热释光或光释光剂量学晶体及其制备方法

技术领域

本发明属于激光晶体领域，具体涉及一种热释光或光释光剂量学晶体及其制备方法。

背景技术

材料的热释光(Thermoluminescence，简称TL)是指材料在吸收辐射能之后的热致发光。20世纪50年代，美国威斯康星大学的Daniels首次将材料的热释光特性用于辐射剂量的测量(F.Daniels，Thermoluminescence dosimetry seminar on the effects of ionizing radiations，Evans Signal Corps Engineering Laboratories，Belmar，N.J.1953)。到目前为止，投入使用的热释光剂量学材料主要有LiF系列(LiF:Mg，Ti和LiF:Mg，Cu，P)、BeO系列(BeO:Li，BeO:Na，BeO:Al)、CaSO₄系列(CaSO₄:Mn，CaSO₄:Tm，CaSO₄:Dy)、CaF₂系列(CaF₂:Mn，CaF₂:Dy，CaF₂:Tm)和Li₂B₄O₇系列(Li₂B₄O₇:Mn，Li₂B₄O₇:Cu，Ag)。

然而，上述材料在热释光剂量学上都或多或少存在不足，不能满足科研和商业的需要。例如，氟化锂系列目前应用最为广泛，热致发光性能优良，但其主要缺点是材料以粉末形式存在，不便于加工和退火；硫酸钙系列的热致发光灵敏度高，但是主发光峰温度偏低，热致发光信号衰退严重；氟化钙系列的热致发光灵敏度较高，但是光致衰退十分严重；硼酸锂系列的热致发光峰单一且温度适中(200℃)，缺点是储存热致发光信号能力较差，灵敏度不高。

光释光(Optically Stimulated Luminescence，简称OSL)是指材料吸收了辐射能之后的光致发光，前苏联的Romanovsky最早将材料的光释光特性用于辐射剂量的测量(V.V.Romanovsky et al.Conference of the Academy of Sciences of the USSR on the Peaceful Uses ofAtomic Energy，1955，MOSCOW)。与热释光相比，光释光剂量计使用过程中不用加热，可以有效避免发光中心的热猝灭，具有灵敏度高，使用相对简单的优点。然而，光释光剂量学长期没有得到重视和发展，主要原因是缺少对辐射敏感、光释光效率高、有效原子数较小、光衰退性能好的光释光材料。

综上所述，目前使用的热释光或光释光材料已经严重阻碍了热释光或光释光剂量学的发展。因此，开发综合性能优良的热释光或光释光材料已成为本领域技术人员所亟待解决的问题。

20世纪90年代，Akselrod等人采用提拉法生长了一种优良的Al₂O₃掺杂热释光材料α-Al₂O₃:C晶体(M.S.Akselrod，et al.1990 Radiat.Prot.Dosim.32，15)。一系列的研究表明，α-Al₂O₃:C晶体具有灵敏度高(相同条件下是LiF:Mg，Ti的40-60倍)，热释光峰单一(463K)，背底和剂量阈值低，线性剂量响应范围宽(10^-7-10Gy)，有效原子数小(10.2)，热释光特性衰减慢(衰减率低于5％/a)，低剂量下重复使用性能好，对辐射敏感，光释光效率高等诸多优点。YAG晶体的矿物名称为掺碳钇铝石榴石，分子式为Y₃Al₅O₁₂。YAG晶体具有优良的物化和光学性能，是激光晶体中十分重要的基质材料。最近，Rodriguez等相继报道了YAG及掺杂YAG纳米晶的热释光或光释光性能(R.A.Rodrìguez，et al.2004 Opt.Mater.27，293；R.A.Rodrìguez，et al.2005 J.Phys.D Appl.Phys.38，3854；De la Rosa，et al.2005 Opt.Mater.27，1245)。研究发现，β射线辐照下，纯YAG和Tb³⁺，Ce³⁺，Er³⁺，yb³⁺掺杂的YAG纳米晶具有很高的热释光或光释光灵敏度，在热释光或光释光剂量学领域有潜在应用价值。然而，上述YAG纳米晶在热释光或光释光线性剂量响应和稳定性方面还存在明显的不足；同时，现有的α-Al₂O₃:C晶体的生长温度很高，因此导致生产成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热释光或光释光剂量学晶体及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种热释光或光释光剂量学晶体，该晶体为一种掺碳钇铝石榴石(YAG:C)晶体。

优选的，所述掺碳钇铝石榴石(YAG:C)晶体中碳的掺杂量为晶体总质量的10～20000ppm。

更优选的，所述掺碳钇铝石榴石晶体中碳的掺杂量为晶体总质量的2000～8000ppm。

本发明的热释光或光释光剂量学晶体的制备方法包括如下步骤：

按配比将原料经混料、研磨和成型工艺制得晶体生长原料，然后采用导向温梯法或下降法在还原气氛中生长制得。

所述原料包括：含Al元素原料、含Y元素原料和含C元素原料。

优选的，所述含Al元素原料为α-Al₂O₃；含Y元素原料为Y₂O₃；含C元素原料选自碳粉或石墨。

所述含Al元素原料、含Y元素原料及含C元素原料的配比可由YAG晶体中Al和Y的摩尔比以及晶体中碳的掺杂浓度计算得出。

优选的，所述成型工艺为冷等静压成型。

优选的，所述还原气氛为氢气气氛。

优选的，所述导向温梯法生长晶体的具体步骤为：在坩埚中放入籽晶，将晶体生长原料放入坩埚内；将坩埚装入晶体炉中，抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2253～2283K，待原料熔化后恒温0.5～2h，然后以1～5K/h的速率降温生长晶体。

优选的，所述坩埚为密封坩埚，更优选为密封钼坩锅。

优选的，所述籽晶为(001)方向YAG晶体。

优选的，所述下降法生长晶体的具体步骤为：在坩埚中放入籽晶，将晶体生长原料放入坩埚内；将坩埚装入晶体炉中，抽真空至炉压＜5×10^-3Pa，持续升温至2253～2283K，待原料熔化后恒温0.5～2h，然后以0.5～3mm/h的速率下降坩埚生长晶体。

优选的，所述坩埚为密封坩埚，更优选为密封钼坩锅。

优选的，上述下降法生长晶体的过程中，生长界面温度梯度为：30～40K/cm。

本发明提供了一种热释光或光释光剂量学晶体，该晶体在YAG晶体中掺入一定质量分数的碳粉或石墨，采用导向温梯法或下降法在还原气氛中生长得到YAG:C晶体，其中该掺碳钇铝石榴石晶体中碳的掺杂量为10～20000ppm。通过碳的引入和还原气氛下生长，在YAG晶体中产生一定浓度的氧空位，氧空位俘获电子产生大量的色心，为热释光或光释光过程的复合中心和陷阱能级，达到改进YAG晶体的热释光或光释光性能的目的。YAG晶体在还原气氛下生长同样会产生色心，碳的引入可能会提高晶体中色心的浓度，从而达到优化YAG晶体热释光或光释光特性的目的。与YAG及其它掺杂YAG纳米晶体相比，本发明的掺碳YAG晶体具有更高的热释光或光释光灵敏度，更宽的线性剂量响应范围，更好的热释光或光释光性能的稳定性，同时具有加工方便的优点。与α-Al₂O₃:C晶体相比，本发明的YAG:C晶体生长温度较低，因此成本相对降低。本发明的YAG:C晶体有望用于高效的热释光或光释光剂量探测器的制造。

附图说明

图1生长YAG:C晶体所用密闭坩埚结构示意图。

图2实施例1中制得的YAG:C晶体的吸收光谱图。

图3实施例1中制得的YAG:C晶体的热释光曲线图。

图4实施例1中制得的YAG:C晶体的光释光衰减曲线图。

图5实施例1中制得的YAG:C晶体的热释光剂量响应曲线图。

图6实施例1中制得的YAG:C晶体的光释光剂量响应曲线图。