钨酸锌晶体的掺杂去色工艺.pdf

钨酸锌晶体的掺杂去色工艺属于钨酸盐系列晶体的制作工艺。
    钨酸锌晶体是一种闪烁材料，其发光效率和能量分辩率都优于BGO晶体，一般常用于XCT（断层扫描）技术。但是，用恰克洛斯基方法在大气气氛中生长的钨酸锌单晶呈红玫瑰色，会产生自吸收现象，降低发光效率，必须经过热处理去色工艺才能使用。

    目前有退火、加电场退火和掺杂共三种热处理去色工艺。退火去色是把钨酸锌晶体放在退火炉中加热到其熔点1230℃附近，再在1100℃高温下保温一段时间以排除氧空位引起的色心以达到去色的目的。保温时间在30～50小时内的扩散深度（无色区宽度）为2.7mm，当超出50小时时，扩散深度为5mm。因而，无法用此工艺制作出完全去色的大尺寸晶体。加电场退火去色工艺是指在上述同样条件下在晶体的C（〔001〕）方向施加200～300伏直流电压以形成一个直流电场以加大氧在晶体中的扩散速度来达到完全去色的目的。与纯粹的退火去色工艺相比，它提高了去色效率，当保温60～70小时以上时，无色区宽度可扩大至10mm左右，但仍然无法制作出完全无色的大尺寸晶体来。至于掺杂去色工艺则是一种在钨酸锌材料中掺入微量杂质元素以直接拉制出无色钨酸锌晶体的一种工艺方法。一般使用Sb2O3或BiO2O3或银作为掺杂去色剂。在去色时，要先将Zno、WO3和杂质材料研成粉末状均匀地装在坩埚内，放在浮力提拉单晶炉中加热到1230℃左右再保温一定的时间后以便直接生长出无色晶体。其钨酸锌总量与掺杂物质的重量比、提拉速度、旋转速率和降温速率等参数皆因杂质而异。其详细内容请见GB2089777A。其共同缺点是无法拉出大尺寸无色晶体，我们在实验中发现如掺Sb2O3的晶体只能生长小尺寸晶体，当长度超过3Cm、重量大于300g以上时，晶体尾部就会产生由于组分过冷而引起的宏观缺陷，如果加大掺杂量则呈黄色，减少掺杂量则不去色，而且重复性也很差。可能这是由于Sb是变价元素高温时为5价，低温时为3价，当由高温冷却至低温时，就由Sb2O5变为Sb2O3，放出氧原子形成氧空位从而产生色芯。

    为此，本发明提出了一种掺铌的钨酸锌单晶去色工艺，其特征在于它选用Nb2O5为掺杂去色剂，其晶体生长条件与钨酸锌相同，即：先把ZnO、WO3和Nb2O5研成粉末，搅拌均匀装入坩埚内，再放到浮力提拉单晶炉中以ZnWO4晶体为籽晶，用硅碳棒加热到1230℃左右，在提拉速率为3～6mm/h、旋转速率为20～30转/分、生长结束后的降温速率为40～60℃/h以及Nb2O5与ZnWO4的总重量比为2×10-5～1×10-4之间的条件下就能生长出基本无色的ZnWO4晶体。它具有纯ZnWO4晶体的发光性能，能量分辩率在13～14%之间，也没有组分过冷产生色芯或颜色不均匀的现象，它能生长出大尺寸单晶体，重复性也很好。

    实施例：

    例1、采用光谱纯ZnO、Wo3和Nb2O5粉料。ZnWO4的总重量为300克，Nb2O5掺入量为0.009克，掺入比为3×10-5。将原料混匀后装入坩锅，在浮力提拉单晶炉中生长晶体。用ZnWO4晶体做籽晶，加热温度为1230℃，其等径阶段地提拉速度为4mm/h，收径及护肩时各为6mm/h及3mm/h;收径时的旋转速率为30转/分，护肩及等径时为20～25转/分;生长结束后的降温速率为50℃/h。最终生长出φ3.5×4Cm的晶体，无色，能量分辩率为13%。

    例2、采用与例1相同的原料，ZnWO4的总重量为300克，Nb2O5的掺入量为0.021克，掺入比为7×10-5。晶体生长条件与例1相同。最终生长出φ3×5Cm的晶体，无色，能量分辩率为13%。

    例3、采用与例1相同的原料，ZnWO4的总重量为300克，Nb2O5掺入量为0.03克，掺入比为10-4，晶体生长条件与例1相同。最终生长出φ3.5×20Cm的晶体，能量分辩率为14%。