用于热释光和光释光的掺铜铝酸钇晶体及其制备方法

摘要

一种用于热释光和光释光的掺铜铝酸钇晶体及其制备方法，该掺铜铝酸钇晶体的化学式为：Y(1-x):AlO3:Cux，式中，x＝0.001～0.1，x为掺杂离子Cu2+与Y原子的摩尔比。掺铜铝酸钇晶体是采用熔体法生长的。本发明掺铜铝酸钇晶体能够在吸收高能射线辐射能后实现热致释光或光致释光，并具有良好的剂量线性响应，是一种性能较好的辐射剂量计的释光材料。

说明书

技术领域

本发明涉及热释光和光释光，特别是一种用于热释光和光释光的掺铜铝酸钇晶体(以下简称为YAP:Cu)及其制备方法。

背景技术

在20世纪40年代末和50年代初热释光已呈现出日益增长的应用前景。20世纪50年代，美国威斯康星大学的F.Daniels首次提出热释光可以作为辐射剂量测定的一种方法，并将LiF的热释光特性用于原子弹场辐射剂量的监测和放射性同位素治疗癌症病人的内照射剂量测定。与热释光剂量学相比，光释光用于辐射场剂量测定的技术起步比较晚，主要原因是激发光源和剂量学材料的限制。1988年，Aitken和Smith等在详细研究石英光释光特性的基础上发展了光释光在辐射剂量学上的应用。目前，热释光和光释光广泛应用于辐射防护(核电站、核潜艇个人剂量监测和职业病防治等)、辐射治疗、环境监测、航天等诸多领域。多年来人们一直致力于新型热释光和光释光剂量计材料的探索，以期获得性能更加优异实用的剂量计探测材料。

目前常用热释光材料较多，有不同掺杂的氟化锂(LiF)，硫酸钙(CaSO₄)，氟化钙(CaF₂)，硼酸锂(LiB₄O₇)，硅酸镁(Mg₂SiO₄)，氧化铝(Al₂O₃)等系列。而且每次固态剂量学会议上总有一些新材料出现，但是由于实际应用热释光材料有较高要求，能够完全具备剂量计全部优点的热释光和光释光材料，到目前为止还没有被发现，多数材料都是具备其中的某几个优点。热释光方面应用最多的是不同掺杂的氟化锂(LiF)热释光剂量计(TLD)系列材料，如LiF:Mg:Ti(TLD-100)，LiF:Mg:Cu:P等；光释光方面α-Al₂O₃:C晶体是光释光剂量学领域唯一投入实际应用的材料。

发明内容

为了解决上述现有释光材料的不足，本发明的目的在于提供一种用于热释光和光释光的掺铜铝酸钇晶体及其制备方法，该晶体能够在吸收高能射线辐射能后实现热致释光或光致释光，并具有良好的剂量线性响应，是一种性能优异的辐射剂量计的释光材料。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于热释光和光释光的掺铜铝酸钇晶体，特点在于该掺铜铝酸钇晶体是采用熔体法生长的，其化学式为：

Y_(1-x):AlO₃:Cu_x

式中，x＝0.001～0.1，x为掺杂离子Cu²⁺与Y原子的摩尔比。

一种掺铜铝酸钇晶体的制备方法，该方法包括下列步骤：

①原料配方：

掺铜铝酸钇晶体，即YAP:Cu晶体的初始原料采用Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)并按摩尔比1∶(1-x)∶2x进行配料，其中x的取值范围为0.001～0.1；

②采用熔体法生长YAP:Cu单晶：

先将各高纯氧化物粉末在空气中预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃，按选定的x值后的摩尔比称量Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料，其中5N表示原料的纯度为5个9，即99.999％，原料充分混合均匀后在液压机上压制成块，然后装入氧化铝坩埚内，放进马弗炉中烧结，用10个小时升温至1200℃，保温10个小时后再用10个小时降温至室温，将块料取出放入坩埚内，采用熔体法生长上述单晶体：

所述的熔体法为提拉法，所述的坩埚为铱坩埚，籽晶为<010>方向的纯YAP单晶棒，晶体生长在高纯Ar气氛中进行。提拉速度为1～2.5mm/h，旋转速度为10～20rpm。

所述的熔体法为坩埚下降法，所述的坩埚材料采用高纯石墨，坩埚底部可以不放籽晶，或放入上述提拉法中所述的纯YAP籽晶，晶体生长在高纯N₂气氛中进行。坩埚下降速率为0.1～1mm/h。

所述的熔体法为温度梯度法，坩埚材料采用高纯石墨，坩埚底部可以不放籽晶，或放入上述提拉法中所述的纯YAP籽晶，晶体生长在高纯N₂气氛中进行。使晶体以生长速率为1～1.8mm/h的降温速率进行降温并生长晶体。

本发明的技术效果：

本发明以铝酸钇单晶为基质，以Cu²⁺为激活剂采用熔体法生长出高质量的YAP:Cu单晶。经测试表明该晶体的热释光发光峰由位于峰温分别是433K和482K的两个峰组成，其中433K处的热释光峰为不稳定小峰，容易衰退掉，而482K处热释光峰较稳定，为剂量计测试信号峰。YAP:Cu热释光灵敏度与目前广泛使用的灵敏度最高的剂量计(LiF:Mg:Cu:P)相当。YAP:Cu的光释光具有良好的灵敏度，其衰减曲线呈现经典的指数衰减。由图3看出，YAP:Cu的热释光与光释光发光强度在10^-5-10²Gy剂量范围内具有较好的线性响应，是一种性能优良可同时作为固体热释光和光释光剂量计的晶体材料。由于光释光剂量计相对于热释光剂量计有许多优点(例如测度速度快，可重复使用且无需退火，受热、湿度及化学因素的影响很小等)，代表着未来剂量监测的趋势，而且已发现的具有优良光释光性能的材料非常少，因此YAP:Cu具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为0.5at％YAP:Cu晶体的热释光谱；

图2为0.5at％YAP:Cu晶体的光释光谱；

图3为0.5at％YAP:Cu晶体的热释光和光释光的剂量线性响应曲线；

具体实施方式

下面通过具体实施对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.995∶0.01进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内，采用提拉法生长晶体，籽晶为<010>方向(最长轴)的纯YAP单晶棒，晶体生长在高纯Ar气氛中进行。晶体的提拉速度为1.5mm/h，转速为18rpm，控制晶体凸界面生长，所有晶体生长都经过装炉→抽真空→充氩气→升温化料→烤晶种→下种→缩颈→放肩→等径生长→提脱和降温等过程.整个生长周期约5天。对所生长的YAP:Cu晶体进行热释光和光释光性能测试，结果如图1～图3所示。

将上述生长的YAP:Cu晶体，切割成5×5×1mm³小片，光学抛光后，在室温下测试其光谱性能，晶体的热释光和光释光特性用丹麦进口的RisΦTL/OSL-DA-15型热释光和光释光仪进行测量，该系统自带有β(⁹⁰Sr/⁹⁰Y)辐射源，剂量率是0.1Gy/s，最小辐照时间是1s，辐照源与样品的距离是7mm。受RisΦTL/OSL-DA-15自带β辐射源剂量范围的限制，YAP:Cu辐射剂量响应曲线测试采用⁶⁰C_oγ射线辐照，辐照剂量范围是10^-5-10²Gy。光释光的激发光源为RisΦTL/OSL-DA-15自带的蓝光发光二极管阵列(激发波长为470nm，FWHM＝20nm，功率为50mW/cm²)下的连续激发光释光(CW-OSL)特性。图1为YAP:Cu晶体的热释光光谱。图2为YAP:Cu晶体的光释光光谱。图3是YAP:Cu晶体经γ射线(⁶⁰Co)辐照后的热释光和光释光的剂量响应曲线。

该晶体的热释光发光峰由峰温分别是433K和482K的两个峰组成，其中433K处的热释光峰为不稳定小峰，容易衰退掉，而482K处热释光峰较稳定，为剂量计测试信号峰。YAP:Cu热释光灵敏度与目前广泛使用的灵敏度最高的剂量计(LiF:Mg:Cu:P)相当。YAP:Cu的光释光具有良好的灵敏度，其衰减曲线呈现经典的指数衰减。由图3看出，YAP:Cu的热释光与光释光发光强度在10^-5-10²Gy剂量范围内具有较好的线性响应，是一种性能优良可同时作为固体热释光和光释光剂量计的晶体材料。

实施例2

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.997∶0.006进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内，采用提拉法生长晶体，籽晶为<010>方向(最长轴)的纯YAP单晶棒，晶体生长在高纯Ar气氛中进行。提拉速度为1.2mm/h，旋转速度为15rpm。

实施例3

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.996∶0.008进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于铱坩埚内，采用提拉法生长晶体，籽晶为<010>方向(最长轴)的纯YAP单晶棒，晶体生长在高纯Ar气氛中进行。提拉速度为2mm/h，旋转速度为18rpm。

实施例4

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.998∶0.004进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部无籽晶。采用坩埚下降法，在高纯N₂气氛中生长晶体，坩埚下降速率为0.2mm/h。

实施例5

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.999∶0.002进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有<010>方向(最长轴)的纯YAP籽晶。采用坩埚下降法，在高纯N₂气氛中生长晶体，坩埚下降速率为0.6mm/h。

实施例6

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水及其它杂质，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.994∶0.012进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部无籽晶。采用坩埚下降法，在高纯N₂气氛中生长晶体，坩埚下降速率为1mm/h。

实施例7

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.992∶0.016进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部无籽晶。采用温度梯度法，在高纯N₂气氛中生长晶体，使晶体以生长速率为1mm/h的降温速率进行降温并生长晶体。

实施例8

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.993∶0.014进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有<010>方向(最长轴)的纯YAP籽晶。采用温度梯度法，在高纯N₂气氛中生长晶体，使晶体以生长速度为1.2mm/h的降温速率进行降温并生长晶体。

实施例9

先将各高纯氧化物粉末在空气中适当的预干燥，除去吸附水，灼烧温度为1000℃。然后将Al₂O₃(5N)，Y₂O₃(5N)和CuO(3N)原料按照摩尔比等于1∶0.99∶0.02进行称量配料。混合均匀后在液压机上压制成块，放于石墨坩埚内，坩埚底部放有<010>方向(最长轴)的纯YAP籽晶。采用温度梯度法，在高纯N₂气氛中生长晶体，使得晶体生长速度为1.6mm/h的降温速率进行降温并生长晶体。

上述实施例的测试都有实施例1的类似的结果。