НЕОРГАНИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР Российский патент 1997 года по МПК G01T1/202 C09K11/89 

Изобретение относится к области сцинтилляционных детекторов ионизирующих излучений, преимущественно к области сцинтилляционных детекторов для визуализации и регистрации импульсных пучков электронов высокой плотности.

Известны неорганические сцинтилляторы для регистрации импульсных пучков электронов на основе NaI-Tl, CsI-Tl, Bi₄Ge₃O₁₂ и другие [1, 2] Они обладают достаточно высокими эффективными атомными номерами соответственно Z_эфф= 49,8; 54, 71,7, т.е. пригодны для регистрации высокоэнергетического излучения. Однако известные сцинтилляторы чувствительны ко всем видам излучения, т. е. они не обладают необходимой избирательностью: с их помощью на фоне ядерных α-, β-, γ -излучений не могут быть выделены подлежащие регистрации импульсные пучки электронов высокой плотности, создаваемые сильноточными ускорителями.

Известны детекторы g и рентгеновского излучения на основе кристаллов иодида ртути, использующие полупроводниковые свойства этого материала [1, 3-9] т.е. известны полупроводниковые детекторы на основе HgI₂ красной, тетрагональной модификации.

Детекторы на основе тетрагональной HgI₂ обладают параметрами [1, 3-9]
плотность, г/см³ 6,38
точка плавления, ^oC 250
температура фазового перехода, ^oC в желтую модификацию 127
ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ 2,13 (582 нм)
диэлектрическая постоянная 9,2
среднее время жизни носителей заряда:
электронов, мкс 1,0 [1]
дырок, мкс 3,5 [1]
диапазон регистрируемых энергий, кэВ 1 1000
напряжение смещения, В 200 2000
ток утечки, пА 50 100
энергетическое разрешение:
неохлаждаемые детекторы, эВ 750 30000 [1]
охлаждаемые детекторы, эВ 200 653 [8]
Во всех известных публикациях кристаллы иодида ртути используют в качестве прямозонного полупроводникового детектора излучения [1, 3-9] Так в патенте США [9] описаны комбинированный детектор, содержащий сцинтиллятор и тело из двуиодистой ртути. Ионизирующее излучение регистрируется сцинтиллятором. Световая вспышка, возникающая в сцинтилляторе, попадает затем на тело из HgI₂. Тело из HgI₂ используется как полупроводниковый детектор, в нем, в HgI₂ возникает ток под действием световой вспышки, поступающий от сцинтиллятора.

Проводимые систематические исследования кристаллов иодида ртути HgI₂ (тетрагональной, красной модификации) позволили обнаружить возникающие в этих кристаллах при комнатной температуре 295-300 К световые вспышки (сцинтилляции) непосредственно при воздействии на них импульсных электронных пучков высокой плотности 300 ± 100 А/см² при энергии 160 200 кэВ. Во всех известных публикациях по дииодиду ртути других авторов такого эффекта не было обнаружено. Особенностью кристаллов HgI₂ является их избирательность, а именно то, что сцинтилляции в них наблюдаются только в случае возбуждения импульсными электронными пучками высокой плотности, тогда как возбуждение их a-частицами (Pu 239, E 5,12 МэВ) или b-частицами (γ-90; Sr-90, Emaxβ

= 2,18 МэВ) или g-квантами (Cs 137; 662 кэВ) не вызывало в них сцинтилляций, превышающих фон. Т.е. кристаллы HgI₂ не чувствительны как сцинтиллятор к этим видам ядерных излучений. Сцинтилляционные свойства кристаллов HgI₂, соответствующие воздействию импульсных электронных пучков высокой плотности, приведены в таблице.

Спектральная область импульсного свечения иодида ртути 515 615 нм. Максимум спектра излучения расположен при 575 580 нм при крае поглощения 589 590 нм.

На чертеже приведен спектр сцинтилляционной вспышки.

Собственное свечение HgI₂ с максимумом при 575 580 нм носит надкраевой характер. Оно обусловлено излучательной рекомбинацией нерелаксированных электронов и дырок вблизи дефектов решетки иодида ртути. Рекомбинация носит электронно-колебательный характер, линейность спектра свечения при однократном возбуждении говорит об участии фононов в этом процессе (чертеж, кривая 1). При импульсно-периодическом воздействии спектр фононных повторений размывается (чертеж, кривая 2), однако характер электронно-колебательной люминесценции остается надкраевым с максимумом при 575 -580 нм. Под действием импульсных электронных пучков в кристаллах HgI₂ наблюдается желтовато-оранжевые вспышки. Сцинтилляционная эффективность иодида ртути составляет C_отн= 10,1% относительно таковой для эталона CsI-Tl. Это неожиданный результат. Если учесть, что основная часть собственного излучения HgI₂ с длиной волны l_изл 575-580 нм поглощается кристаллом (последний прозрачен лишь до 582 590 нм), то величину C_отн= 10,1% следует считать аномально высокой. Поскольку при обычном возбуждении кристаллов иодида ртути (при возбуждении α-, β-, γ -излучением радионуклидов) сцинтилляционная эффективность близка к нулю, наблюдаемая аномально высокая сцинтилляционная эффективность кристаллов HgI₂ C_отн= 10,1% при воздействии на них сильноточных импульсных электронных пучков нано- и пикосекундного диапазона высокой плотности может быть обусловлена только пороговыми плотностными эффектами перколяционного характера. Этому способствует невысокая энергия образования пары носителей заряда (электрона и дырки), равная W 4,2 эВ. [1]
В затухании сцинтилляций HgI₂ наблюдается только одна компонента экспоненциального характера с длительностью 2,1 ± 0,07 мкс, что соизмеримо с временем жизни дырок 2,5 мкс [1] в HgI₂. По-видимому, рекомбинационный процесс, ответственный за сцинтилляции в HgI₂ определяется дырочной компонентой.

Как видно из таблицы, предлагаемый сцинтиллятор на основе HgI₂ обладает более высоким эффективным атомным номером Z_эфф= 67,3, нежели широко применяемый промышленный сцинтиллятор CsI-Tl, т.е. он более, нежели эталон, пригоден для регистрации высокоэнергетического излучения высокой плотности.

Основным преимуществом предлагаемого сцинтиллятора на основе HgI₂ в сравнении с эталоном CsI-Tl и другими известными сцинтилляторами является его избирательность к электронным сильноточным пучкам нано- и пикосекундной длительности, он их уверенно (с эффективностью 10,1% относительно CsI-Tl) регистрирует на фоне ядерных a-, β-, γ -излучений, оставаясь практически нечувствительным к последним как сцинтиллятор.

Исполизованная литература:
1. Горн Л.С, Хазанов Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. Энергоатомиздат. М. 1989, 232 с.

2. ШульгинБ.В. Полупанова Т.И. Кружалов А.В. Скориков В.М. Ортогерманат висмута. Внешторгиздат, Екатеринбург, 1992.

3. Авчиев И.А. Платова А.И. Полупроводниковые детекторы в технике ядерно-физических измерений. Обзорная информация ВНИИГПЭ. Важнейшие изобретения года. Серия техническая физика, М. 1987, с. 22 26.

4. Van den Berg L. Wited R.C.//IEEE Trans. Nucl. Sci. 1978, v. 25, N 1, p. 395 397.

5. Залетин В.М. Ножкина И.Н. Фомин В.И. и др. Атомная энергия, 1980, т. 48, вып. 3, с. 169 172, 1982, т. 52, вып. 3, с. 193 195.

6. Dabrowsky A.I. et al. Nucl. Instrum and Methods. 1983, v. 213, N 1, p. 89 94.

7. Гайслер В. А. Залетин В.М. и др. Дииодид ртути. Наука, Новосибирск, 1984, 104 с.

8. Ревенко А.Г. Заводская лаборатория, 1992, N 6, с. 12 19.

9. Патент США N 4613756, 1986, G 01 T 1/24.

Использование: в качестве избирательного детектора для визуализации и эффективной регистрации импульсных пучков электронов высокой плотности на фоне α-, β-, γ - ядерных излучений радионуклидов в частности, для визуализации и регистрации электронных пучков, создаваемых сильноточными ускорителями электронов нано- и пикосекундного диапазона. Сущность изобретения: применение известных полупроводниковых кристаллов иодида ртути HgI₂ (красной тетрагональной модификации) в качестве неорганического сцинтиллятора, обладающего высокой сцинтилляционной эффективностью C_отн при регистрации электронных пучков высокой плотности и практически не чувствительного как сцинтиллятор к ядерным α-, β-, γ- излучениям радионуклидов. 1 ил., 1 табл.

Применение кристаллического дииодида ртути тетрагональной модификации в качестве неорганического сцинтиллятора для регистрации сильноточных импульсных пучков электронов нано- и пикосекундной длительности.