一种多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体及其制备方法与应用

本发明涉及一种多组分钾冰晶石卤化物闪烁晶体及其制备方法与应用，属于晶体生长。

背景技术：

1、由于中子是一种不带电的基本粒子，主要通过核反应产生带电粒子和光子，通过对这些带电粒子和光子的探测间接实现对中子的探测。通常，中子辐射背景中通常伴随着γ射线辐射的干扰，为了实现精准探测中子，需要探测器能够分辨中子和伽马射线。因此，近年来能够同时对中子和伽马射线进行探测成为了辐射探测的一个重要课题。一般采用品质因子(fom)的数值来评价中子/伽马的甄别效果，fom值越大，甄别性能越好。

2、目前，含有li、b等元素的无机闪烁晶体具有较大的中子捕获截面，可通过对不同能量电离的差异可以实现中子伽马甄别，且6li(n,α)反应与b相比反应能量更高和中子伽马信噪抑制比更好。6lii晶体、6li玻璃和6lif/zns复合材料目前实现了商业化，但6lii晶体的衰减时间长，6li玻璃的光输出低且能量分辨率差，6lif/zns复合材料的探测效率低且衰减时间长，都无法用于中子/伽马射线双读出探测器。锂基钾冰晶石类闪烁晶体由于具有快衰减、高光输出、杰出的能量分辨率等优点，受到广泛的关注。其中最具有代表性的是荷兰deft技术大学率先报道的铈掺杂的cs2liycl6(clyc)、cs2lilabr6(cllb)等系列晶体，表现出优异的中子/伽马分辨能力，clyc:ce晶体的中子/伽马甄别因子(fom)可达到3以上，而cllb:ce晶体的fom值只有1.4左右。但cllb:ce晶体的其他性能均优于clyc:ce晶体，因此，改善cllb:ce晶体的fom值将具有重大的理论意义和实际应用价值。

3、共掺杂是一种常见的改善晶体闪烁及光学性能的方法。根据文献报道，labr3:ce共掺杂ca2+或sr2+使其662kev下伽马射线能量分辨率从2.7％改善到了2％，sr共掺杂lii2:eu得到的晶体的光输出略有下降，但是经过共掺杂过后的晶体自吸收减小；在clyc:ce晶体共掺杂0.05at％的sr使clyc:ce晶体的能量分辨率从4.6％改善到了3.8％。在实际应用中主要是基于脉冲形状的方式来甄别中子/伽马射线，其原理是：晶体材料在中子和伽马射线激发下，具有不同的衰减时间，通过衰减时间的不同获得不同的脉冲能谱，从而区分中子/伽马射线。因此，理论上通过共掺杂的方式改变cs2lilabr6:ce晶体的衰减时间，可以达到改善中子/伽马甄别性能的目的。

技术实现思路

1、鉴于以上技术背景，本发明的目的在于提供一种多组分的钾冰晶石卤化物闪烁晶体其制备方法与应用。所述晶体的化学式为cs2lila1-a-bmacebx6，其中m的价态为2或3或4，m为ca、sr、pr、y、gd、zr中的一种，x选取cl-和br-中的1种或2种，a,b满足:0＜a≤0.05,0＜b≤0.10。该晶体在中子和伽马射线两种射线共同照射下，能够同时甄别中子和伽马射线，在中子/伽马射线甑别、高能射线探测和成像领域有很好的应用。

2、(1)在充满保护气氛的环境中，以摩尔比2：1.5：1-a-b：a:b将csx粉体、lix粉体、lax3粉体、mxc、cex3粉混合均匀填入石英或铂金坩埚中，其中m的价态为2或3或4(c等于m的价态)，m为ca、sr、pr、y、gd、zr中的一种，x选取cl-和br-中的1种或2种，a、b满足:0＜a≤0.05,0＜b≤0.10。x选取cl和br中的1种或2种；然后进行抽真空封管。根据本发明优选的，原料粉体纯度在99.99％以上。根据本发明优选的，所述充满保护气氛环境为充满氩气或氮气的手套操作箱，所述的原料粉体纯度在99.99％以上，抽真空操作为在150℃加热条件下抽真空至真空度为10-6mbar。

3、(2)晶体生长采用垂直布里奇曼法。根据本发明优选的，垂直布里奇曼法生长该多组分的钾冰晶石卤化物闪烁晶体的步骤为：将装有该多组分钾冰晶石卤化物闪烁晶体原料的石英或铂金坩埚放入布里奇曼单晶生长炉中，按照0.1mm/h-1mm/h的速度进行单晶生长；生长界面温度梯度为15-40℃/mm；晶体生长温度为550℃-650℃；生长完成后将炉温降至室温，取出晶体；降温速率为5-20℃/h。

4、本发明提供该多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体卤化物闪烁体的应用，包括在中子探测、中子伽马甄别、中子成像等方面的应用。

技术特征：

1.一种多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体，晶体的化学式为cs2lila1-a-bmacebx6。

2.如权利要求1所述的多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体，其特征在于，其中m的价态为2或3或4，m为ca、sr、pr、y、gd、zr中的一种，x选取cl-和br-中的1种或2种，a,b满足:0＜a≤0.10,0＜b≤0.10。

3.如权利要求1-2任一项权利要求所述的多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体cs2lila1-a-bmacebx6，其特征在于，所述晶体在中子和伽马射线两种射线共同照射下，能够同时甄别中子和伽马射线。

4.如权利要求1-3任一项权利要求所述的多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体的制备方法，包括：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述csx粉体、lix粉体、lax3粉体、mxc粉体、cex3粉体的比例关系为2：1.5：1-a-b：a:b；其中0＜a≤0.10，0＜b≤0.10，c为m的价态。

6.如权利要求1-2任一所述的多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体cs2lila1-a-bmacebx6的应用，其特征在于所述的闪烁晶体在中子/伽马射线甄别、伽马射线或中子探测领域有很好的应用。

技术总结
本发明提供一种多组分钾冰晶石型卤化物闪烁晶体及其制备方法与应用，所述闪烁晶体的化学式为Cs2LiLa1‑a‑bMaCebX6，其中M的价态为2或3或4，M为Ca、Sr、Pr、Y、Gd、Zr中的一种，X选取Cl‑和Br‑中的1种或2种，a,b满足:0＜a≤0.10,0＜b≤0.10。优选地，生长所述多组分钾冰晶石卤化物闪烁晶体的方法为坩埚下降法。本发明利用多价金属阳离子共掺改善Cs2LiLa(Br,Cl)6:Ce的闪烁性能和中子/伽马甄别性能，生长得到的闪烁晶体能量分辨率可接近于4％，中子/γ甄别能力品质因子可接近2，可以在中子/伽马射线甄别、伽马射线或中子探测领域有很好的应用前景。

技术研发人员：魏钦华,刘生伟,秦来顺,唐高,尹航,张素银,陈振华
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22