МАТЕРИАЛ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К ИОНИЗИРУЮЩЕМУ ИЗЛУЧЕНИЮ Российский патент 1996 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к регистрации ионизирующего излучения, основанной на радиофотолюминесценции.

Регистрация ионизирующего излучения основана на том, что образованные в люминофоре под действием ионизирующего излучения носители заряда локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном возбуждении, вызванном, например, освещением люминофора определенным участком спектра света. Наблюдаемые при этом оптические эффекты могут служить мерой поглощенной энергии. Примерами таких эффектов могут быть собственно люминесценция, окрашивание люминофора, деградация люминесценции.

В настоящее время широко изучаются чувствительные к ионизирующему излучению материалы, представляющие собой твердые изоляторы с широким диапазоном оптической прозрачности, например щелочно-галогенидные соединения (NACl, LiF). Они состоят из двух взаимопроникающих кубических решеток, содержащих щелочные и галогенидные ионы.

Под действием ионизирующего излучения в таких кристаллах образуется большое число различных дефектов кристаллической решетки вакансий, свободных электронов и более сложных агрегатных образований. Появление дефектов изменят оптические свойства кристалла ранее прозрачный кристалл становится способен поглощать свет и люминесцировать при облучении светом в полосах поглощения. При этом поглощение и излучение света происходит на дефектах, образованных ионизирующим излучением.

Однако на практике использование для регистрации ионизирующего материала на основе чистого кристалла не нашло применения, так как ни эффективность, ни воспроизводимость не соответствуют предъявляемым требованиям. Однако положение меняется, если чувствительный к ионизирующему излучению материал содержит щелочно-галоидные кристаллы и определенные модификаторы в виде твердого раствора. Модификатор становится основным центром, на котором локализуются первичные радиационные дефекты. Влияние дефектов роста кристаллов существенно снижается, что приводит к улучшению воспроизводимости результатов регистрации ионизирующего излучения. Повышению эффективности и воспроизводимости способствует также то, что образующиеся дефекты, включающие в себя ионы модификатора, более энергетически стабильны, т.е. позволяют осуществлять регистрацию и хранение при комнатной температуре.

Известен материал, чувствительный к R-лучам, используемый для регистрации рентгеновских изображений с помощью электронно-оптических преобразователей. Такой материал включает монокристаллы Csl, модифицированные ионами Тl или Na.

Такой материал обеспечивает пространственное разрешение, соответствующее 10 лин/мм, при этом регистрация изображения осуществляется только в момент его облучения, в связи с чем считывание информации происходит фрагментарно, не обеспечивает получение всей информации одновременно.

Известен материал на основе кристаллического соединения BaFBr, модифицированного ионами двухвалентного Eu. Материал применяется для регистрации рентгеновского излучения. Под действием рентгеновского излучения в нем накапливается энергия за счет перехода Еu²⁺ в Eu³⁺. Накопленная энергия может быть высвечена в виде люминесценции при возбуждении Не-Ne-лазером. Измерение интенсивности люминесценции в каждой точке дает информацию о регистрируемом изображении. Данный матеpиал позволяет регистрировать более 80% рентгеновского излучения при плотности 10² фот/(100 мкм)² и имеет широкий динамический диапазон. Однако он обеспечивает пространственное разрешение только до 100 мкм (10 лин/мм), а имеющийся динамический диапазон (10³) не позволяет решать многие задачи. Зарегистрированное изображение не может храниться долго из-за релаксации центров люминесценции (потери в количестве люминесцирующих центров до 30% за сутки). Возможно только однократное считывание, так как изображение при этом разрушается.

Известен также чувствительный к ионизирующему излучению материал, включающий поликристалл хлористого натрия, модифицированный ионами серебра. Данное известное решение принято за прототип. На основе такого материала разработан радиофотолюминесцентный дозиметр, обеспечивающий длительное хранение (от 1 до 3 мес) зарегистрированной информации и многократное ее считывание.

Но указанный материал имеет низкую разрешающую способность (не выше, чем 100 лин/мм), вследствие чего мало пригоден для рентгенографии. Кроме того, высокий порог чувствительности такого материала не позволяет измерять малые дозы ионизирующего излучения (менее 1 Р).

Помимо сказанного материалы, обладающие высокой стабильностью и возможностью многократного считывания информации, содержат серебро.

Таким образом, ни один из известных материалов не обладает совокупностью свойств, обеспечивающих эффективную регистрацию ионизирующего излучения.

В основу изобретения положена задача путем обеспечения образования стабильных центров люминесценции, возникающих под действием ионизирующего излучения, создать материал, высокочувствительный к ионизирующему излучению, позволяющий получить более высокой пространственное разрешение и возможность многократного воспроизведения получаемой информации без использования драгоценных металлов.

Эта задача решается тем, что материал, чувствительный к ионизирующему излучению, включающий щелочно-галоидный кристаллический материал, имеющий структуру типа NaCl, модифицированный ионами металлов, согласно изобретению содержит в качестве модифицирующих ионов ионы металлов, выбранных из группы, включающей никель, индий, таллий, галлий, палладий.

Данный материал имеет динамический диапазон чувствительности, равный 5·10³, т.е. от 50 мР до 250 Р, и обеспечивает разрешающую способность от 100 до 300 лин/мм и возможность хранения информации 3-5 мес при многократном считывании.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы материал включал щелочно-галоидный кристаллический материал, представляющий собой монокристалл, что позволяет уменьшать светорассеяние и концентрацию дефектов кристаллической решетки, обеспечивая тем самым предельную разрешающую способность.

Вариант выполнения изобретения состоит в том, что материал включает модифицирующие ионы двухвалентного никеля в концентрации, составляющей 0,02-1 мол. Материал такого состава имеет наиболее низкий порог чувствительности (50 мР), вследствие чего является наиболее пригодным для дозиметрии ионизирующего излучения.

Другой вариант выполнения изобретения состоит в том, что материал включает модифицирующие ионы галлия, индия, палладия, таллия в концентpации, составляющей 0,1-1 мол. Материал такого состава обеспечивает высокое пространственное разрешение, что позволяет его использовать для рентгенографии.

Материал, чувствительный к ионизирующему излучению, представляет собой щелочно-галоидный поли- или монокристалл с кубической объемно-центрированной решеткой типа NaCl. Примером таких кристаллов могут служить кристаллы хлористого калия, фтористого лития, бромистого натрия, иодистого калия и хлористого натрия. Указанные кристаллы согласно изобретению модифицированы ионами никеля, галлия, индия, таллия, палладия, которые находятся в материале в виде твердого раствора. Именно указанные модифицирующие ионы позволяет создать в названных кристаллах центры люминесценции, более стабильные по сравнению с центрами, возникающими при модификации иными ионами, что обеспечивает достижение динамического диапазона чувствительности, равного 5·10³, т.е. от 50 мР до 250 Р, разрешающую способность от 100 до 300 лин/мм и возможность хранения информации 3-5 мес при многократном считывании.

Наиболее низким порогом чувствительности (50 мР) обладают щелочно-галоидные кристаллы, модифицированные ионами двухвалентного никеля, присутствующими в концентрации 0,02-1 мол. Установлено, что при концентрации ниже 0,02 мол. разрешающая способность материала ухудшается, снижается порог чувствительности (< 250 Р), а при концентрации ионов двухвалентного никеля выше 1 мол. материал приобретает способность люминесцировать до воздействия ионизирующего излучения, что также снижает характеристики такого материала.

Наиболее высокую разрешающую способность имеет материал, в котором щелочно-галоидные кристаллы модифицированы ионами индия, галлия, таллия, палладия в концентрации 0,1 1 мол. Выбор интервала концентрации указанных модифицирующих ионов обусловлен падением чувствительности материала при концентрации менее 0,1 мол. и уменьшением разрешающей способности при повышении концентрации более 1 мол.

Материал, содержащий ионы никеля, наиболее предпочтительно использовать в радиофотолюминесцентных дозиметрах ионизирующего излучения и определять дозы облучения, начианя с 50 мР, с многократным воспроизведением результатов измерений.

Материал, содержащий ионы галлия, индия, таллия, палладия, наиболее пригоден для использованив а радиографии, обеспечивая максимальную разрешающую способность.

Материал на основе щелочно-галоидного монокристалла позволяет получать предельные значения разрешающей способности и обладает наиболее низким порогом чувствительности, тогда как материал на основе поликристалла более прост в изготовлении.

Материал может использоваться многократно без изменения его свойств.

П р и м е р 1. Материал, чувствительный к ионизирующему излучению, представляет собой выращенный из расплава монокристалл хлорида калия, модифицированный ионами индия, в концентрации 0,1 мол. Материал облучают рентгеновским излучением с последующей выдержкой на свету. При этом получают скрытое изображение, образованное структурными дефектами с модифицирующими ионами. Полученное изображение считывают путем регистрации люминесценции структурных дефектов кристалла при длинах волн 530 580 нм, облучая материал в области полосы возбуждения этих дефектов с максимум при 314 нм (УФ-свет). Режимы облучения: энергия квантов 12 кэВ, доза 1 Р.

Разрешение полученного изображения составляет 200 лин/мм, возможно многократное считывание без ухудшения изображения. Изображение сохраняется 6 мес.

П р и м е р 2. Материал, чувствительный к ионизирующему излучению, представляет собой прессованный поликристалл хлористого натрия, модифицированный ионами таллия, в концентрации 0,5 мол. Материал облучают в условиях, аналогичных указанным в примере 1, но считывают изображение при возбуждении структурных дефектов кристалла в области 320-350 нм.

Разрешение полученного изображения составляет 300 лин/мм, возможно многократное считывание без ухудшения изображения. Изображение сохраняется 6 мес.

П р и м е р 3. Материал, чувствительный к ионизирующему излучению, представляет собой монокристалл фтористого лития, модифицированный ионами галлия, в концентрации 1 мол. Материал облучают в условиях, аналогичных указанным в примере 1, но считывают получаемое изображение при возбуждении дефектов кристалла в области 330 нм.

Разрешение полученного изображения составляет 300 лин/мм, возможно многократное считывание без ухудшения изображения. Изображение сохраняется 6 мес.

П р и м е р 4. Материал, чувствительный к ионизирующему излучению, представляет собой монокристалл фтористого лития, модифицированный ионами никеля, в концентрации 0,02 мол. Материал облучают в условиях, аналогичных указанным в примере 1, но доза облучения составляет 50 Р. Полученное изображение считывают путем регистрации люминесценции структурных дефектов кристалла при длине волны 390 нм и 580 нм, полоса возбуждения этих дефектов находится в области 240-270 нм.

Разрешение полученного изображения составляет 200 лин/мм, возможно многократное считывание без ухудшения изображения. Изображение сохраняется 1 г.

П р и м е р 5. Материал, чувствительный к ионизирующему излучению, представляет собой монокристалл хлористого натрия, модифицированный ионами никеля, в концентрации 0,25 мол. Материал подвергают воздействию излучения радия через свинцовый экран толщиной 0,25 мм. Доза изучения составляет 50 мР. Полученную дозу изучения регистрируют измерением люминесценции дефектов кристалла в условиях, аналогичных указанным в примере 4. При этом отношение сигнала к шуму равно двум.

Информация о накопленной дозе сохраняется в течение 3 мес.

П р и м е р 6. Материал, чувствительный к ионизирующему излучению, представляет собой монокристалл хлористого калия, модифицированного ионами палладия, в концентрации 0,5 мол. Материал облучают в условиях, аналогичных указанным в примере 1, но считывают получаемое изображение при возбуждении дефектов кристалла в области 250-330 нм.

Разрешение полученного изображения составляет 100 лин/мм, возможно многократное считывание без ухудшения изображения. Изображение сохраняется 3 мес.

Данный материал, чувствительный к ионизирующему излучению, найдет применение для дозиметрии и измерения пространственного распределения рентгеновского излучения, его визуализации, анализа и хранения, преимущественно в дефектоскопии, дифрактометрии, рентгеновской микроскопии.

Использование: для регистрации ионизирующего излучения, основанной на радиофотолюминесценции. Сущность изобретения: используют щелочно-галоидный кристаллический материал, имеющий структуру типа Na Cl и модифицированный ионами металла. В качестве модифицирующего металла используют либо двухвалентный никель в концентрации 0,02 - 1 мол.%, либо один из следующих элементов: галлий, индий, таллий, палладий в концентрации 0,1 - 1 мол.%. Щелочно-галоидный кристаллический материал может быть моно- либо поликристаллом. Данный материал является высокочувствительным к ионизирующему излучению, позволяет получить высокое пространственное разрешение и возможность многократного воспроизведения информации без использования драгоценных металлов. 3 з. п. ф-лы.

1. МАТЕРИАЛ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К ИОНИЗИРУЮЩЕМУ ИЗЛУЧЕНИЮ, состоящий из щелочно-галоидного кристаллического материала, имеющего структуру типа NaCl, модифицированного ионами металла, отличающаяся тем, что в качестве ионов модифицирующего металла используют один из следующих элементов: никель, галлий, индий, таллий, палладий. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что щелочно-галоиддный кристаллический материал представляет собой монокристалл. 3. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве иона модифицирующего металла используют двухвалентный никель в концентрации 0,02 - 1,00 мол. %. 4. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве иона модифицирующего металла используют один из следующих элементов: галлий, индий, таллий, палладий, в концентрации 0,1 - 1,0 мол.%.