СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1995 года по МПК C30B29/32 C30B15/02 

Описание патента на изобретение RU2031987C1

Изобретение относится к технике для регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, конкретно к области сцинтилляционных материалов.

Монокристаллы триортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO) известны как сцинтилляционный материал, применяемый в различных устройствах детектирования ионизирующих излучений.

Известны кристаллы BGO, выращиваемые методами Чохральского, зонной плавки, Бриджмена из расплава оксидов Bi2O3-GeO2, состав которых отвечает стехиометрическому Bi4Ge3O12 [1]. Этот материал является истинным сцинтиллятором, т.е. не содержащим активирующих добавок. Его сцинтилляционные свойства обусловлены электронным переходом 3Р1-1S0 в ионах Bi3+. Кинетика высвечивания сцинтилляционного импульса лимитируется компонентой с постоянной времени τ = 300-310 нс, при этом вклад послесвечения матрицы незначителен (через 3 мс не более 0,005% пиковой интенсивности импульса), что препятствует применению данного сцинтилляционного материала в устройствах регистрации ионизирующих излучений, требующих временного разрешения менее 300 нс.

Наиболее близким к предложенному является лазерный монокристаллический материал на основе Bi4Ge3О12, содержащий в качестве активатора лазерных свойств примесь иттербия (Yb), вводившегося в исходную шихту в виде оксида Yb2O3 в концентрациях 2,0; 4,0; 4,5 мас.% [2].

Соответственно присутствие Yb в кристаллах составляло 1,76; 3,51 и 3,95 мас. % . Пригодность использования этого материала в указанном качестве определяется тем, что кристаллы BGO, содержащие примесь в диапазоне 1,76-3,95 мас. % , обладают повышенным выходом люминесценции при фотовозбуждении, возрастающем с увеличением концентрации активатора.

При возбуждении этих кристаллов ионизирующим излучением наблюдается затягивание сцинтилляционного импульса до 350 нс, а также появление интенсивного длительного послесвечения, превышающего послесвечение нелегированного BGO.

Таким образом легирование BGO иттербия в диапазоне 1,76-3,95 мас.% не обеспечивает повышения его быстродействия как сцинтилляционного материала.

Целью изобретения является создание сцинтилляционного материала с малым временем высвечивания сцинтилляционного импульса.

Указанная цель достигается тем, что сцинтилляционный материал на основе триортогерманата висмута, содержит примесь иттербия Yb в количестве: 0,07-1,5 мас.%.

Выбор иттербия Yb в качестве примеси, обеспечивающий достижение поставленной цели, обусловлен наличием у ионов Yb3+ интенсивных f ->> f, f ->> d и иных абсорбционных переходов, локализованных в области длинноволнового края полосы собственного поглощения матрицы Bi4Ge3O12 и ее люминесценции, возможностью перезарядки ионов Yb3+ до состояния Yb2+, а также малым ионным радиусом Yb3+ (0,858 ), облегчающим его вхождение в BGO в качестве структурной примеси. Совокупность первых двух факторов делает возможным интенсивный энергообмен между матрицей и вводимым примесным центром с образованием эффективного канала тушения собственной люминесценции BGO, а также появление дополнительных короткоживущих компонент сцинтилляционного импульса. Механизм тушения обусловлен захватом термализованного электрона (е) в зоне проводимости и осуществляется по схеме:
Yb3+ + e ->> (Yb3+) ->> (Yb3+)- + h ->> Yb3+ Снятие возбужденного состояния (Yb3+) происходит через виртуальную форму (Yb3+)- за счет внутрицентровых безизлучательных переходов ионов (Yb3+)- с дальнейшим захватом дырок (h) из валентной зоны.

С повышением концентрации Yb в BGO возрастает доля распадов состояния ионов (Yb3+ ) в зоне проводимости, что затягивает дальнюю стадию сцинтилляционного импульса. Данный процесс, вклад которого становится преобладающим при содержаниях Yb свыше 1,76 мас.%, маскирует действие безизлучательного канала тушения и удлиняет сцинтилляционный импульс до 350 нс и более. Это наряду с появлением длительного послесвечения матрицы ограничивает верхнее значение интервала концентраций примеси Yb.

Монокристаллы сцинтилляционного материала получают следующим образом. Из смеси оксидов Bi2O3 и GeO2 готовят исходную шихту состава, соответствующего стехиометрии Bi4Ge3O12 или используют в качестве исходной шихты предварительно синтезированный мелкокристаллический триортогерманат висмута. К исходной шихте добавляют определенное количество оксида иттербия (Yb2O3). При этом применяют высокочистые вещества, предназначенные для получения монокристаллов. Полученную шихту для обеспечения гомогенности тщательно перемешивают в условиях исключающих занос посторонних примесей. Выращивание монокристаллов из шихты проводят методом Чохральского из платиновых тиглей в окислительной атмосфере при 1000-1100оС и скорости вытягивания кристалла 0,1-0,4 см/ч. После окончания процесса охлаждение ведут со скоростью не более 50 К/ч, что обеспечивает получение ненапряженных кристаллов.

Измерения времен высвечивания сцинтилляций материала проводят одноэлектронным методом при возбуждении α-частицами от источника 238Рu на установке, включающей два фотоэлектронных умножителя, формирователи стартового и стопового импульсов, время-амплитудный преобразователь и многоканальный амплитудный анализатор АИ-1024. По известной стандартизованной методике при возбуждении γ-квантами от источника 137Cs контролируют также световой выход сцинтилляций и собственное энергетическое разрешение кристаллов. Кроме того неразрушающим рентгенорадиометрическим методом определяют содержание Yb в сцинтилляционном материале.

П р и м е р. Исходную шихту готовили из смеси оксидов Bi2O3 и GeO2, взятых в массовом отношении 3:1. В пять навесок исходной шихты вводили добавки оксида иттербия Yb2O3 в количестве 0,011; 0,080; 0,6; 1,7; 2,0 мас.%. Из данных составов были выращены кристаллы - прозрачны, бесцветны, с незначительным содержанием тонкодисперсных включений вдоль оси вытягивания, не содержат трещин и механических напряжений. Длина кристаллов до 120 мм. Из кристаллов для измерений изготовили цилиндрические элементы высотой и диаметром 15 мм, один из торцов которых полировали по классу PZ 0,025, остальная поверхность была матирована. Результаты измерений содержания Yb в кристаллах, времени высвечивания сцинтилляционного импульса, светового выхода и энергетического разрешения приведены в таблице. Также приведены сцинтилляционные параметры кристалла Bi4Ge3O12, выращенного идентичным образом, не содержащего добавки иттербия.

Из таблицы следует, что положительный эффект, достигнутый при введении в указанном количестве примeси Yb в кристаллы BGO, состоит в том, что полученный сцинтилляционный материал обладает малым временем высвечивания сцинтилляционного импульса, составляющим при оптимальном содержании добавки Yb 0,5 мас. %, τ = 16 нс, т.е. в 18,7 раза меньшим, чем у нелегированного Bi4Ge3O12 и в 21,9 раза меньше, чем у лазерного материала. В этом случае доля энергии, высвечиваемой в короткой компоненте, составляет 70% от суммарной энергии сцинтилляционного импульса. При концентрации 0,01 мас.% доля короткой компоненты мала (не более 11%). Соответствующее снижение времени высвечивания сцинтилляционного импульса составляет 15 нс (до 285 нс), что несущественно для повышения быстродействия детекторов. Превышение концентрации Yb более 1,5 мас. % ведет к снижению световыхода, ухудшению энергетического разрешения и возрастанию времени высвечивания, что ограничивает указанной величиной верхнее значение диапазона содержаний примеси.

Таким образом интервал концентраций примеси Yb в кристаллах BGO составляет 0,7-1,5 мас.%. Причем в этом интервале не происходит существенного изменения других основных сцинтилляционных параметров материала.

Полученный сцинтилляционный материал вследствие улучшения важной характеристики - времени высвечивания сцинтилляционного импульса обладает большим относительно BGO с содержанием Yb 1,76-3,95 мас.%, а также исходного Bi4Ge3O12 диапазоном применения в качестве сцинтиллятора. Материал найдет использование в физике высоких энергий для создания устройств регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, требующих высокого временного разрешения, в частности, в системах регистрации частиц и квантов в потоках высокой плотности, для рентгеновской диагностики плазмы, в сцинтилляционных блоках электромагнитных калориметров и т.п..

Похожие патенты RU2031987C1

название год авторы номер документа
Способ получения поликристаллического ортогерманата висмута 2018
  • Егорышева Анна Владимировна
  • Гайтко Ольга Максимовна
  • Веселова Варвара Олеговна
  • Володин Всеволод Дмитриевич
RU2659268C1
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АКТИВИРОВАННОГО МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СИЛИКАТА ГАДОЛИНИЯ 1992
  • Бурачас Станислав Феликсович[Ua]
  • Бондарь Валерий Григорьевич[Ua]
  • Кухтина Нина Николаевна[Ua]
  • Мартынов Валерий Павлович[Ua]
  • Рыжиков Владимир Диомидович[Ua]
  • Васильев Андрей Атлантович[Ru]
  • Селиванов Владимир Иванович[Ru]
RU2046371C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 2002
  • Девицин Е.Г.
  • Заднепровский Б.И.
  • Козлов В.А.
  • Нефёдов В.А.
  • Полянский Е.В.
  • Поташов С.Ю.
  • Теркулов А.Р.
RU2202011C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МОНОКРИСТАЛЛА ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 2000
  • Аненков А.Н.
  • Коржик Михаил Васильевич
  • Костылев В.Л.
  • Лигун В.Д.
RU2164562C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МОНОКРИСТАЛЛА ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 1998
  • Анненков А.Н.
  • Коржик М.В.
  • Костылев В.Л.
  • Лигун В.Д.
RU2132417C1
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 1985
  • Гутан В.Б.
  • Шамовский Л.М.
RU1362088C
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2020
  • Аленков Владимир Владимирович
  • Бузанов Олег Алексеевич
  • Васильев Владимир Борисович
  • Коржик Михаил Васильевич
RU2723395C1
МОНОКРИСТАЛЛ СО СТРУКТУРОЙ ГРАНАТА ДЛЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2017
  • Аленков Владимир Владимирович
  • Бузанов Олег Алексеевич
  • Досовицкий Алексей Ефимович
  • Досовицкий Георгий Алексеевич
  • Коржик Михаил Васильевич
  • Федоров Андрей Анатольевич
RU2646407C1
СПОСОБ ТВЕРДОФАЗНОГО СИНТЕЗА ШИХТЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЛАНТАНГАЛЛИЕВОГО СИЛИКАТА 1998
  • Дороговин Б.А.
  • Степанов С.Ю.
  • Дубовский А.Б.
  • Цеглеев А.А.
  • Лаптева Г.А.
  • Горохов В.П.
  • Царева Н.Б.
  • Курочкин В.И.
RU2147048C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКРАШЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ ОКСИДОВ 1991
  • Андреев М.Е.
  • Ванышев В.А.
  • Голенко В.П.
  • Полянский Е.В.
  • Яроцкая Е.Г.
  • Яроцкий В.Г.
RU2065414C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 031 987 C1

Реферат патента 1995 года СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Изобретение относится к области сцинтилляционных материалов, используемых для регистрации и спектрокопии ионизирующих излучений. Материал на основе триортогерманата висмута содержит примесь иттербия в количестве 0,07 - 1,50 мас.% мас. Достигнуто время высвечивания сцинтилляционного импульса τ = 16 нс, что в 18,7 раз меньше, чем без добавки иттербия в материал. Кристаллы получали методом Чохральского. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 031 987 C1

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ на основе триортогерманата висмута, содержащего примесь иттербия, - Bi4 Ge3O12 : Yb, отличающийся тем, что, с целью улучщения времени высвечивания сцинтилляционного импульса, материал содержит иттербий в количестве 0,07 - 1,50 мас.%.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1995 года RU2031987C1

Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды 1921
  • Богач Б.И.
SU4A1

RU 2 031 987 C1

Авторы

Нефедов В.А.

Заднепровский Б.И.

Нефедов П.В.

Коржик М.В.

Суворов В.М.

Даты

1995-03-27Публикация

1991-06-20Подача