專利名稱：鎢酸鉛單晶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用做閃爍體的鎢酸鉛單晶，這種閃爍體用于放射性射線，諸如X射線或γ射線的探測器。
對于用于高能的閃爍體有多種特征要求，其中特別重要的是(1)高密度，(2)短發(fā)光衰減時間和(3)優(yōu)異的輻射硬度。
到目前為止，Bi4Ge3O12被作為滿足上述要求的材料使用。
可是，近年來要求閃爍體具有更高的性能特征。按照上述觀點，為尋找具有更高性能特征的物質(zhì)而對多種物質(zhì)進行了研究，Derenzo等人發(fā)現(xiàn)，在這些物質(zhì)中，鎢酸鉛PbWO4可以用于放射性探測。然后，在PbWO4單晶的生產(chǎn)、它們特性的測量以及使它們進入實際應(yīng)用方面開展了研究。
通常，PbWO4單晶是用旋轉(zhuǎn)提拉法(Czochralsky方法)生產(chǎn)的。就是用氧化鉛(PbO)和三氧化鎢(WO3)或PbWO4做起始材料，放在鉑坩堝內(nèi)加熱熔融，PbWO4單晶就被用Czochralsky方法生產(chǎn)出來。
獲得的PbWO4一般地能滿足前述的三個特征?？墒?，由于起始材料純度不夠，雜質(zhì)被帶入單晶使晶體呈現(xiàn)出黃色。PbWO4單晶的發(fā)射峰位于400nm到420nm附近，可是由于黃色吸收它附近波長的光，發(fā)射的光部分被晶體的自吸收所吸收掉，當光從晶體射出時，光的損失就不可避免。
對PbWO4，光輸出為Bi4Ge3O12的3％(PbWO4的值包括自吸收)。
從上面提到的三個特征的角度看，PbWO4遠優(yōu)于現(xiàn)有的Bi4Ge3O12，但其發(fā)光量卻較小。因此減少PbWO4中的自吸收，也即減少晶體的著色是極端重要的。
無論如何，為減少晶體的著色已經(jīng)進行了多種嘗試。其中之一就是改善起始材料的純度。但即使當起始材料的純度達99.999％時還沒有獲得滿意的結(jié)果。另一方面，為了不透明也試過摻雜劑，但同樣沒有成功。如果加入鉬，在弱輻射區(qū)發(fā)光量出現(xiàn)增加，但在強輻射區(qū)發(fā)光量則與那些未加鉬的晶體相同，而且還有，鉬的加入使發(fā)光衰減時間變壞。
如上所述，不犧牲其它特性而減少晶體著色還未獲得成功。
高能領(lǐng)域使用的加速器需要更高的能量。那么，輻射探測器的閃爍體就需要更好的時間分辨。因此，用做閃爍體的晶體就需要有更短的衰減時間(推薦值小于幾納秒)和優(yōu)異的輻射硬度(推薦值大于108拉德)。另一方面，從測量儀器靈敏度的角度來說，發(fā)光量越大越有優(yōu)勢?？墒悄壳吧a(chǎn)的PbWO4單晶不足以達到這樣的要求。
本發(fā)明意在克服前述問題，其目的在于提供用做輻射探測器的閃爍體的鎢酸鉛單晶。
根據(jù)本發(fā)明，用三氧化鎢和氧化鉛或鎢酸鉛制成的每摩爾含有3×10-7摩爾到1×10-3摩爾鑭的鎢酸鉛單晶就能達到前述目的。
本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點在下面參考附圖對優(yōu)先實施例所進行的描述中體現(xiàn)出來。這里，

圖1是顯示波長與透射率之間關(guān)系的圖；圖2是顯示鑭的濃度與透射率增加比之間關(guān)系的圖。
作為對具有較少光自吸收的PbWO4單晶的認真研究的結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的PbWO4單晶的透射率曲線在420nm附近有一凹陷，它意味著大的自吸收，吸收邊附近的曲線變化和緩，如圖1所示。另一方面，加入了鑭的PbWO4單晶的透射率曲線在420nm附近沒有凹陷，這意味著小的自吸收，并且吸收邊附近的曲線突然下降，這意味著這一特性是令人滿意的。在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明人做了多種實驗，獲得了根據(jù)本發(fā)明的鎢酸鉛單晶。
在PbWO4單晶中，可利用光的量可以由增加光透射率和減少自吸收而增加，這是由鎢酸鉛混合鑭來實現(xiàn)的，鑭的含量為每摩爾PbWO4含3×10-7摩爾到1×10-3摩爾鑭。
如果鑭的含量是3×10-7摩爾或更少，由于著色出現(xiàn)自吸收，反之，如果鑭的含量為1×10-3摩爾或更多，由于鑭引起的全面自吸收出現(xiàn)黑色，且透射率變壞。
PbO和WO3或PbWO4被用做起始材料，并被置于鉑坩堝內(nèi)加熱熔融，PbWO4單晶被用Czochralsky方法制備出來。PbWO4單晶中的鑭含量在每摩爾PbWO4含3×10-7摩爾到1×10-3摩爾之間。
為了這個目的，用做起始材料的PbO和WO3或PbWO4中的鑭含量被定為3×10-7摩爾或更少。進而，PbO和WO3或PbWO4中的雜質(zhì)含量，不包括鑭，被定為1×10-4摩爾或更少，推薦值為1×10-5或更少。
當這樣獲得的PbWO4單晶被加工成預定的尺寸并做鏡面拋光，而且做光透射率觀察時，光的透射率曲線在420nm附近沒有凹陷，且曲線在吸收邊附近突然下降，這意味著優(yōu)異的特性。
例1在各稱出等摩爾數(shù)的純度為99.99％的PbO粉末和WO3粉末并將它們混合后，將混合物填入直徑70mm，高70mm的鉑坩堝，起始粉末狀材料混合物被感應(yīng)加熱熔融，PbWO4單晶被用Czochralsky方法從熔融的液態(tài)制備成直徑35mm，長65mm的棒。鑭被添加進去以使晶體里含有3×10-7摩爾的鑭。在PbO和WO3粉末中的鑭是5×10-8或更少。
這樣獲得的PbWO4單晶被切割成1×1×2cm大小，并被鏡面拋光，然后在1cm厚度方向上測300nm和600nm的透射率。
結(jié)果被顯示在圖1和圖2中。圖1顯示了波長與透射率之間的關(guān)系，圖2顯示了鑭的含量與透射率增加比之間的關(guān)系。
透射率曲線在420nm附近沒有凹陷，并且在曲線的吸收邊附近顯示了突然下降。透射率在420nm處為70.5％，出現(xiàn)了19.5％的增加。例2在各稱出等摩爾數(shù)的純度為99.99％的PbO粉末和WO3粉末并將它們混合后，將混合物填入直徑70mm，高70mm的鉑坩堝，起始粉末狀材料混合物被感應(yīng)加熱熔融，PbWO4單晶被用Czochralsky方法從熔融的液態(tài)制備成直徑33mm，長70mm的棒。鑭被添加進去以使晶體里含有2.2×10-5摩爾的鑭。在PbO和WO3粉末中的鑭是5×10-8或更少。
這樣獲得的PbWO4單晶被切割成1×1×2cm大小，并被鏡面拋光，然后在1cm厚度方向上測300nm和600nm的透射率。
結(jié)果被顯示在圖1和圖2中。透射率曲線在420nm附近沒有凹陷，并且在曲線的吸收邊附近顯示了突然下降。透射率在420nm處為71％，出現(xiàn)了20.3％的增加。例3在各稱出等摩爾數(shù)的純度為99.99％的PbO粉末和WO3粉末并將它們混合后，將混合物填入直徑70mm，高70mm的鉑坩堝，起始粉末狀材料混合物被感應(yīng)加熱熔融，PbWO4單晶被用Czochralsky方法從熔融的液態(tài)制備成直徑35mm，長70mm的棒。鑭被添加進去以使晶體里含有7.5×10-4摩爾的鑭。在PbO和WO3粉末中的鑭是5×10-8或更少。
這樣獲得的PbWO4單晶被切割成1×1×2cm大小，并被鏡面拋光，然后在1cm厚度方向上測300nm和600nm的透射率。
結(jié)果被顯示在圖1和圖2中。透射率曲線在420nm附近沒有凹陷，并且在曲線的吸收邊附近顯示了突然下降。透射率在420nm處為70％，出現(xiàn)了18.6％的增加。例4在各稱出等摩爾數(shù)的純度為99.99％的PbO粉末和WO3粉末并將它們混合后，將混合物填入直徑70mm，高70mm的鉑坩堝，起始粉末狀材料混合物被感應(yīng)加熱熔融，PbWO4單晶被用Czochralsky方法從熔融的液態(tài)制備成直徑35mm，長60mm的棒。鑭被添加進去以使晶體里含有1×10-3摩爾的鑭。在PbO和WO3粉末中的鑭是5×10-8或更少。
這樣獲得的PbWO4單晶被切割成1×1×2cm大小，并被鏡面拋光，然后在1cm厚度方向上測300nm和600nm的透射率。
結(jié)果被顯示在圖1和圖2中。透射率曲線在420nm附近沒有凹陷，并且在曲線的吸收邊附近顯示了突然下降。透射率在420nm處為69％，出現(xiàn)了16.9％的增加。
由于含有3×10-7摩爾到1×10-3摩爾鑭的PbWO4單晶具有高透射率和較少自吸收，發(fā)射的光能在穿過晶體時無吸收而從晶體射出。
在上述實驗中測量是沿1cm厚度方向進行的。無論如何，由于在實際應(yīng)用中使用的材料有23cm長，每1cm透射率的差異會在實際應(yīng)用中帶來極其重要的影響。
如果象現(xiàn)有技術(shù)中的PbWO4單晶那樣，透射率曲線在420nm附近有一凹陷，發(fā)射波長在400到430nm之間的光就會在23cm長的行進過程中被吸收，而幾乎不能向外出射光。由于現(xiàn)有PbWO4單晶在420nm波長處每1cm的透射率為59％，在通過了一定長度，如23cm后可利用的光只有發(fā)射量的1％或更少了。
可是，由于根據(jù)本發(fā)明的PbWO4單晶幾乎沒有自吸收，發(fā)射光的大部分都可以被利用。例如，如果每1cm的透射率為70％，光的透過量就增加到50倍。
因此，這種PbWO4單晶能有效地用于實際應(yīng)用。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，靠提高光透射率和減少自吸收來增加鎢酸鉛單晶的光發(fā)射量，可以獲得做輻射探測器的閃爍體用的鎢酸鉛單晶。
權(quán)利要求
1.用三氧化鎢和氧化鉛或鎢酸鉛制備的鎢酸鉛單晶，其特征在于每一摩爾鎢酸鉛含有3×10-7摩爾到1×10-3摩爾鑭。
全文摘要
用三氧化鎢和氧化鉛或鎢酸鉛生產(chǎn)的鎢酸鉛單晶,其中每一摩爾鎢酸鉛含有3×10
文檔編號G01T1/202GK1200351SQ9810668
公開日1998年12月2日 申請日期1998年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月22日
發(fā)明者薄善行 申請人:古河機械金屬株式會社