本發(fā)明涉及硅酸鉍閃爍晶體處理技術(shù)的改進(jìn)，具體是通過(guò)特殊的工藝處理以提高硅酸鉍閃爍晶體在近紫外波段的透光性能，屬于光學(xué)晶體領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

硅酸鉍(bi4si3o12，簡(jiǎn)稱(chēng)bso)是一種新型閃爍晶體，具有許多與鍺酸鉍(bi4ge3o12，簡(jiǎn)稱(chēng)bgo)閃爍晶體相似的物理化學(xué)性質(zhì)，如密度高、輻射長(zhǎng)度短、莫里埃半徑小、不潮解、易加工等等。同時(shí)，硅酸鉍晶體還具有衰減快，輻照硬度高，成本低的特點(diǎn)，因而適用于核物理和高能物理領(lǐng)域。此外，硅酸鉍晶體的吸收邊(300nm)比鍺酸鉍晶體(330nm)更短，更易于切倫科夫光和閃爍光的分離，在雙讀出量能器應(yīng)用方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。

雖然硅酸鉍的晶體結(jié)構(gòu)與鍺酸鉍相同，但結(jié)晶習(xí)性與鍺酸鉍大不相同。由于硅酸鉍晶體的原料bi2o3和sio2的熔點(diǎn)和密度差異大，其二元系統(tǒng)的相關(guān)系十分復(fù)雜，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中容易生成多相結(jié)構(gòu)，如bi12sio20、bi2sio5、bi2o3與sio2等單相或復(fù)合相，使得硅酸鉍晶體中容易出現(xiàn)組分偏析層、包裹物、核芯、生長(zhǎng)條紋等宏觀缺陷，同時(shí)由于硅酸鉍熔體粘度大，均勻性差，加劇了各種宏觀缺陷的形成，從而導(dǎo)致硅酸鉍晶體光學(xué)性能下降。此外，由于硅酸鉍晶體在空氣中制備而成，晶體中所包含的氧雜質(zhì)導(dǎo)致短波長(zhǎng)(近紫外波段)內(nèi)的雜質(zhì)吸收，使晶體表現(xiàn)出較差的發(fā)光性能和抗輻照性能，從而嚴(yán)重影響硅酸鉍晶體的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種提高硅酸鉍閃爍晶體光學(xué)性能的方法。通過(guò)在高純氮?dú)鈿夥罩械臒崽幚?，減少硅酸鉍晶體中的氧雜質(zhì)，從而提高硅酸鉍晶體近紫外波段的透過(guò)率。

本發(fā)明提供了一種提高硅酸鉍閃爍晶體近紫外波段透過(guò)率的方法，所述方法包括將硅酸鉍閃爍晶體在高純氮?dú)鈿夥罩杏?00～800℃進(jìn)行熱處理6～20小時(shí)以使硅酸鉍閃爍晶體中的氧雜質(zhì)擴(kuò)散出來(lái)從而提高硅酸鉍閃爍晶體在近紫外波段透過(guò)率。

本發(fā)明通過(guò)在高純氮?dú)鈿夥罩械臒崽幚?，可以減少硅酸鉍晶體中的氧雜質(zhì)(其中，氧雜質(zhì)主要指氧空位及其與其它空位的構(gòu)成復(fù)合體)，從而可提高硅酸鉍晶體近紫外波段的透過(guò)率。

較佳地，本發(fā)明的方法包括：

將硅酸鉍晶體在高純氮?dú)鈿夥罩幸?0～100℃/小時(shí)的速率從室溫下加熱到150～350℃，然 后再以20～50℃/小時(shí)的速率升溫至600～800℃后保溫6～20小時(shí)，保溫結(jié)束后，以50～100℃/小時(shí)的速率冷卻至150～250℃后自然冷卻至室溫。

較佳地，所述硅酸鉍晶體為bi4si3o12或摻雜其它離子的bi4si3o12。

較佳地，所述高純氮?dú)獾淖⑷霘饬魉俾蕿?.1～0.3mpa/小時(shí)。

較佳地，所述高純氮?dú)饧兌取?9.999％。

本發(fā)明中，將硅酸鉍閃爍晶體傾斜置于氧化鋁板上再放入爐中進(jìn)行熱處理，以使在熱處理過(guò)程中硅酸鉍閃爍晶體的端面與所述氧化鋁板之間不發(fā)生接觸。

又，較佳地，可同時(shí)處理多個(gè)硅酸鉍閃爍晶體，將所述多個(gè)硅酸鉍閃爍晶體互不接觸地傾斜置于氧化鋁板上再放入爐中進(jìn)行熱處理，以使在熱處理過(guò)程中所述多個(gè)硅酸鉍閃爍晶體的端面均與所述氧化鋁板之間不發(fā)生接觸，且多個(gè)硅酸鉍閃爍晶體之間不發(fā)生接觸。

較佳地，硅酸鉍閃爍晶體的截面為φ20～30mm，厚度為2～50mm，優(yōu)選為2～30mm。

本發(fā)明通過(guò)在特定的氣氛、溫度條件下對(duì)硅酸鉍晶體進(jìn)行高純氮?dú)鈿夥障赂邷責(zé)崽幚?，提高晶體近紫外波段(300～400nm)的透過(guò)率，從而更易于切倫科夫光和閃爍光的分離，更加有利于硅酸鉍晶體在雙讀出量能器領(lǐng)域的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中硅酸鉍晶體樣品經(jīng)高純氮?dú)鈿夥眨?00℃，8h退火后的透過(guò)光譜；

圖2為實(shí)施例3中硅酸鉍晶體樣品經(jīng)高純氮?dú)鈿夥眨?00℃，12h退火后的透過(guò)光譜；

圖3為實(shí)施例5中硅酸鉍晶體樣品經(jīng)高純氮?dú)鈿夥眨?00℃，10h退火后的透過(guò)光譜；

圖4為實(shí)施例1的硅酸鉍晶體樣品退火后與退火前的光譜吸收部分的多峰高斯擬合圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。

本發(fā)明通過(guò)在特定的氣氛、溫度條件下對(duì)晶體進(jìn)行熱處理，減少晶體中的氧雜質(zhì)，退火后使硅酸鉍晶體在近紫外波段(300～400nm)的透過(guò)率明顯提高，并使晶體的亮度、透明度和結(jié)晶完整性都得到提高。

以下示例的說(shuō)明本發(fā)明提供的提高硅酸鉍閃爍晶體近紫外波段透過(guò)率的方法。

本發(fā)明中，將硅酸鉍閃爍晶體在高純氮?dú)鈿夥罩袩崽幚怼１景l(fā)明將硅酸鉍晶體在高純氮?dú)鈿夥障?，熱處理過(guò)程中氮?dú)鈿饬魉俾时３?.1～0.3mpa/小時(shí)即可。加熱一段時(shí)間，使硅酸鉍晶體中的氧雜質(zhì)擴(kuò)散出來(lái)，從而使晶體近紫外波段(300～400nm)的透光性能明顯 提高。

將若干待處理的硅酸鉍晶體(例如，bi4si3o12或摻雜其它離子的bi4si3o12)傾斜置于氧化鋁板上，待處理晶體端面與氧化鋁板之間不發(fā)生接觸，同時(shí)待處理晶體之間不發(fā)生接觸。

將硅酸鉍晶體在高純氮?dú)?純度≥99.999％)氣氛中以50～100℃/小時(shí)的速率從室溫下加熱到150～350℃，優(yōu)選250～350℃，例如300℃。然后再在高純氮?dú)?純度≥99.999％)氣氛中以20～50℃/小時(shí)的速率升溫至600～800℃后保溫6～20小時(shí)。保溫結(jié)束后，在高純氮?dú)?純度≥99.999％)氣氛中以50～100℃/小時(shí)的速率冷卻至150～250℃，例如200℃后自然冷卻至室溫。分階段升溫、降溫主要是防止急冷急熱導(dǎo)致晶體開(kāi)裂。

作為一個(gè)詳細(xì)的例子，將若干待處理的硅酸鉍晶體(硅酸鉍晶體樣品截面可為φ20～30mm，厚度為2～50mm)傾斜置于氧化鋁板上，待處理晶體端面與氧化鋁板之間不發(fā)生接觸，同時(shí)待處理晶體之間不發(fā)生接觸。硅酸鉍晶體的熱處理過(guò)程包括如下步驟：

a)加熱。以50～100℃/小時(shí)的速率將待處理的硅酸鉍晶體從室溫下加熱到300℃，然后再以20～50℃/小時(shí)的速率加熱到保溫溫度600～800℃。加熱過(guò)程中氮?dú)鈿饬魉俾时３?.1～0.3mpa/小時(shí)；

b)保溫。在保溫溫度下保溫6～20小時(shí)。保溫過(guò)程中氮?dú)鈿饬魉俾时３?.1～0.3mpa/小時(shí)；

c)冷卻。保溫結(jié)束后，以50～100℃/小時(shí)的速率使?fàn)t溫冷卻至200℃，爐溫低于200℃后，關(guān)閉電源，使自然冷卻至室溫。冷卻過(guò)程中氮?dú)鈿饬魉俾时３?.1～0.3mpa/小時(shí)。關(guān)閉氮?dú)鈿饬?，取出晶體，退火結(jié)束。

上述硅酸鉍晶體課由bi4si3o12組成，也可以由摻雜其它離子的bi4si3o12組成。上述的硅酸鉍晶體由坩堝下降法制備所得。具體生長(zhǎng)步驟可參考中國(guó)專(zhuān)利cn103643293中所述的晶體生長(zhǎng)方法。所用的晶體生長(zhǎng)設(shè)備采用中國(guó)專(zhuān)利zl94114075.x中所述的生長(zhǎng)設(shè)備。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)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(gè)示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過(guò)本文的說(shuō)明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

實(shí)施例1：采用本發(fā)明所述方法退火bso晶片(20×20×2mm)

1、將待處理bso晶片傾斜放置在氧化鋁板上，使晶片端面與氧化鋁板之間不發(fā)生接觸，打 開(kāi)爐門(mén)，將氧化鋁板放置在氧化管的中部，然后封閉爐門(mén)；

2、關(guān)閉進(jìn)氣閥和出氣閥，打開(kāi)真空泵抽真空，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓達(dá)到-0.1mpa，然后關(guān)閉真空泵。按順序打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)、減壓閥和爐體進(jìn)氣閥，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓達(dá)到0.1mpa，此時(shí)緩慢打開(kāi)出氣閥，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓降低，同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，控制氮?dú)獾牧髁勘３衷?.3mpa/h；

3、設(shè)置控溫儀，以50℃/h的速率升溫至300℃，然后再以30℃/h的速率升溫至600℃，保溫8h。保溫結(jié)束后，以50℃/h的速率降溫至200℃；

4、開(kāi)啟并運(yùn)行控溫儀；

5、爐溫低于200℃后，關(guān)閉電源，使?fàn)t溫自然冷卻至室溫，關(guān)閉氮?dú)鈿饬?，取出晶體，退火結(jié)束。

圖1為實(shí)施例1中硅酸鉍晶體樣品經(jīng)高純氮?dú)鈿夥眨?00℃，8h退火后的透過(guò)光譜。從圖1中可知經(jīng)退火處理后，樣品在300～500nm波段的透過(guò)率有所提高。

實(shí)施例2：采用本發(fā)明所述方法退火bso晶片(20×20×2mm)

1、工藝操作同實(shí)施例1.1；

2、工藝操作同實(shí)施例1.2；

3、設(shè)置控溫儀，以80℃/h的速率升溫至300℃，然后再以30℃/h的速率升溫至700℃，保溫12h。保溫結(jié)束后，以60℃/h的速率降溫至200℃；

4、開(kāi)啟并運(yùn)行控溫儀；

5、工藝操作同實(shí)施例1.5。

實(shí)施例3：采用本發(fā)明所述方法退火摻雜yf3(y³⁺—0.2at％)的bso晶片(20×20×2mm)

1、工藝操作同實(shí)施例1.1；

2、關(guān)閉進(jìn)氣閥和出氣閥，打開(kāi)真空泵抽真空，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓達(dá)到-0.1mpa，然后關(guān)閉真空泵。按順序打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)、減壓閥和爐體進(jìn)氣閥，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓達(dá)到0.1mpa，此時(shí)緩慢打開(kāi)出氣閥，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓降低，同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，控制氮?dú)獾牧髁勘３衷?.2mpa/h；

3、設(shè)置控溫儀，以100℃/h的速率升溫至300℃，然后再以50℃/h的速率升溫至600℃，保溫12h。保溫結(jié)束后，以80℃/h的速率降溫至200℃；

4、開(kāi)啟并運(yùn)行控溫儀；

5、工藝操作同實(shí)施例1.5。

圖2為實(shí)施例3中硅酸鉍晶體樣品經(jīng)高純氮?dú)鈿夥眨?00℃，12h退火后的透過(guò)光譜。從圖2中可知經(jīng)退火處理后，樣品在300～370nm波段的透過(guò)率有明顯提高。

實(shí)施例4：采用本發(fā)明所述方法退火bso晶片(20×20×2mm)

1、工藝操作同實(shí)施例1.1；

2、關(guān)閉進(jìn)氣閥和出氣閥，打開(kāi)真空泵抽真空，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓達(dá)到-0.1mpa，然后關(guān)閉真空泵。按順序打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)、減壓閥和爐體進(jìn)氣閥，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓達(dá)到0.1mpa，此時(shí)緩慢打開(kāi)出氣閥，使?fàn)t腔內(nèi)氣壓降低，同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，控制氮?dú)獾牧髁勘３衷?.1mpa/h；

3、設(shè)置控溫儀，以100℃/h的速率升溫至300℃，然后再以50℃/h的速率升溫至800℃，保溫20h。保溫結(jié)束后，以80℃/h的速率降溫至200℃；

4、開(kāi)啟并運(yùn)行控溫儀；

5、工藝操作同實(shí)施例1.5。

實(shí)施例5:采用本發(fā)明所述方法退火摻雜bso晶片(20×20×35mm)

1、將待處理bso晶塊傾斜放置在氧化鋁板上，使晶塊六個(gè)面與氧化鋁板之間不發(fā)生接觸，打開(kāi)爐門(mén)，將氧化鋁板放置在氧化管的中部，然后封閉爐門(mén)；

2、工藝操作同實(shí)施例3.2；

3、設(shè)置控溫儀，以100℃/h的速率升溫至300℃，然后再以50℃/h的速率升溫至800℃，保溫10h。保溫結(jié)束后，以80℃/h的速率降溫至200℃；

4、開(kāi)啟并運(yùn)行控溫儀；

5、工藝操作同實(shí)施例1.5。

圖3為實(shí)施例5中硅酸鉍晶體樣品經(jīng)高純氮?dú)鈿夥眨?00℃，10h退火后的透過(guò)光譜。從圖3中可知經(jīng)退火處理后，樣品在300～700nm波段的透過(guò)率都有所提高。

圖4為實(shí)施例1的硅酸鉍晶體樣品退火后與退火前的光譜吸收部分的多峰高斯擬合圖。圖4中“x1＝266nm”、“x2、3＝291nm”分別指的是多峰高斯擬合峰值；“bso樣品”、“累積擬合峰”、“擬合峰1”、“擬合峰2”、“擬合峰3”分別指的是實(shí)施例1的硅酸鉍晶體樣品退火后與退火前的光吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，多峰高斯擬合的累積吸收峰以及多峰高斯擬合的3個(gè)分化吸收峰；而“bso樣品”與“累積擬合峰”相重合，表明擬合結(jié)果較為合適。為進(jìn)一步解釋本發(fā)明采用高純氮?dú)鈿夥諢嵬嘶鹉軌蚋纳乒杷徙G晶體近紫外波段的透過(guò)性能，將退火前后的光譜吸收部分作高斯分解擬合，如圖4所示，結(jié)果顯示該部分透過(guò)的提高主要與270nm和290nm附近吸收峰的減弱有關(guān)，而270nm和290nm的吸收峰通常認(rèn)為是硅酸鉍晶體中的氧雜質(zhì)所致。