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CN109988577B - 稀土卤化物闪烁材料及其应用 - Google Patents

稀土卤化物闪烁材料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种稀土卤化物闪烁材料及其应用。该稀土卤化物闪烁材料的化学通式为REaCebX3，其中RE为稀土元素La、Gd、Lu或Y，X为卤素Cl、Br及I中的一种或两种，0≤a≤1.1，0.01≤b≤1.1，且1.0001≤a+b≤1.2。通过采用同组分的+2价稀土卤化物作为掺杂剂代替现有技术中的异质碱土金属卤化物进行掺杂，使得稀土卤化物闪烁材料中卤素离子相对短缺，稀土离子的表观价态介于+2和+3价之间，属于一种非整比化合物，但仍保持原整比化合物的晶体结构，且具有比整比化合物更优异的能量分辨率和能量响应线性。

Description

稀土卤化物闪烁材料及其应用
技术领域
本发明涉及无机闪烁材料领域，具体而言，涉及一种稀土卤化物闪烁材料及其应用。
背景技术
闪烁材料可用于α射线、γ射线、X射线等高能射线以及中子等高能粒子的探测，在核医学、高能物理、安全检查、石油测井等领域均有广泛应用。
闪烁材料通常以单晶体的形式应用，在部分情况下也可以是陶瓷或其他形式。不同的应用领域对闪烁材料的性能要求不尽相同。但对大多数应用领域而言，都希望闪烁材料具有尽量高的光产额、尽量短的衰减时间和尽量高的能量分辨率。特别是对于正电子发射断层扫描仪(positron emission tomography，PET)之类的核医学成像装置而言，这些参数对成像质量至关重要。
E.V.D.van Loef等人于2001年公开的LaBr3:Ce晶体，具有很高的光输出(>60000ph/MeV)、很短的衰减时间(<30ns)和很高的能量分辨率(约3％@662keV)，是一种性能极为优异的闪烁材料。已公开的其它稀土卤化物闪烁晶体还包括：CeBr3、LaCl3:Ce、LuI3:Ce、YI3:Ce、GdI3:Ce，它们也都具有优异的闪烁性能。
然而，现有的些稀土卤化物闪烁晶体均为整比化合物，这些化合物当中的稀土离子均呈稳定的+3价。
采用碱土金属离子进行掺杂，可以进一步改善LaBr3:Ce晶体的能量分辨率和能量响应线性。但由于碱土金属离子与稀土离子同时存在半径和价态差异，这种掺杂易于引发晶体生长缺陷，且掺杂浓度较为有限。采用卤素离子与碱土金属离子共掺，可以有效解决这一问题，提高碱土金属离子的掺杂浓度并减少晶体生长缺陷。但该方案也有其缺点，即组分较为复杂，会因不同离子的分布不均匀而造成晶体闪烁性能的一致性欠佳。
掺杂的LaBr3:Ce晶体中稀土离子和碱土金属离子分别呈稳定的+3价和+2价，同样是整比化合物。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种稀土卤化物闪烁材料及其应用，以提升现有稀土卤化物闪烁材料的性能。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种稀土卤化物闪烁材料，该稀土卤化物闪烁材料的化学通式为REaCebX3，其中RE为稀土元素La、Gd、Lu或Y，X为卤素Cl、Br及I中的一种或两种，0≤a≤1.1，0.01≤b≤1.1，且1.0001≤a+b≤1.2。
进一步地，RE为La，X为Br。
进一步地，RE为La，X为Cl。
进一步地，RE为Gd、Lu或Y，X为I。
进一步地，0.9≤a≤1.1，0.02≤b≤0.2，且1.0001≤a+b≤1.1。
进一步地，a＝0，1.0001≤b≤1.1。
进一步地，稀土卤化物闪烁材料为单晶体。
进一步地，稀土卤化物闪烁材料采用布里奇曼法生长获得。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种闪烁探测器，闪烁探测器包括闪烁材料，闪烁材料采用上述任一种稀土卤化物闪烁材料。
根据本发明的另一方面，提供了包含上述闪烁探测器的正电子发射断层扫描仪、伽马能谱仪、石油测井仪或岩性扫描成像仪。
应用本发明的技术方案，通过采用同组分的+2价稀土卤化物(如LaBr2)作为掺杂剂代替现有技术中的异质碱土金属卤化物(如SrBr2)进行掺杂，不仅能够获得同样的掺杂效果，而且能有效避免因异质碱土金属离子引入而带来的分凝不均等问题。本发明的稀土卤化物闪烁材料中卤素离子相对短缺，稀土离子的表观价态介于+2和+3价之间，属于一种非整比化合物，仍保持原整比化合物的晶体结构，但具有比整比化合物更优异的能量分辨率和能量响应线性。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种稀土卤化物闪烁材料，该稀土卤化物闪烁材料的化学组成具有如下通式：REaCebX3，其中RE为稀土元素La、Gd、Lu或Y，X为Cl、Br及I中的一种或两种，0≤a≤1.1，0.01≤b≤1.1，且1.0001≤a+b≤1.2。
本发明的上述稀土卤化物闪烁材料，通过采用同组分的+2价稀土卤化物(如LaBr2)作为掺杂剂代替现有技术中的异质碱土金属卤化物(如SrBr2)进行掺杂，不仅能够获得同样的掺杂效果，而且能有效避免因异质碱土金属离子引入而带来的分凝不均等问题。本发明的稀土卤化物闪烁材料中卤素离子相对短缺，稀土离子的表观价态介于+2和+3价之间，属于一种非整比化合物，仍保持原整比化合物的晶体结构，但具有比整比化合物更优异的能量分辨率和能量响应线性。
优选地，RE和X的组合为以下组合中的任意一种：La和Br、La和Cl、Gd和I、Lu和I、Y和I。上述组合的稀土卤化物比其他组合的稀土卤化物具有更优异的性能。同一种稀土元素与不同卤素离子所形成的闪烁材料的闪烁性能存在差异。例如，Ce3+激活的卤化镧当中，LaBr3具有很高的光产额，LaCl3的光产额也比较高，但明显低于LaBr3，而LaI3室温下基本不发光。Ce3+激活的Gd、Lu、Y的碘化物的光产额，也明显高于其相应的溴化物和氯化物。因此，La和Br、La和Cl、Gd和I、Lu和I、Y和I的优选组合的综合闪烁性能最好，兼具高光产额、高能量分辨率和快衰减的特点。
需要说明的是，非整比卤化物中稀土离子与卤素离子的比例仅限于一个较小的范围。本发明中，稀土离子的取值范围是1.0001≤a+b≤1.2，优选的范围是1.0001≤a+b≤1.1。过高的稀土离子占比将导致晶体光产额下降、晶体生长缺陷增多等一系列问题，这可能与卤素离子空位增多、晶体的能带结构发生变化及物相偏析有关。进一步优选，0.9≤a≤1.1，0.02≤b≤0.2，且1.0001≤a+b≤1.1，或a＝0，1.0001≤b≤1.1。从产品综合性能角度考虑，本发明的稀土卤化物闪烁材料中稀土离子的占比在上述优选范围内。
上述稀土卤化物闪烁材料的形态是粉末、陶瓷或单晶，优选以单晶体形态应用，单晶体采用布里奇曼法生长获得。
本发明还涉及包含上述稀土卤化物闪烁材料的闪烁探测器以及包含该闪烁探测器的正电子发射断层扫描仪、伽马能谱仪、石油测井仪或岩性扫描成像仪。采用本发明的上述稀土卤化物闪烁材料的相关设备晶体闪烁性能一致性较高。
需要说明的是，本发明提供的稀土卤化物闪烁材料为非整比化合物，即稀土离子的表观价态不是通常的+3价，而介于+2价和+3价之间。本发明正是通过调整稀土离子与卤素离子的比例，实现对稀土卤化物闪烁材料的闪烁性能一致性的提升。
本发明起初是对LaBr3:Ce的掺杂改性方案进行研究，以解决现有掺杂方案中卤素离子与碱土金属离子共掺所带来的组分过于复杂、晶体生长困难及闪烁性能一致性欠佳的问题。碱土金属离子掺杂改善LaBr3:Ce晶体闪烁性能的作用机理目前尚不十分清楚，一般认为与+2价碱土离子掺杂引起晶体中部分Ce3+向Ce4+发生价态转变有关。发明人提出，采用同组分的+2价稀土卤化物(如LaBr2)作为掺杂剂代替异质碱土金属卤化物(如SrBr2)进行掺杂，理论上应可以获得同样的掺杂效果，并有效避免因杂质离子引入而带来的分凝不均等问题。这样获得的稀土卤化物，卤素离子相对短缺，稀土离子的表观价态将介于+2和+3价之间，因此属于一种非整比化合物。
由于LaBr2这样的非稳定价态的+2价稀土卤化物通常很难获得，在实际操作中，本发明采用另一种等价方案进行代替，即通过向稳定的整比稀土卤化物(如LaBr3)中添加少量的稀土金属(如La)并通过高温熔融处理得到成分均一的目标非整比稀土卤化物。由于整比稀土卤化物和稀土金属都有成熟的生产方法，市场上很容易买到，该替代方案具有较低的成本和可操作性。
根据本发明的一个实施例，本发明所获得的非整比溴化镧晶体具有极佳的闪烁性能，综合性能明显优于常规的不掺杂溴化镧晶体，优于碱土金属掺杂和碱土金属、卤素离子共掺的溴化镧晶体，具体体现在晶体的光产额有一定的提升，衰减时间有较明显缩短，能量分辨率也有一定改善。这可能是与非整比晶体中的卤素离子空位有关。一方面，卤素离子空位贡献的缺陷能级可能使晶体的带隙减小，从而造成晶体光产额的提升；另一方面，卤素离子空位使晶体中更易于形成Ce4+，从而缩短发光衰减时间。此外，相比掺杂的溴化镧晶体，非整比晶体不存在杂质分凝的问题，均匀性大大改善，同时生长过程中也不会因杂质富集而引发包裹体和开裂等晶体缺陷，使晶体的成品率明显提高，从而有效较降低晶体的生产成本。
将本发明的技术思路应用到其它的稀土卤化物闪烁材料，发现也都具有良好的实施效果。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明的有益效果。
需要说明的是，以下实施例和对比例中，光产额及能量分辨率通过基于137Cs放射源的多道能谱检测获得，衰减时间通过X射线荧光光谱检测获得。
对比例1：
在Ar气氛保护的手套箱中准确称取119.89g无水LaBr3(纯度为99.99％，即LaBr3的质量含量为99.99％，以下纯度的含义与此相同)和6.33g无水CeBr3(纯度为99.99％)，混合均匀后装入直径25mm的石英坩埚中。将石英坩埚从手套箱中取出后迅速接入真空系统抽真空，当真空度达到1×10-3Pa时烧熔封口。将坩埚置于布里奇曼晶体炉中进行单晶生长。高温区温度为850℃，低温区温度为700℃，梯度区温度梯度约10℃/cm，坩埚下降速率为0.5～2mm/h，总生长时间约15天。所得晶体透明无色，长度约5cm。将晶体在手套箱中切割加工成Φ25mm×25mm的圆柱状样品，进行光产额、衰减时间及能量分辨率的测试。
对比例2：
在Ar气氛保护的手套箱中准确称取119.89g无水LaBr3(纯度为99.99％)、6.33g无水CeBr3(纯度为99.99％)和0.041g无水SrBr2(纯度为99.99％)，混合均匀后装入直径25mm的石英坩埚中。其余操作均与对比例1相同。
对比例3：
在Ar气氛保护的手套箱中准确称取119.89g无水LaBr3(纯度为99.99％)、6.33g无水CeBr3(纯度为99.99％)和0.048g无水SrCl2(纯度为99.99％)，混合均匀后装入直径25mm的石英坩埚中。其余操作均与对比例1相同。
实施例1：
在Ar气氛保护的手套箱中准确称取119.89g无水LaBr3(纯度为99.99％)、6.33g无水CeBr3(纯度为99.99％)和1.852g金属La(纯度为99.99％)，混合均匀后装入直径25mm的石英坩埚中。其余操作均与对比例1相同。
实施例2-13除原料配比不同外，其余操作均与实施例1相同。
所有实施例和对比例的详细对比情况见表1。
表1：
Figure GDA0002192900670000051
从以上的描述中可以看出，相对于无掺杂或碱土金属掺杂、碱土金属与卤素离子共掺的同成分晶体，本发明的非整比晶体均具有极为优异的闪烁性能，体现出了较明显的性能优势。在保证材料高性能的同时，可使材料的组成得到了显著简化，从而有助于获得一致性良好的高质量闪烁晶体。上述的实施例实现了如下技术效果：通过调整稀土离子与卤素离子的比例，将常规整比稀土卤化物闪烁材料转化为非整比化合物，从而实现对稀土卤化物闪烁材料的闪烁性能和生长一致性的提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种稀土卤化物闪烁材料，所述闪烁材料的化学通式为REaCebX3，其中RE为稀土元素La、Gd、Lu或Y，X为卤素Cl、Br及I中的一种或两种，0.9≤a≤1.1，0.02≤b≤0.2，且1.0001≤a+b≤1.1。
2.权利要求1所述的闪烁材料，其特征在于，RE为La，X为Br。
3.权利要求1所述的闪烁材料，其特征在于，RE为La，X为Cl。
4.权利要求1所述的闪烁材料，其特征在于，RE为Gd、Lu或Y，X为I。
5.权利要求1所述的闪烁材料，其特征在于，所述闪烁材料为单晶体。
6.权利要求5所述的闪烁材料，其特征在于，所述闪烁材料采用布里奇曼法生长获得。
7.一种闪烁探测器，所述闪烁探测器包括闪烁材料，其特征在于，所述闪烁材料采用权利要求1~6中任一项所述的稀土卤化物闪烁材料。
8.包含权利要求7所述的闪烁探测器的正电子发射断层扫描仪、伽马能谱仪、石油测井仪或岩性扫描成像仪。
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