一种钾冰晶石型稀土闪烁材料的制作方法

1.本发明涉及无机闪烁材料领域，特别涉及一种钾冰晶石型稀土闪烁材料。

背景技术：

2.闪烁材料可用于α射线、β射线、x射线、γ射线、中子等放射性粒子的探测，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。
3.由于中子本身不带电，大多数情况下通过物质时和物质中的电子不发生作用，不能直接引起电离，因此用于中子探测的闪烁材料需要包含与中子作用截面大的元素。3he、
10
b、6li等核素能够与热中子发生核反应，进而产生能引起电离的次级粒子，因此常采用这三种核素来探测热中子。
4.中子探测场景中，通常伴随有伽马射线的存在，因此探测器需要具有中子和伽马射线的鉴别能力，这对闪烁材料的粒子鉴别性能提出了要求。
5.传统的热中子探测材料是3he气体，但是由于其资源短缺，价格昂贵，应用受限。具有钾冰晶石型结构的含li稀土闪烁材料是一类能够实现热中子、伽马射线双模探测的无机闪烁材料。目前实现商业化的两种闪烁体是cs2lilabr6:ce(cllb:ce)和cs2liycl6:ce(clyc:ce)。
6.通常，闪烁材料要求有高的光产额、短的衰减时间和高的能量分辨率。对于探测中子的闪烁材料还要求有尽量高的中子/伽马的鉴别能力。与cllb:ce相比，尽管clyc:ce的光产额和能量分辨率略差，但clyc:ce的热中子/伽马鉴别能力更强，因此clyc:ce被认为是目前性能最好的热中子/伽马双模探测材料。
7.clyc:ce中通过采用富集6li的原料，可极大提高热中子探测效率。此外，利用clyc:ce中的cl元素与快中子的核反应
35
cl(n,p)
35
s可以进行快中子探测，此时可采用富集7li的原料来减少热中子的反应截面。因此，clyc:ce也被认为是能够进行γ射线、热中子、快中子三模探测的闪烁材料。
8.clyc:ce在γ射线激发下具有1～4ns的芯价发光(core-to-valence luminescence,cvl)的超快成分，而中子激发的发光没有此快成分，这是clyc:ce具有优异的中子/伽马鉴别能力的物理机制。
9.然而，激活离子ce
3+
会对cvl发光有吸收，且随着晶体尺寸的增加，吸收效应越明显，使得大尺寸ce
3+
激活的钾冰晶石型闪烁晶体的中子/伽马鉴别能力下降。
10.e.v.d.van loef等人2005年在论文“optical and scintillation properties of cs2liycl6:ce
3+
and cs2liycl6:pr
3+
crystals”中报道一种闪烁晶体cs2liycl6:0.2％pr
3+
，其光输出仅为clyc:ce的一半，能量分辨率为15％，综合性能远差于clyc:ce。

技术实现要素：

11.本发明实施例的目的是提供一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，通过激活离子替代，解决ce
3+
激活的钾冰晶石型闪烁材料中cvl超快发光的吸收问题，从而获得中子/伽马鉴别
性能更为优异的新材料；同时，通过激活离子浓度控制，获得优良的光输出和能量分辨率性能。
12.为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，所述闪烁材料的化学通式为cs2lire
1-x
pr
x
cl6，re选自稀土元素sc、y、la、gd、lu中的一种或几种，其中0＜x＜0.002。
13.进一步地，所述re为y元素。
14.进一步地，所述li元素为天然li或6li富集的li或7li富集的li。
15.进一步地，所述闪烁材料为粉末、陶瓷或单晶；可选的，所述闪烁材料为单晶形态。
16.进一步地，单晶形态的所述闪烁材料采用布里奇曼法生长获得。
17.进一步地，所述闪烁材料采用li元素过量的非化学计量配比的熔体进行晶体生长。
18.相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种闪烁探测器，包括上述任一所述的闪烁材料
19.相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种测量系统，包括上述闪烁探测器，用于测量中子、γ射线计数、剂量、能谱、成像及粒子鉴别。
20.相应地，本发明实施例的第四方面提供了一种石油测井仪，包括上述闪烁探测器。
21.相应地，本发明实施例的第五方面提供了一种岩性扫描成像仪，包括上述闪烁探测器。
22.本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
23.钾冰晶石型稀土闪烁材料具有超高的中子/伽马鉴别能力，同时具有超快的快分量衰减时间、优良的光输出和能量分辨率；作为中子探测用闪烁材料，综合性能明显优于商用的clyc:ce闪烁材料。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的闪烁晶体吸收光谱图；
25.图2是本发明实施例1提供的闪烁晶体在中子和伽马射线辐照下的脉冲波形图；
26.图3是本发明实施例2提供的闪烁晶体在中子和伽马射线辐照下的脉冲波形图；
27.图4是本发明实施例2提供的闪烁晶体在中子和伽马射线辐照下的psd二维散点图；
28.图5是本发明实施例3提供的闪烁晶体在中子和伽马射线辐照下的脉冲波形图；
29.图6是本发明实施例4提供的闪烁晶体在中子和伽马射线辐照下的脉冲波形图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
31.本发明实施例的第一方面提供了一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，闪烁材料的化学通式为cs2lire
1-x
pr
x
cl6，re选自稀土元素sc、y、la、gd、lu中的一种或几种，其中0＜x＜
50.实施例4：cs2lisc
0.9992
pr
0.0008
cl651.实施例5：cs2lila
0.999
pr
0.001
cl652.实施例6：cs2ligd
0.9982
pr
0.0018
cl653.实施例7：cs2lilu
0.9988
pr
0.0012
cl654.实施例8：cs2liy
0.6
la
0.3985
pr
0.0015
cl655.上述8个实施例的化学式及特性如表1所示：
56.表1
[0057][0058]
由表1可知，上述闪烁材料具有超高的中子/伽马鉴别能力，同时具有超快的衰减快分量，且具有优良的光输出和能量分辨率。作为中子探测用闪烁材料，本发明提供的闪烁材料综合性能明显优于商用的clyc:ce闪烁材料。
[0059]
相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种闪烁探测器，包括上述任一的闪烁材料
[0060]
相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种测量系统，包括上述闪烁探测器，用于测量中子、γ射线计数、剂量、能谱、成像及粒子鉴别。
[0061]
相应地，本发明实施例的第四方面提供了一种石油测井仪，包括上述闪烁探测器。
[0062]
相应地，本发明实施例的第五方面提供了一种岩性扫描成像仪，包括上述闪烁探测器。
[0063]
本发明实施例旨在保护一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，具备如下效果：
[0064]
钾冰晶石型稀土闪烁材料具有超高的中子/伽马鉴别能力，同时具有超快的快分量衰减时间、优良的光输出和能量分辨率；作为中子探测用闪烁材料，综合性能明显优于商用的clyc:ce闪烁材料。
[0065]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：

1.一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，所述闪烁材料的化学通式为cs2lire
1-x
pr
x
cl6，re选自稀土元素sc、y、la、gd、lu中的一种或几种，其中0＜x＜0.002。2.根据权利要求1所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，所述re为y元素。3.根据权利要求1所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，所述li元素为天然li或6li富集的li或7li富集的li。4.根据权利要求1所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，所述闪烁材料为粉末、陶瓷或单晶；可选的，所述闪烁材料为单晶形态。5.根据权利要求4所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，单晶形态的所述闪烁材料采用布里奇曼法生长获得。6.根据权利要求4所述的钾冰晶石型稀土闪烁材料，其特征在于，所述闪烁材料采用li元素过量的非化学计量配比的熔体进行晶体生长。7.一种闪烁探测器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的闪烁材料。8.一种测量系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的闪烁探测器，用于测量中子、γ射线计数、剂量、能谱、成像及粒子鉴别。9.一种石油测井仪，其特征在于，包括如权利要求8所述的闪烁探测器。10.一种岩性扫描成像仪，其特征在于，包括如权利要求8所述的闪烁探测器。

技术总结

本发明公开了一种钾冰晶石型稀土闪烁材料，闪烁材料的化学通式为Cs2LiRE

技术研发人员：

余金秋 王承二 罗亮

受保护的技术使用者：

有研稀土高技术有限公司 河北雄安稀土功能材料创新中心有限公司

技术研发日：

2022.08.09

技术公布日：

2022/11/22