СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к высокоплотным радиационно-стойким и быстрым сцинтилляторам, используемым для систем регистрации ионизирующих излучений в физике высоких энергий, ядерной медицине и других областях.

В условиях высоких плотностей потоков электромагнитного излучения, например в физике высоких энергий, важнейшей эксплуатационной характеристикой сцинтиллятора является его временное разрешение, определяемое временем жизни возбужденного состояния (τ). Одновременно с малыми (наносекундными)τ величинами должна достигаться радиационная устойчивость ≥10⁷ рад, высокая плотность материала (>5,5-6,5 г/см³), достаточно высокий световыход. Весьма желательно при этом иметь длину волны люминесценции, которая позволяла бы использовать для регистрации излучения малошумовые и высокоэффективные полупроводниковые детекторы. Для этого создан новый сверхбыстрый высокоплотный и радиационностойкий сцинтиллятор, характеризующийся временным разрешением менее 3 нс и излучающий в видимом диапазоне длин волн, допускающем использование светодиодной системы регистрации.

Среди неорганических фторидов известны кристаллы-сцинтилляторы, имеющие τ≈1 нс. Они основаны на механизме кросс-люминесценции, который ограничивает выбор материалов сочетаниями К, Rb, Cs и Ва с фтором [1]
Первые три соединения не технологичны в силу их гигроскопичности, а ВаF₂ имеет невысокую плотность 4,89 г/см³. К недостаткам сцинтилляторов, функционирующих по механизму кросс-люминесценции, относится коротковолновый диапазон эмиссии, требующий дорогостоящей оптики для регистрации излучаемого света.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому материалу являются кристаллы-сцинтилляторы из фторида кадмия СdF₂ [2] Однако этот материал при высокой плотности 6,38 г/см³ имеет основную составляющую люминесценции с временем жизни 110 нс [2] и световыход 0,07% от NaI(Тl), что требует применения фотоумножителей и приводит к значительному вкладу в регистрируемые величины собственных шумов системы регистрации.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения заключается в увеличении радиационной устойчивости до 10⁶-10¹⁰ рад, улучшении временного разрешения до 1,3-3 нс, повышении световыхода люминесценции в 3-20 раз.

Указанный технический результат достигается за счет того, что сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующих излучений высоких энергий, состоящий из монокристаллического фторида кадмия СdF₂, содержит добавки фторидов редкоземельных элементов РF₃, где R=Nd, Sm, Еu, Тm, Yb, или фторидов металлов МF₃, где М=Вi, In, или МnF₂ в количестве 0,05-5 мол. с образованием твердых растворов в соответствии с общими формулами:
Сd_1-хR_хF_2+х (R=Nd,Sm,Еu,Тm,Yb; х=0,0005-0,05);
Сd_1-хМ_хF_2+х (М=Вi, In, х=0,0005-0,05);
Сd_1-хМn_хF₂ (х=0,0005-0,05).

Монокристаллические материалы этих составов получены изоморфным введением в кристаллическую матрицу фторида кадмия СdF₂ указанных выше активаторных ионов с достаточно высокой плотностью 6,38 г/см³. Монокристаллы выращивались методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в графитовой печи сопротивления во фторирующей атмосфере, создаваемой продуктами пиролиза тетрафторэтилена. Тигель опускается из горячей зоны в холодную со скоростью 3 мм/ч. Для кристаллизации использовались реактивы марки "осч".

Указанные кристаллы на основе СdF₂ принадлежат к кубической сингонии (пространственная группа Fmm). Физические характеристики сцинтилляторов представлены в таблице.

Из приведенных данных таблицы видно, что достигаются следующие эффекты:
повышаются радиационная устойчивость с D=10³ раз для чистого СdF₂до D= 10⁶-10¹⁰ рад для некоторых составов кристаллов;
в спектрах эмиссии появляется компонента с временем жизни возбужденного состояния менее 3 нс, что приближает эти сцинтилляторы к группе "быстрых", основанных на механизме кросс-люминесценции;
максимумы длин волн эмиссии приходятся на диапазон 550-600 нм, что позволяет использовать низкошумовые светодиодные схемы для регистрации излучения;
обеспечивается повышение световыхода в 3-20 раз по сравнению с СdF₂ (0,07% от NaI, (Тl), после чего он становится достаточно высоким для применения предлагаемых сцинтилляторов в физике высоких энергий и ядерной медицине (0,2-1,4% от NaI(Тl)).

Введние указанных добавок в количествах менее 0,05 мол. и более 5 мол. нецелесообразно, поскольку световыход полученных кристаллов увеличивается менее, чем в 2 раза. Так, на фиг.1 показана зависимость световыхода для монокристаллов твердых растворов Cd_1-хSm_хF_2+x (где 0<х≅0,05).

Видно, что при концентрации SmF₃ менее 0,05 мол. (х=0,0005) и более 5 мол. (х= 0,05) световыход составляет всего 0,1-0,14% от NaI(Тl). Составы с другими добавками ведут себя аналогично.

Таким образом, оптимальная концентрация при введении ионов из группы фторидов редкоземельных элементов RF₃ (R=Nd, Sm, Еu, Тm, Yb), а также фторидов ВiF₃, InF₃ и МnF₂ составляет 0,05-5 мол.

П р и м е р 1. Для выращивания монокристаллов Сd_0,995Sm_0,005F_2,005используют исходные предварительно проплавленные во фторирующей атмосфере реактивы СdF₂ и SmF₃ марки "осч". Берут навески СdF₂ и SmF₃ в отношении 99,5 и 0,5 мол. соответственно. Навески помещают в графитовый тигель, который нагревается в графитовой двухзонной печи сопротивления до температуры 1075^оС, расплав гомогенизируется и фторируется продуктами пиролиза тетрафторэтилена в течение 1 ч. Затем тигель с расплавом опускают из верхней (более горячей) тепловой зоны в нижнюю со скоростью 3 мм/ч, в результате чего растут монокристаллы Сd_0,995Sm_0,05F_2,005. Из полученных монокристаллов выпиливают образцы нужной толщины, механически полируют их и исследуют спектры пропускания и радиационную устойчивость.

П р и м е р 2. Для выращивания монокристаллов состава Cd_0,995Еu_0,005F_2,005 делают навески реактивов СdF₂ и ЕuF₃ марки "осч", предварительно проплавленных во фторирующей атмосфере, в отношении 99,5 и 0,5 мол. соответственно. Тигель, заполненный навесками, помещают в двухзонную графитовую печь сопротивления и нагревают до температуры 1075^оС. После гомогенизации и фторирования расплава в течение 1 ч тигель опускают из горячей зоны со скоростью 3 мм/ч, в результате чего получают монокристалл состава Сd_0,995Еu_0,005F_2,005, из которого затем выпиливают образцы, полируют их и исследуют спектры пропускания и радиационную устойчивость. На фиг.2 показан спектр пропускания монокристалла состава Cd_0,995Еu_0,005F_2,005 до и после γ-облучения.

П р и м е р 3. Для получения монокристаллов состава Cd_0,998Тm_0,002F_2,002 готовят навески из проплавленных во фторирующей атмосфере реактивов СdF₂ и ТmF₃ марки "осч" в отношении 99,8 и 0,2 мол. соответственно. Тигель с навесками помещают в графитовую двухзонную печь сопротивления и нагревают до 1075^оС, где в течение 1 ч расплав гомогенизируется и фторируется продуктами пиролиза тефлона. После этого тигель с расплавом опускают из верхней горячей в нижнюю более холодную зону со скоростью 3 мм/ч. При этом получается монокристалл состава Cd_0,998Тm_0,002F_2,002. Из него вырезают образцы, механически полируют их и исследуют спектры пропускания и радиационную устойчивость.

На фиг.3 представлен спектр пропускания монокристалла Сd_0,998Тm_0,002F_2,002 до и после γ-облучения.

П р и м е р 4. Для получения монокристалла состава Сd_0,99In_0,01F_2,01 готовят навески из плавленных реактивов СdF₂ и InF₃марки "осч" в отношении 99,5 и 0,5 мол. соответственно. Все последующие операции выполняют, как описано в примерах 1-3.

П р и м е р 5. Для выращивания монокристаллов состава делают навески из плавленных реактивов СdF₂ и МnF₂ марки "осч" в отношении 99,5 и 0,5 мол. соответственно. Все последующие операции выполняют, как описано в примерах 1-4.

На фиг. 4 представлены времена высвечивания некоторых кристаллов, определенные с помощью одноэлектронной методики с использованием ФЭУ-71.

Из рисунков видно, что в спектрах эмиссии появляется компонента c временем жизни возбужденного состояния менее 3 нс.

Таким образом, получены новые сверхбыстрые, высокоплотные, радиационно-стойкие сцинтилляционные материалы, люминесцирующие в видимой области длин волн, что допускает использование светодиодной системы регистрации импульсов в физике высоких энергий.

Использование: для регистрации ионизирующих излучений. Сущность изобретения: радиационностойкие (10⁶-10⁹рад) материалы с высоким временным разрешением (до 1,3 3 нс) и высоким световыходом (0,3 1,22% от NaI(Т1)), которые можно применять для регистрации ионизирующих излучений высоких энергий. Монокристаллические материалы представляют собой твердые растворы на основе CdF₂ и соответствуют эмпирическим формулам Cd_1-xR_xF_2-x (R Nd, Sm, Eu, Tm, Yb, x 0,0005 0,05) Cd_1-xM_xF_2-x (M Bi, Iu, x 0,005 0,05), Cd_1-xMn_xF₂ (x 0,0005 0,05). Монокристаллы указанных составов выращены методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях во фторирующей атмосфере. 4 ил. 1 табл.

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, состоящий из монокристаллического фторида кадмия CdF₂, отличающийся тем, что он дополнительно содержит добавку фторида редкоземельного элемента RF₃, где R Nd, Sm, Eu, Tm, Yb, или добавку фторида металла MF₃, где M Bi, In, или добавку MnF₂ в количестве 0,05 5 мол. с образованием твердых растворов в соответствии с общими формулами
Cd_1-x R_x F_2+x (R Nd, Sm, Eu, Tm, Yb;
x 0,0005 0,05);
Cd₁^-_x M_x F_2+x (M Bi, In;
x 0,0005 0,05),
Cd_1-x MnF₂ (x 0,0005 0,05).