一種陰陽離子共摻雜的硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陰陽離子共摻雜硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法，屬于光學晶體領域。
【背景技術】
[0002]硅酸鉍(Bi4Si3O12,簡稱BS0)晶體作為一種新型閃爍晶體，由于具有密度高、較短的吸收截止波長、衰減時間快、輻照硬度高和成本低等特點，近年來引起了科學家的極大興趣，是下一代均質強子量能器的重要候選材料，在高能物理領域中具有巨大的應用前景。
[0003]然而，在BSO晶體實際生長過程中，[S14]四面體的聚合以及Bi3+的電子組態(tài)[Xe]4f145cT6S2中孤對電子的高極性，使得BSO高溫熔體的粘度遠高于類似結構與性能的BGO晶體；加之Bi2O3與S12的熔點和密度差異大，其二元系統(tǒng)相關系復雜，使得BSO熔體的化學組成均勻性和析晶行為難以控制，易出現(xiàn)Bi203/Si(^i分偏析、包裹物、生長條紋等宏觀缺陷。另外，由于BSO兩組分Bi2O3與S12的揮發(fā)性存在差異，造成晶體內(nèi)部局域電荷的不平衡，形成空位、色心等缺陷。上述問題均導致BSO晶體的光學性能差，如透射光譜在短波范圍內(nèi)(350?500nm)有明顯吸收，發(fā)射光譜強度低，光產(chǎn)額小，不利于應用。
[0004]基于以上因素，通過摻雜來提高BSO晶體的光學性能正逐漸受到重視。目前研宄主要集中在單摻稀土離子和過渡金屬元素。然而，F(xiàn)e、Cr摻雜BSO晶體的透射光譜中均出現(xiàn)了吸收肩，光產(chǎn)額有所下降；Ce3+摻雜使得BSO晶體透射光譜的吸收邊向長波方向移動，且大大降低了晶體的光產(chǎn)額；Nd3+摻雜對透過率及光產(chǎn)額影響不大；只有Y3+摻雜對BSO晶體的透過性能有所改善。因此，如何通過摻雜來提高BSO晶體的透過率、增強發(fā)光強度、增大光輸出仍是BSO晶體研宄的重點之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有硅酸鉍晶體透射光譜在350?500nm波段有明顯吸收、發(fā)射光譜強度低的問題，本發(fā)明提供了一種陰陽離子共摻雜硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種陰陽離子共摻雜的硅酸鉍閃爍晶體，所述硅酸鉍閃爍晶體摻雜有Γ和Ba2+O
[0007]較佳地，F(xiàn)—和Ba 2+以BaF 2的形式摻入，摻雜量為100?2000ppm。
[0008]較佳地，BaF2的摻雜量為200?1500ppm。
[0009]又，本發(fā)明提供了一種上述硅酸鉍閃爍晶體的制備方法，包括:
先向Bi4Si3O12^晶料中摻雜BaF 2，得到摻雜的Bi4Si3O12^晶料；然后采用摻雜的Bi4Si3O12S晶料和Bi 4Si3012籽晶，通過坩禍下降法生長晶體，其中，坩禍下降法生長晶體的步驟包括:
1)將摻雜的Bi4Si3O1^晶料和Bi4Si3012籽晶封閉于坩禍中并裝入陶瓷引下管；
2)經(jīng)10?20小時將晶體生長爐的爐溫升至1000?1200°C，保溫4?6小時；
3)提升引下管，待放置于密閉坩禍內(nèi)的晶料全部熔化為熔體后，再保溫0.5?1.5小時；
4)再以0.2?0.8mm/h的速度下降引下管，進行晶體生長。
[0010]較佳地，向Bi4Si3O12多晶料中摻雜BaF 2的方式包括:
1)按摩爾比2:3稱量Bi2O3粉末、S12粉末并均勻混合后、壓塊，在870-920°C下燒結3-10小時，得到Bi4Si3O12多晶料；
2)采用機械混合的方式，將Bi4Si3O12S晶料與BaF2進行混合，得到摻雜的Bi #3012多晶料。
[0011]較佳地，機械混合的方式包括:濕法球磨、干法球磨。
[0012]較佳地，晶體生長時所用坩禍為鉑金坩禍，坩禍壁厚為0.10?0.15mm，形狀包括圓柱形或長方柱形。
[0013]較佳地，所述Bi2O3粉末、S1 2粉末和BaF 2在混合前進行干燥脫水處理。
[0014]較佳地，所述Bi2O3粉末、S1 2粉末和BaF 2的純度大于或等于99.99%。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明公開了一種陰陽離子共摻雜硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法。所述硅酸鉍閃爍晶體中摻雜有F_離子和Ba2+離子，采用BSO籽晶，用坩禍下降法進行晶體生長而得。F_離子和Ba2+離子的摻入，在一定程度上補償了晶體內(nèi)部局域電荷的不平衡；并且，F(xiàn)可打斷硅氧四面體間橋氧并置換橋氧而進入BSO熔體，可減小硅氧集團層間的束縛力，從而降低BSO熔體粘度并減少宏觀缺陷。摻雜BSO晶體的透過率在在350?500nm波段的吸收明顯改善，并且發(fā)光強度明顯提高。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明幾個實施方式中制備的陰陽離子共摻雜BSO晶體與對比例I制備的BSO晶體在厚度均為30mm下的透射光譜對比圖；
圖2為本發(fā)明幾個實施方式中制備的陰陽離子共摻雜BSO晶體與對比例I制備的BSO晶體在厚度均為2_下的熒光光譜對比圖，橫坐標為波長，縱坐標為發(fā)光強度。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明提供了一種陰陽離子共摻雜硅酸鉍閃爍晶體，摻雜的陰離子為F_，陽離子為 Ba2+。
[0019]陰陽離子以BaF2的形式摻入。
[0020]以BSO多晶料的摩爾質量為基準計，BaF2的摻雜量為100?2000ppm。進一步優(yōu)選為 200 ?1500ppm。
[0021]陰陽離子共摻雜硅酸鉍閃爍晶體按以下步驟制備:
I)多晶原料合成
將高純的Bi203、S1jP BaF2固態(tài)粉末在200°C左右干燥20小時進行烘干脫水；將Bi203、3102按摩爾比2:3稱量并混合均勻、壓制成塊，然后采用高溫固相法在870?920°C下燒結3?10小時，即得BSO多晶料； 2)晶體生長
將摻雜有BaFJ^ BSO多晶料和BSO籽晶裝入坩禍并封閉，采用坩禍下降法進行晶體生長:經(jīng)10?20小時將爐溫升至1000?1200°C，保溫4?6小時；提升引下管，待坩禍內(nèi)的原料全部熔化，再保溫0.5?1.5小時；再以0.2?0.8mm/h的速度下降引下管，進行晶體生長。
[0022]所采用的原料扮203、5102和8&?2的純度均大于或等于99.99%。850籽晶的取向可為〈100〉，但不局限于該方向，所述的籽晶是徑向尺寸為15?20mm、長度為40?60mm的圓柱體或長方體BSO晶體(下文對比例與實施例中所采用的BSO籽晶尺寸為15 X 15 X 50mm3)。
[0023]摻雜劑以機械混合的方式摻入BSO多晶料。
[0024]晶體生長時所用坩禍為鉑金坩禍，坩禍壁厚為0.10?0.15mm，形狀為圓柱形或長方柱形中一種。
[0025]所述的硅酸鉍閃爍晶體，可以應用于均質強子量能器等高能物理領域的實驗設備中。
[0026]針對現(xiàn)有硅酸鉍晶體透射光譜在350?500nm波段有明顯吸收、發(fā)射光譜強度低的問題，本發(fā)明首次提供一種陰陽離子共摻雜硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法，旨在利用BaF2.雜補償晶體內(nèi)部局域電荷的不平衡、降低BSO熔體粘度、抑制雜相的析出，以提高硅酸鉍晶體的透過率和發(fā)光強度。
[0027]本發(fā)明在硅酸鉍晶體中摻雜BaF2,由于F原子和O原子在元素周期表位置臨近，它們所形成的F_和02_理論上和實際上均具有相近的電子構型，離子半徑更是十分接近(分別為0.131和0.134nm)，因此F可打斷娃氧四面體間橋氧并置換橋氧而進入BSO恪體，可減小硅氧集團層間的束縛力，從而降低BSO熔體粘度，進而減少晶體的宏觀缺陷；此外，F(xiàn)lPBa2+還可以對晶體內(nèi)部的局域不平衡電荷進行補償，減少相應的空位、色心等缺陷，從而提高其透過率和發(fā)光強度。
[0028]本發(fā)明首次采用Γ和Ba 2+陰陽離子共摻雜，使得BSO晶體的光學性能得到大幅度改善:透過率明顯提高，在350?500nm范圍的吸收減小，發(fā)光強度明顯增大，可以應用于均質強子量能器等高能物理實驗設備中。
[0029]下面進一步例舉實施例以詳細說明本發(fā)明。同樣應理解，以下實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質的改進和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個示例，即本領域技術人員可以通過本文的說明做