸钇镥(LYSO)等。 

硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体被认为是综合性能最好的无机闪烁晶体材料，其有效原子序数为64，密度为7.1g/cm3，光输出可达38000Mev，其光产额是BGO单晶的4～5倍，铊掺杂NaI(TI)的75%，发光时间衰减仅为40ns，远优于NaI(TI)的230ns、BGO的300ns和CsI(TI)的700ns。它最大的应用领域是整个大生命学科所使用的PET（正电子发射计算机断层成像装置）。对于一台PET/CT来说，PET是最重要的部分，尤其是PET探测器中的闪烁晶体，是评价关键指标之一，直接决定着PET的性能。为此，西门子、飞利浦、GE公司三大巨头的PET/CT经历了从碘化钠晶体(NaI(TI))向锗酸铋晶体(BGO)，再向硅酸镥晶体（LSO）或硅酸钇镥晶体(LYSO)的更替。 

近十几年来，LYSO晶体的制备方法已经取得了巨大的进展，已发展出了提拉法、坩埚下降法、激光加热底座法（LHPG法）和浮区法等行之有效的制备方法。与其他方法相比，提拉法具有以下优点：在生长过程中，可方便地观察晶体生长状况；晶体在熔体表面生长，不与坩埚接触，能有效地减小晶体应力，防止坩埚壁的寄生成核；可以方便地运用定向籽晶，提高晶体的完整性；可以方便地根据晶体生长需要设计合理的生长系统，精确而稳定的控制温度。从LYSO的物理化学性质来看，其结构属于单斜晶系，在不同方向上存在较大的各向异性，各向的膨胀系数不一样，高质量大尺寸的LYSO晶 体制备困难，制备成本高。此外，Ce在熔体中的分凝系数小，也限制了其在大尺寸LYSO晶体中的均匀分布，易发生样品开裂和杂相的出现。况且LYSO晶体属于含氧酸盐，存在氧空位、氧缺陷的问题，再加上Ce离子存在Ce³⁺和Ce⁴⁺两种形式，氧含量的不同，Ce³⁺和Ce⁴⁺所占比例就不同，而在LYSO体系中，Ce⁴⁺价不发光，只有Ce³⁺发光，所以氧含量对晶体的发光强度起着至关重要的作用。氧的含量没有控制好，晶体容易出现开裂现象，也容易出现晶体变黄和衰减猝灭现象。采用提拉法能有效地实现上述条件的控制，从而较易地获得高质量的晶体。 

在目前有关LSO/LYSO闪烁晶体的报道的专利和文献中，而且大多被国外垄断（主要是西门子、飞利浦和GE公司），在氧含量控制上的专利更是屈指可数，如CN200580006294.8报道了采用高温氧扩散来补充氧，但不能精确控制，只能通过目测晶体颜色来判断，晶体生长时间长，温度高，通过目测的方式控制氧含量，这方面有待进一步改进；又如CN201110417562.2报道了将已经制备的晶体放入高温炉中在中性气氛下退火，可使得晶体颜色由黄色变透明或无色，这不仅使得工艺复杂，增加成本，而且在前面长晶过程中没有严格控制好氧含量，也存在增加了晶体开裂的风险。 

本发明拟在已有技术的基础上，针对氧含量控制的问题，尤其是使用了特别改进的晶体炉，可在晶体生长前期进行高温氧扩散，补充氧含量，减少氧缺陷；在晶体生长后期充入还原性气体或中性气体对晶体还原，能有效的平衡氧含量，获得高质量的LYSO晶体，而且成功率大增，目前国内LYSO晶体存在的重要问题是晶体成品率不高，易开裂。 

发明内容

本发明的目的是提供一种生长Ce³⁺掺杂硅酸钇镥闪烁晶体的方法，为了达到发明的目的首先使用了结构更简单的适用于LYSO单晶生长的长晶炉，在使用中可实现高温氧扩散和还原性气氛下实行原位退火，不仅能保证晶体的质量，而且相对于现已公开的专利，本发明解决了晶体生长过程中易开裂、易变黄的问题，从而提高了LYSO晶体的发光强度，简化了工艺步骤，有效降低了成本。 

本发明的技术解决方案如下：