CN1283852C - 硅酸钆闪烁晶体的生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅酸钆闪烁晶体的生长方法，主要是用和硅酸钆晶体相近结构的硅酸镥、硅酸钇以及硅酸镥钇晶体，化学通式为(Lu1-xYx)2SiO5(0≤x≤1)做籽晶，通过选择合适的下种温度，一般在2200-1980℃范围内，可以生长不开裂的硅酸钆晶体。本发明解决了籽晶加工时的开裂问题，又很好地解决了晶体生长时从籽晶处开裂或断裂问题，极大地提高了生长硅酸钆闪烁晶体的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及硅酸钆闪烁晶体，特别涉及采用硅酸镥、硅酸钇、或者硅酸镥钇(化学通式为(Lu1-xYx)2SiO5(0≤x≤1))籽晶生长掺铈硅酸钆闪烁晶体的生长方法。所生长的Ce:GSO晶体可以广泛应用于高能物理、核物理、核医学、油井探测以及安全检测等领域。
背景技术
硅酸钆(Gd2SiO5，或GSO)是一种优良的发光基质晶体材料，稀土离子掺杂的GSO单晶具有较好的发光性能。例如稀土铈离子(Ce)掺杂的GSO晶体(Ce:GSO)就是一种性能优良的新型高温闪烁晶体，该晶体具有高光输出(8000Ph/MeV)、快时间衰减(60ns)、大有效原子序数(Z＝59)和高密度(ρ＝6.71g/cm3)等特性，同时Ce:GSO晶体的抗辐照能力强，也不易潮解。因此，Ce:GSO在高能核物理、影像核医学(PET)、油井勘测、工业在线检测以及安全检查等领域有着广泛的应用前景。
硅酸钆晶体属于一致熔融化合物，熔点约为1950℃，因此通常采用感应加热铱坩埚提拉法生长掺杂GSO单晶体。由于硅酸钆晶体属于P21/c结构，沿(100)面解理，并且硅酸钆有非常严重的各向异性(热胀系数b轴是a和c轴的两倍)(参见Journal of Crystàl Growth 109(1991)第386页)。所以，在提拉法生长GSO晶体过程中以及后续晶体加工过程中很容易出现晶体开裂、解理等，从而增加了晶体生长和加工的难度，降低了生产成品率(参见Kurata等人申请的美国专利，专利号5,667,583)。
在先技术中，为了克服GSO晶体的解理开裂，常常采用不同方向的GSO晶体作为籽晶进行晶体生长。例如，采用与[010]轴成60度角，与[001]轴成30度角，并与(100)解离面平行的籽晶可以生长无开裂的GSO晶体(参见Kurata等人申请的日本专利，专利号：07-267782)。但是，在先技术中还是采用GSO晶体作为籽晶，具有下列缺点：
一方面在加工不同轴向的GSO籽晶的过程中，由于机械振动等很容易造成籽晶的解理开裂甚至粉碎，加工籽晶难度大；
另一方面，在采用GSO籽晶生长晶体的过程中，固液界面以及炉膛内的温度波动形成的微小热冲击均易造成晶体籽晶的开裂和断裂，以致生长的GSO的晶体与籽晶脱落。另外，在晶体生长结束降温至室温时，炉膛内的温度波动也会造成籽晶的解理、开裂而影响与籽晶相连的GSO晶体的质量。上述缺点均会使生长GSO晶体的成品率低，晶体生产成本高等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
解决不同方向的硅酸钆GSO籽晶难加工；
晶体生长时生长界面温度波动造成的籽晶开裂；
晶体生长过程中温度波动造成的籽晶开裂，晶体脱落；
降温过程中温度梯度过大造成的籽晶断裂；
从而提供一种硅酸钆闪烁晶体的生长方法，以生长无开裂的硅酸钆闪烁晶体
本发明的技术解决方案是：用和GSO晶体相近结构的硅酸镥、硅酸钇以及硅酸镥钇晶体，化学通式为(Lu1-xYx)2SiO5(0≤x≤1)做籽晶，通过调节下种的温度，一般在2200-1980℃范围内，随上式中x的增加而减小，将籽晶和熔体接触，以生长不开裂的掺铈GSO晶体。
硅酸镥、硅酸钇以及硅酸镥钇晶体均属于C2/c结构，和GSO晶体同属于单斜晶系，不解理，不易开裂，容易加工成任意方向任意形状的籽晶。另一方面，硅酸镥钇晶体的熔点与GSO较为相近(前者在2200℃-1980℃范围内，后者约为1950℃)，同时，GSO与硅酸镥(LSO)、硅酸钇(YSO)以及硅酸镥钇等晶体可以形成共熔化合物晶体，也就是硅酸镥钇晶体可以充当GSO晶体的籽晶。所以，采用上述硅酸镥钇籽晶可以和GSO进行较好的熔接，经过晶种淘汰可以生长高质量的GSO单晶体。而且，硅酸镥、硅酸钇以及硅酸镥钇晶体的抗热冲击性能较好，在GSO晶体生长过程中以及生长结束后上述籽晶(Lu1-xYx)2SiO5(0≤x≤1)均能抗热冲击，所以晶体不易产生开裂断裂等问题。
下面以提拉法为例阐述采用硅酸镥钇籽晶生长Ce:GSO晶体的具体步骤：
(1)制作硅酸镥钇(Lu1-xYx)2SiO5(0≤x≤1)籽晶，籽晶方向可以为[010]、[100]或[001]等，形状可以为圆柱形或者长条形，尺寸根据籽晶夹具进行加工，并将加工好的上述籽晶装入籽晶夹中；
(2)将预先配制好的Ce:GSO多晶原料装入铱坩埚或钼坩埚内，并装入提拉炉内，采用中频感应加热方法在中性气氛或还原性气氛中将坩埚中的原料完全熔化；
(3)根据籽晶(Lu1-xYx)2SiO5(0≤x≤1)中x的大小，在2200℃-1980℃范围内选择下种温度，随着x含量的增大下种温度减小。合适的下种温度以籽晶不快速长大和不快速熔化为准；
(4)在合适的下种温度下，将籽晶和熔体接触，浸泡0.5-2小时，平衡后，设定缓慢的降温程序5-100℃/小时，开始提拉生长Ce:GSO晶体，通过淘汰晶种方法，最终结晶出单相的Ce:GSO单晶体；
(5)晶体通过放肩、等径生长达到预定尺寸后，晶体生长结束。缓慢降温至室温，可以获得不开裂的Ce:GSO闪烁晶体。
采用硅酸镥钇籽晶生长Ce:GSO晶体，不仅适用于上述提拉法生长、而且适合于其它的生长方法，特别象温度梯度法、坩埚下降法等从熔体中生长晶体的技术中。
本发明与在先技术相比的优点是：用硅酸镥钇晶体作为生长硅酸钆时的籽晶，一方面避免了籽晶加工时的开裂问题，又很好地解决了晶体生长时各种温度波动造成的籽晶处开裂或断裂问题，极大地提高了生长晶体的成品率。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：用硅酸镥Lu2SiO5籽晶生长硅酸钆Ce:GSO晶体
按上述提拉法生长
步骤(1)制作Lu2SiO5籽晶，籽晶方向为b轴([010]方向)，尺寸为φ4×60mm，并将籽晶装入籽晶夹中；
步骤(2)采用中频感应加热铱坩埚提拉法生长硅酸钆晶体，Ir坩埚尺寸为Φ80×60mm。将预先烧结好的Ce:GSO多晶料装入Ir坩埚内并置于提拉炉中，在N2气保护气氛中升温至熔体完全熔化；
步骤(3)：将下种温度调节至2200℃左右；
步骤(4)：将Lu2SiO5籽晶与熔体接触，浸泡0.5小时，按100℃/H速度降温，进行缩颈生长(拉速1-5mm/h，转速15-50RPM)；
按步骤(5)进行晶体放肩、等径生长，达到预定尺寸Φ30×60mm后，晶体生长结束。缓慢降温至室温，取出Ce:GSO晶体，晶体透明、完整、不开裂。
实施例2：用硅酸镥钇(Lu0.5Y0.5)2SiO5籽晶生长硅酸钆Ce:GSO晶体
按上述实施例1中步骤(1)加工(Lu0.5Y0.5)2SiO5籽晶，并装入籽晶夹中；按上述实施例1中步骤(2)在Ar气和1vol％H2的混合还原性气氛中，将预先烧结好的Ce:GSO多晶料完全在Mo坩埚内完全熔化；按实施例1中步骤(3)调节下种温度约为2000℃；按实施例1中步骤(4)将(Lu0.5Y0.5)2SiO5籽晶与熔体接触，浸泡1小时，采用50℃/H速度降温开始提拉生长；按实施例1中步骤(5)晶体生长达预定尺寸Φ30×60mm后，晶体生长结束。缓慢降温至室温，取出Ce:GSO晶体，晶体透明、完整、不开裂。
实施例3：用硅酸钇Y2SiO5晶体籽晶生长硅酸钆Ce:GSO晶体
步骤(1)加工Y2SiO5籽晶，并装入籽晶夹中；
步骤(2)在Ar气气氛中，将预先烧结好的Ce:GSO多晶料放在Ir坩埚内熔化；
步骤(3)调节下种温度约为1980℃；
步骤(4)将Y2SiO5籽晶与熔体接触，浸泡1小时，采用100℃/H速度降温开始提拉生长；
步骤(5)晶体生长达预定尺寸Φ30×60mm后，晶体生长结束，缓慢降温至室温，取出Ce:GSO晶体，晶体透明、完整、不开裂。
Claims (3)
1、一种硅酸钆闪烁晶体的生长方法，其特征是用和硅酸钆晶体相近结构的硅酸镥、硅酸钇以及硅酸镥钇晶体，化学通式为(Lu1-xYx)2SiO5 0≤x≤1做籽晶，通过选择合适的下种温度，在2200-1980℃范围内，将籽晶和熔体接触，开始生长不开裂的掺铈硅酸钆晶体。
2、根据权利要求1所述的硅酸钆闪烁晶体的生长方法，其特征是具体步骤如下：
(1)制作硅酸镥钇(Lu1-xYx)2SiO5 0≤x≤1籽晶：籽晶方向可以为[010]、[100]或[001]，形状可以为圆柱形或者长条形，将加工好的籽晶装入籽晶夹中；
(2)将预先配制好的Ce:GSO多晶原料装入铱坩埚或钼坩埚内，再装入提拉炉内，采用中频感应加热方法在中性气氛或还原性气氛中将坩埚中的原料完全熔化；
(3)根据籽晶(Lu1-xYx)2SiO5 0≤x≤1中x的大小，在2200℃-1980℃范围内选择合适的下种温度；
(4)在合适的温度下，将籽晶和熔体接触，浸泡0.5-2小时，热平衡后，设定缓慢的降温程序5-100℃/小时，开始提拉生长Ce:GSO晶体，最终结晶出单相的Ce:GSO单晶体；
(5)晶体通过放肩、等径生长，达到预定尺寸后，晶体生长结束；缓慢降温至室温，取出GSO闪烁晶体。
3、根据权利要求1所述的硅酸钆闪烁晶体的生长方法，其特征在于该晶体的生长方法为温度梯度法或坩埚下降法。
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