[发明专利]铈掺杂硅酸镥球形发光粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铈掺杂硅酸镥球形发光粉体及其制备方法。

背景技术

铈掺杂硅酸镥（Lu₂SiO₅:Ce，LSO:Ce）是一种综合性能优良的闪烁材料，其密度为7.4g/cm³，光产额高达27,300photons/MeV，衰减时间仅为40ns，非常适合用作核医学成像中的X-射线断层扫描（X-CT）机和正电子发射断层扫描（PET）机中的探测器材料。经过近二十年的研究和开发，LSO:Ce单晶生长技术取得了一定的进展，某些科研机构(如四川压电与声光技术研究所、中科院上海硅酸盐所)和公司（Saint-Gobain，苏州晶体晶体科技有限公司）已能生长出大尺寸的单晶，但是由于Ce在LSO的分凝系数很小(~0.22)，导致生长的LSO晶体中Ce³⁺离子分布极不均匀，在晶体底部浓度远高于顶部，以致底部材料的光输出是顶部的2~5倍，而衰减时间则从41ns增加到50ns，能量分辨率的变化则更大，并且不同实验室所测值均有差异，可从7%变化到17%，导致经过复杂工艺生长得到的晶体只有一部分可使用。此外，LSO的熔点高达2150℃，如此高的生长温度对生长设备提出了严重挑战，主要表现在铱坩埚中的铱特别容易挥发或被熔蚀到熔体中，这不仅增加了生长成本，而且挥发出的铱金颗粒容易进入晶体中形成光散射中心。其次，高温导致保温材料的损耗非常大，也使所生长晶体热应力较大，容易引起晶体开裂。

由于LSO:Ce单晶存在上述问题，越来越多的科研工作者开始关注硅酸镥发光粉体和多晶陶瓷的制备，特别是透明陶瓷，被看作是单晶的替代者。而粉体的形貌，粒径大小等对于透明陶瓷的制备有着至关重要的影响。另外，目前LSO单晶制备主要提拉法，在单晶生长之前需要预先合成硅酸镥粉体，传统的方法是采用固相烧结，这种方法是用氧化镥和二氧化硅二种固相颗粒作为起始反应物，由于两种物质的密度差别大，最终导致二种物质的混合均匀性差，硅酸镥粉体中氧化镥残余严重，另外固相法合成温度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铈掺杂硅酸镥球形发光粉体的制备方法。

本发明主要以氧化镥，氯化铈，正硅酸四乙酯为原料，异丙醇（分析纯）为液相介质，环氧丙烷（分析纯）为反应助剂，采用溶胶-凝胶法制备了分散的溶胶，通过喷雾干燥造粒工艺和煅烧工艺制备铈掺杂硅酸镥发光粉体。

一种铈掺杂硅酸镥球形发光粉体，其特征在于该粉体的化学式为：(Lu_1-xCe_x)2SiO₅，其中x=0.001~0.05。

一种制备上述的铈掺杂硅酸镥球形发光粉体的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.将LuCl₃，CeCl₃溶液和正硅酸四乙酯溶于异丙醇中，以环氧丙烷为反应助剂，用量为Lu原子摩尔量的10-20倍，采用溶胶-凝胶法制备了均匀分散的硅酸镥前驱体溶胶；

b.将步骤a所得硅酸镥前驱体溶胶110-150℃温度下热风干燥后，其中粒径≥5um的较大颗粒粉体被干燥室下方的集料瓶所收集，而粒径<5um的较小的颗粒随热风一起进入旋风分离器后，被细颗粒集料瓶所收集；

c.将步骤b所收集到的较小颗粒在1000~1300℃温度下煅烧2-4小时，自然冷却得到铈掺杂硅酸镥球形发光粉体。

所述的步骤b的热风干燥法采用喷雾干燥法，其具体步骤为：通过蠕动泵将前驱溶胶吸入喷嘴中，喷嘴与空气压缩机相连接，用0.3MPa的空气压力将前驱体溶胶喷入干燥室中，同时向干燥室中吹入温度为110-150℃热风，经干燥后，大颗粒粉体被干燥室下方的集料瓶所收集，而较小的颗粒的物料则随热风一起进入旋风分离器后，被细颗粒集料瓶所收集。

本发明一种制备铈掺杂硅酸镥球形发光粉体的方法，具有以下优点：

（1）在该溶胶-凝胶工艺中会产生两种副产物，1-氯-2丙醇和2-氯-1丙醇，它们的粘度非常大，沸点高于127℃，普通的干燥方法难以将其去除，而喷雾干燥法则可以非常有效地除去这两种氯丙醇。

（2）喷雾干燥不但可以得到球形颗粒的粉体，而且干燥效率高，尤其对于悬浮液中含有高沸点物料的干燥。

（3）在1100℃该温度下可以得到单一相的B型LSO（B-LSO）粉体。该合成温度比文献中所报道的固相反应法合成LSO的温度低200℃，比其他液相法制备LSO的温度也低100℃。