КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР "ЛИЯ-1" Российский патент 1996 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, в частности к неорганическим кристаллическим сцинтилляторам, в которых под действием ионизирующих излучений возникают световые вспышки сцинтилляции.

Основными характеристиками кристаллических сцинтилляторов являются плотность, эффективный атомный норме (Z эфф), показатель преломления (n), световыход сцинтилляций, спектр люминесценции, время высвечивания (τ), рабочая температура.

Области применения предъявляют к сцинтилляторам ряд жестких требований, а именно материалы должны быть негигроскопичны и прозрачны для собственного свечения.

Известны кристаллические органические сцинтилляторы (КОС) антрацен, тресстильбен, толан и другие [1] КОС имеют невысокую плотность от 1,16 до 1,25 и малую величину Z эфф, а чем больше величина этих характеристик, тем выше вероятность взаимодействия ионизирующих частиц с веществом сцинтиллятора. КОС характеризует низкая температура плавления, поэтому интервал рабочей температуры у них ограничен.

Но КОС обладают преимуществами перед неорганическими кристаллическими сцинтилляторами по времени высвечивания (τ), которое, например, у транссетильбена 4-8 нс, в то время как у лучшего неорганического сцинтиллятора иодистого натрия (NaJ-Te) 210 нс. Малая величина τ дает преимущества в измерительных устройствах, например, по временному разрешению детекторов.

Наиболее близким техническим решением являются кристаллические неорганические сцинтилляторы (КНС) типа NaJ-Te, CsJ-Te [2] которые обладают высокой плотностью 3,67 и 4,51 г/см³, большой величиной Z эфф 50 и 54, а также широким рабочим температурным диапазоном ввиду высокой температуры плавления у этих материалов. КНС обладают также высоким световым выходом.

Недостатками КНС являются большое время высвечивания 210 и 700 нс соответственно, а также высокая гигроскопичность. Применение их в атмосферных условиях без специальной защиты невозможно.

Задачей изобретения является получение негигроскопичных кристаллических неорганических сцинтилляторов, обладающих малым временем высвечивания, более высокой плотностью и эффективным атомным зарядом, а также повышенной прозрачностью в видимом и ИК-диапазоне.

Поставленная задача решается за счет того, что сцинтиллятор содержит галогениды серебра при следующем соотношении ингредиентов (вес.):
хлорид серебра 22-27
бромид серебра 77,99-72,50
иодид серебра 0,01-0,50
Эти кристаллы обладают следующими свойствами:
негигроскопичны и нетоксичны, растворимость в воде при 25^oС 0,178•10^-3 г/дм³, т.е. практически не растворимы;
небольшое время высвечивания не менее 20 нс, сравнимо с временем кристаллических органических сцинтилляторов;
высокая плотность кристаллов 6,4 г/см³;
показатель преломления 2,2;
эффективный атомный номер Z эфф 42,6-42,7;
световыход a-сцинтилляций (плутоний-229) составляет 40-50% относительно световыхода стильбена;
максимум спектра свечения 400 мн.

Таким образом, сущность изобретения состоит в том, что известные кристаллы на основе хлорид-бромида серебра, применяемые в волоконной оптике и инфракрасной технике, содержат дополнительно иодид серебра в количестве 0,01-0,50 вес. наличие которого превращает кристаллы в сцинтилляторы (см. примеры 1-3).

Увеличение содержания иодида серебра в кристаллах более 0,5 вес. приводит к ухудшению их оптических свойств. Они вырастают блочными, неоднородными по составу, а после воздействия ионизирующего излучения кристаллы разлагаются с выделением серебра и его окисных соединений (пример 4).

При уменьшении в кристаллах иодида серебра менее 0,01 вес. сцинтилляционные свойства отсутствуют (пример 5).

Пример 1. По методу Стокбаргера вырастили кристалл, содержащий 22 вес. хлорида серебра, 77,99 вес. бромида серебра и 0,01 вес. иодида серебра. С целью получения гомогенного однородного сырья для выращивания кристаллов в него при синтезе вводили иодид-ионы.

После вырезания цилиндрической заготовки 10 х 10 мм и оптической обработки поверхности кристалла определяли световыход сцинтилляций при альфа-возбуждения (плутоний-239) на аттестованной установке согласно ГОСТам. Световыход сцинтилляций составлял 40% от стильбена.

Спектр рентгенолюминесценции определяли на установке АСНИ. Возбуждение от аппарата УРС-1. 0, медный катод, напряжение 40 кВ, ток 10 мА. Получена длина волны (λ_макс), соответствующая максимуму спектра люминесценции, 400 нм, полуширина 90 нм (рис.1). Измерения среднего участка спектра проведены для выявления узких полос поглощения, наложенных на непрерывный континиум (аппаратное разрешение 2 нм). Таковых не обнаружено.

Осциллографическим методом при возбуждении электронным пучком (150 кэВ, 10 нс) измерено время затухания сцинтилляций, т.е. время высвечивания.

Длительность импульса составляла менее 20 нс, следует отметить, что это предельное временное разрешение метода.

Полученные сцинтилляторы имеют однородную структуру, негигроскопичны и нетоксичны. Растворимость в воде при 25^oС составляет 1,178•10³ г/дм³. Плотность их составляет 6,4 г/см³, Z эфф 42,7, показатель преломления 2,2.

Однородность сцинтиллятора по составу определяли следующими методами:
лазерной калориметрией, анализировали коэффициент объемного поглощения на длинах волн СО- и СО₂-лазеров, он составляет (3-5)•10^-5 см^-1, что свидетельствует о высокой чистоте и однородности кристаллического неорганического сцинтиллятора;
рентгено-спектральным методом и титриметрическим анализировали химсостав по высоте и ширине КНС;
химико-спектральным методом анализировали примеси: железо, медь, никель, марганец, титан, олово, свинец, магний, алюминий и др. Содержание их в образцах менее 10^-5-10^-6 вес. (чувствительность метода). Этот показатель также свидетельствует о высокой однородности и чистоте сцинтилляторов.

Пример 2. Из кристалла, содержащего 25 вес. хлорида серебра, 74,8 вес. бромида серебра и 0,2 вес. иодида серебра, вырезали цилиндрическую заготовку размером 10 х 10 мм, оптически обрабатывали торцы и проводили измерения как в примере 1.

Получили нетоксичный однородный по составу сцинтиллятор со следующими свойствами. Растворимость в воде при 25^oС 1,178•10^-3 г/дм³, т.е. практически не растворим. Длина волны λ_макс,, соответствующая максимуму спектра люминесценции, составляла 400 нм, полуширина 90 нм (см.чертеж). Время высвечивания составляло менее 20 нс. Световыход сцинтилляций составлял 40% от стильбена. Плотность сцинтиллятора 6,4 г/см³, показатель преломления 2,2, что очень важно для применения его в спеццелях; Z эфф 42,7. Однородность сцинтилляторов по составу определяли методами лазерной калориметрии, рентгено-спектральным, титриметрическим и химико-спектральным. Сцинтилляторы однородные.

Пример 3. Методом Стокбаргера выращивали кристалл, содержащий в вес. хлорид серебра 27, бромид серебра 72,5 и иодид серебра 0,5.

Измерения проводили как в примере 1.

Получили нетоксичный, негигроскопичный, однородный сцинтилляционный кристалл, обладающий свойствами: время высвечивания менее 20 нс, максимум спектра люминесценции 400 нм, полуширина 90 нм (см.чертеж), световыход сцинтилляции составляет 50% от стильбена, плотность 6,4 г/см³, показатель преломления 2,2, Z эфф. 42,7.

Пример 4. По методу Стокбаргера вырастили кристалл, содержащий 22 вес. хлорида серебра, 77 вес, бромида серебра и 1 вес. иодида серебра.

Из кристалла вырезали цилиндрическую заготовку 10 х 10 мм, торцы отполировали. На аттестованной установке согласно ГОСТу определяли световыход сцинтилляций при альфа-возбуждении плутоний-239. Световыход составляет менее 1% от стильбена.

Кроме того, кристалл с добавлением такого количества иода вырастает блочным, что наглядно видно при прохождении лазерного луча через него. Коэффициент объемного поглощения на длинах волн СО- и СО₂-лазеров составляет n•(10^-4-10^-3) см^-1, что свидетельствует о неоднородности кристалла, которая подтверждается анализами на химсостав по длине и ширине образца.

В блочных кристаллах под действием ионизирующих излучений по границам блоков восстанавливается серебро и окись серебра, т.е. кристалл разлагается, загрязняется собственными продуктами разложения, значительно ухудшаются оптические характеристики.

Пример 5. Вырастили кристалл, содержащий 24,995 вес. хлорида серебра, 75 вес. бромида серебра и 0,005 вес. иодида серебра. После оптической обработки кристалла измерили коэффициент объемного поглощения на длинах волн СО- и СО₂-лазеров. Он составлял 5•10^-5 см^-1. Химико-спектральным методом определили примесный состав менее 10^-4-10^-6 вес. (как в примере 1) и рентгено-спектральным методом - химсостав. Кристалл однороден по высоте и ширине, имеет плотность 6,4 г/см³, n 2,2, Z эфф 42,7.

Световыход сцинтилляций составил менее 10% от стильбена, т.е. кристалл обладает неудовлетворительными сцинтилляционными свойствами.

Из литературы широко известно использование галогенидов серебра в качестве светочувствительных материалов, однако наличие у их кристаллических модификаций сцинтилляционных свойств не обнаружено.

Заявляемому веществу присвоено авторское наименование ЛИЯ-1.

Использование: для регистрации частиц от ускорителей и радиоактивных источников. Сущность изобретения: сцинтиллятор состоит из галогенидов серебра в отношении (% весовые) хлорид серебра 22-27, бромид серебра 77,99-72,50, иодид серебра 0,01-0,50. Технический результат: негигроскопичный кристаллический неорганический сцинтиллятор, обладающий временем разрешения не хуже 20 нсек со световыходом 40-50% относительно световыхода стильбена. 1 ил.

Кристаллический сцинтиллятор, включающий галогениды металлов, отличающийся тем, что в качестве галогенидов металлов он содержит галогениды серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Хлорид серебра 22,00 27,00
Бромид серебра 77,99 72,50
Иодид серебра 0,01 0,50