ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ СЦИНТИЛЛЯТОР Российский патент 1996 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для регистрации ионизирующего излучения, вызывающего световые вспышки в сцинтилляторе.

Известны кристаллофосфоры (например, ZnS, Csl, NaI), органические кристаллы (например, антрацен, стильбен), растворы пластмасс и др. [1]
Недостатком известных твердотельных сцинтилляторов является высокая плотность их твердотельной основы ρ=4,5÷1,1 г/см³ (Сsl -ρ=4,5 г/см³; раствор р-терфинила в ксилоле с добавкой РОРОР -ρ=1,1 г/см³ (РОРОР-1,4-ди(-2-(5-фенилоксазонол))-бензол), препятствующая при регистрации частиц низких энергий. Поэтому для исследования частиц малых энергий (≅ 0,1 МэВ) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов необходимо применять инертные газы (например, Хе, Kr, Ar и др.).

Задачей настоящего изобретения является понижение плотности сцинтиллятора. Для этого в качестве твердотельной основы сцинтиллятора выбран кремниевый аэрогель. Как сцинтиллирующую добавку можно использовать, например, РОРОР.

Аэрогели это высокопористые, искусственно созданные, твердотельные материалы, состоящие, в основном, из окисей и воздуха (или другого газа). Кремниевые аэрогели представляют собой смесь SiO₂ и воздуха. Впервые были синтезированы еще в 1932 г. [2] однако их широкое применение началось лишь 10-15 лет тому назад после того, как было найдено множество технических применений их уникальным свойствам (таких как низкий показатель преломления n 1,01-1,1; низкая плотность, заполняющая промежуток между газами и концентрированными средами ρ=0,1÷0,5 г/см³; оптическая прозрачность; низкая теплопроводность и др.).

По своей структуре кремниевый аэрогель состоит из зерен SiO₂ с диаметром ≈ 4 нм и воздушных пор, средний диаметр которых составляет ≈ 60 нм [3]
В результате частица, пролетающая через эту мелкозернистую структуру, при влете и вылете из многочисленных шариков SiO₂ будет излучать оптическое переходное излучение (ОПИ) со сплошным спектром, основная доля которого, благодаря зависимости спектра ~1/λ, приходится на ультрафиолетовую область. Часть ультрафиолетового спектра переходного излучения, переизлученная благодаря сцинтиллирующей добавке в видимую часть спектра, выйдет из аэрогеля и может быть дополнительно использована при регистрации частиц аэрогельным сцинтиллятором.

Кремниевые аэрогели прозрачны для видимой части спектра, и поэтому основное требование к сцинтилляторам прозрачность для собственного излучения в предлагаемом аэрогельном сцинтилляторе выполнено.

На фиг. 1 схематически изображена внутренняя структура кремниевого аэрогеля [3] где: 1 зерна SiO₂ нм, 2 воздушные поры нм, 3 регистрируемые частицы (электроны). Пролетая через множество мелких кремниевых шариков, заряженная частица при влете и вылете из шарика испускает оптическое переходное излучение.

На фиг. 2 представлен расчет спектра ОПИ, испускаемого заряженной частей в SiO₂ [4] при однократном переходе границы, где d²W/dΩdλ энергия, излучаемая частицей в единицу пространственного угла dΩ на единицу длины волны dλ; q угол наблюдения излучения относительно направления движения частицы. Из рисунка видно, что основная доля испускаемого ОПИ лежит в коротковолновой части спектра.

На фиг. 3 представлены спектральные зависимости поглощения и излучения добавки РОРОР [5] где А молярный коэффициент поглощения излучения (кривая 1), Е коэффициент испускания излучения (кривая 2). Из рисунка видно, что максимум кривой поглощения добавки РОРОР находится в коротковолновой области спектра, ~λ=350 нм, где испускается основная доля ОПИ. Конкретный пример выполнения.

На фиг. 4 представлена схема опыта испытания образца аэрогельного сцинтиллятора аэрогеля с добавкой РОРОР, где 1 аэрогельный сцинтиллятор; 2 ФЭУ; 3 радиоактивный источник Tl20181

; 4 коллиматор, Pb; 5 светозащитный кожух; Д дискриминатор; П пересчетное устройство.

Из исходного сырья тетраметоксисилана (СН₃O)₄Si был сначала приготовлен образец алкогеля. Затем методом сверхкритической сушки, проводимой в автоклаве в заданном режиме температуры и давления, образец алкогеля был превращен в кремниевый аэрогель. После откачки воздуха из автоклава образец аэрогеля был наполнен парами сцинтиллирующей добавки РОРОР. Сцинтиллирующая добавка, внесенная таким способом в аэрогель, составила ≈ 10% от его общей массы.

Образец полученного аэрогельного сцинтиллятора 1 (фиг. 4) был затем помещен в специальную измерительную камеру 5 между коллимированным источником электронов Tl20181

-3 и фотокатодом ФЭУ 2. Регистрация сигналов от ФЭУ проводилась стандартным одноканальным спектрометром (STRAHLUNGSMESSGERAT, VEB RFT MESSELEKTRONIK, TYP 20026), содержащим дискриминатор Д и пересчетное устройство П. Скорость счета при этом по сравнению с аэрогелем без сцинтиллирующей добавки возросла примерно в 5 раз.

Испытания изготовленного нами образца аэрогельного сцинтиллятора в сцинтилляционном счетчике, схема которого приведена на фиг. 4, таким образом, подтвердили его пригодность для регистрации электронов, испускаемых радиоактивным источником Tl20181

c энергиями Е < Е _макс. (Tl20181) (Е_макс. 770 кэВ).

Аэрогельный сцинтиллятор, благодаря своей низкой плотности, пригоден для сцинтилляционных счетчиков, создаваемых для исследований частиц малых энергий. Однако его также можно использовать и в экспериментах физики высоких энергий, в сцинтилляционных счетчиках, входящих в комплексы аппаратуры, где имеется необходимость помещать на пути частиц как можно меньше вещества.

Сущность изобретения: в качестве основы твердотельного сцинтиллятора используют прозрачный кремниевый аэрогель. Кремниевый аэрогель состоит из зерен SiO₂ с диаметром около 4 нм и воздушных пор, средний диаметр которых около 60 нм. В качестве сцинтиллирующей добавки может быть использован РОРОР. Аэрогельный сцинтиллятор благодаря своей низкой плотности может быть использован для исследования частиц малых энергий. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сцинтиллятор, представляющий собой твердотельную основу с сцинтиллирующей добавкой, отличающийся тем, что в качестве основы выбран прозрачный кремниевый аэрогель. 2. Сцинтиллятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллирующей добавки используется РОРОР.