МОНОКРИСТАЛЛЫ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА Российский патент 2000 года по МПК C30B29/32 

Настоящее изобретение касается монокристаллов вольфрамата свинца, применяемых в качестве сцинтиллятора в детекторах для излучаемых лучей, например рентгеновских лучей или гамма-лучей.

Сцинтилляторы для использования в режиме с высоким энергопотреблением должны иметь определенные характеристики, среди которых важными, в частности, являются:
(1) высокая плотность,
(2) короткое время послесвечения,
(3) исключительная жесткость излучения.

В качестве материалов, удовлетворяющих вышеупомянутым требованиям, до сих пор использовали Bi₄Ge₃O₁₂.

Однако за последние годы от сцинтилляторов потребовались характеристики более высокой работоспособности. В связи с вышеизложенным были исследованы различные вещества с целью поиска тех веществ, которые имеют характеристики более высокой работоспособности, и было установлено, что среди таких веществ для детектирования излучения применим вольфрамат свинца PbWO₄. Затем были проведены исследования с целью получения монокристаллов PbWO₄, измерения их характеристик и внедрения их в практическую эксплуатацию.

Обычно монокристаллы PbWO₄ получают способом вытягивания с вращением (методом Чохральского). То есть оксид свинца (PbO) и триоксид вольфрама (WO₃) или PbWO₄ используют в в качестве исходного материала и расплавляют в платиновом тигле и получают монокристаллы PbWO₄ методом Чохральского.

Известен способ получения монокристаллов PbWO₄, описанный в публикации Arora S. K. et.al. Flux growth and elektrical properties of PbWO₄ cristals "J. Crist. Growth" 1982, 57, N 2, стр. 452-455. Там описаны монокристаллы PbWO₄, полученные из потока Na₂WO₄, имеющие высокие диэлектрические, электрические и микротопографические характеристики. Однако в этом источнике согласно уровню техники не содержится никаких сведений об использовании кристаллов PbWO₄ в качестве сцинтиллятора в детекторах для излучаемых лучей, например рентгеновских лучей или гамма-лучей.

Кроме того, известны сцинтилляционные характеристики вольфрамата свинца, описанные, например, в публикации "Scintillation Characteristics of PbWO₄ Single Cristals at Room Temperature (M. Kobayashi et.al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 333 (1993) стр. 429-433. Таким монокристаллам вольфрамата свинца так же, как и монокристаллам, получаемым методом Чохральского, присущи следующие недостатки.

PbWO₄ получаемый до сих пор, в основном удовлетворяет трем вышеупомянутым характеристикам. Однако, поскольку исходный материал не имеет достаточной чистоты, в монокристаллы вводят примеси, придающие кристаллам желтую окраску. В монокристаллах PbWO₄ пик излучения соответствует примерно 400-420 нм. Однако, поскольку желтая окраска поглощает свет на длине волны около этого пика, излученный свет частично поглощается кристаллами путем самопоглощения, и потери света неизбежны при выводе света из кристаллов.

Для PbWO₄ светоотдача составляет около 3% от светоотдачи в Bi₄Ge₃O₁₂ (значение для PbWO₄ включает самопоглощение).

PbWO₄ превосходит существующий Bi₄Ge₃O₁₂ с точки зрения трех вышеупомянутых характеристик, но дает меньшую величину излучения. Поэтому исключительно важно уменьшить самопоглощение в PbWO₄, а именно уменьшить окрашивание кристаллов.

Между тем были предприняты различные попытки уменьшения окрашивания кристаллов. Одна из них состоит в том, чтобы повысить чистоту исходного материала, но удовлетворительный результат не получен даже при получении PbWO₄ путем повышения чистоты исходного материала до 99,999%. С другой стороны, для достижения непрозрачности также пытались использовать легирующую примесь, но это тоже не принесло успеха. При добавке молибдена оказывается, что величина излучения увеличивается в области слабого излучения, но эта величина излучения идентична той, которую получают от кристаллов без добавок в области сильного излучения, и более того, добавка молибдена ухудшает время послесвечения.

Как указано выше, уменьшение окрашивания кристаллов без ухудшения других характеристик еще не достигнуто.

Ускорители, используемые в области высокой энергии, требуют большей энергии. Тогда для получения более высокого временного разрешения необходим сцинтиллятор для детекторов излучения. Следовательно, кристаллы, используемые для создания сцинтиллятора, также должны иметь меньшее время послесвечения (предпочтительно менее нескольких наносекунд) и высокую жесткость излучения (предпочтительно более 10⁸ рад.). С другой стороны, с точки зрения чувствительности измерительной аппаратуры, большая величина излучения обеспечивает больше преимуществ. Однако монокристаллы PbWO₄, получаемые в настоящее время, не удовлетворяют таким требованиям.

Изобретение предназначено для решения вышеуказанных проблем и его задача состоит в том, чтобы разработать монокристаллы вольфрамата свинца, применяемые в качестве сцинтиллятора, используемого для детекторов излучения.

В соответствии с настоящим изобретением, вышеуказанную задачу можно решить с помощью монокристаллов вольфрамата свинца, полученных путем использования триоксида вольфрама и оксида свинца или вольфрамата свинца, в котором содержится лантан в количестве от 3 • 10^-7 моля до 10 • 10^-3 моля на один моль вольфрамата свинца.

Вышеуказанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в нижеследующем описании предпочтительных конкретных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где
на фиг. 1 изображен график, показывающий зависимость между длиной волны и коэффициентом пропускания,
фиг. 2 - график, показывающий зависимость между концентрацией лантана и степенью увеличения коэффициента пропускания.

В результате серьезного исследования монокристаллов PbWO₄ с меньшим самопоглощением света было установлено, что кривая коэффициента пропускания существующих монокристаллов PbWO₄ имеет понижение в диапазоне 420 нм, указывающее, что самопоглощение велико, и кривая вблизи конца поглощения проходит полого, как показано на фиг. 1. С другой стороны, кривая коэффициента пропускания монокристаллов PbWO₄, в которые добавлен лантан, не имеет такого опускания около 420 нм, указывая, что самопоглощение мало, и кривая резко спадает вблизи конца поглощения и указывает, что характеристика удовлетворительная. На основании этих открытий были проведены различные эксперименты и получены монокристаллы вольфрамата свинца согласно изобретению.

В монокристаллах PbWO₄ величину имеющегося света можно увеличить путем увеличения коэффициента пропускания света и уменьшения самопоглощения с помощью внедрения лантана в количестве от 3 • 10^-7 моля до 10 • 10^-7 моля на один моль PbWO₄.

Если концентрация лантана составляет 3 • 10^-7 моля или менее, появляется самопоглощение из-за окрашивания, тогда как если концентрация составляет 10 • 10^-3 моля или более, появляется черная окраска из-за того, что лантан вызывает общее самопоглощение и ухудшает коэффициент пропускания.

PbO и WO₃ или PbWO₄ используют в качестве исходного материала и расплавляют при нагреве в платиновом тигле, а монокристаллы PbWO₄ получают методом Чохральского. Содержание лантана в монокристаллах PbWO₄ составляет от 3 • 10^-7 моля до 10 • 10^-3 моля на один моль PbWO₄.

Для этой цели содержание лантана, имеющееся в PbO и WO₃ или PbWO₄, используемом в качестве исходного материала, устанавливают равным 3 • 10^-7 моля или менее. Кроме того, общее количество примесей, включающих в себя лантан, содержащийся в PbO и WO₃ или PbWO₄, устанавливают равным 1 • 10^-4 моля или менее, предпочтительно 10^-5 моля или менее.

Когда полученным таким образом монокристаллам PbWO₄ придают заранее определенный размер, подвергают зеркальной полировке и наблюдают коэффициент пропускания света, кривая коэффициента пропускания не имеет понижения около 420 нм и резко спадает в окрестностях конца абсорбции кривой, что указывает на высокие характеристики.

Пример 1
После того, как порошок PbO и порошок WO₃, чистотой по 99,99% каждый, взвесили каждый в эквимолярном количестве и смешали их, смесь загрузили в платиновый тигель диаметром 70 мм и высотой 70 мм и расплавили смесь исходных порошкообразных материалов путем индукционного нагрева, а затем методом Чохральского получили из расплавленной жидкости монокристаллы PbWO₄ в виде стержня диаметром 35 мм и длиной 65 мм. Лантан добавили в таком количестве, чтобы он присутствовал в кристаллах в количестве 3 • 10^-7 моля. Содержание лантана в порошке PbO и WO₃ составило 5 • 10^-8 или менее.

Полученные таким образом монокристаллы PbWO₄ разрезали с размерами 1х1х2 см и подвергли зеркальной полировке, а потом измерили коэффициент пропускания в диапазоне 300-600 нм в направлении толщины 1 см.

Результаты измерения показаны на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показана связь между длиной волны и коэффициентом пропускания, а на фиг. 2 показана связь между концентрацией лантана и степенью увеличения коэффициента пропускания.

Кривая коэффициента пропускания не имела понижения около 420 нм и показала резкий спад около конца поглощения кривой. Коэффициент пропускания составлял 70,5% на длине волны 420 нм, что показывает увеличение на 19,5%.

Пример 2
После того, как порошок PbO и порошок WO₃, чистотой по 99,99% каждый, взвесили каждый в эквимолярном количестве и смешали их, смесь загрузили в платиновый тигель диаметром 70 мм и высотой 70 мм и расплавили смесь исходных порошкообразных материалов путем индукционного нагрева, а затем методом Чохральского получили из расплавленной жидкости монокристаллы PbWO₄ в виде стержня диаметром 33 мм и длиной 70 мм. Лантан добавили в таком количестве, чтобы он присутствовал в кристаллах в количестве 2,2 • 10^-5 моля. Содержание лантана в порошке PbO и WO₃ составило 5 • 10^-8 или менее.

Полученные таким образом монокристаллы PbWO₄ разрезали с размерами 1х1х2 см и подвергли зеркальной полировке, а потом измерили коэффициент пропускания в диапазоне 300-600 нм в направлении толщины 1 см.

Результаты измерения показаны на фиг. 1 и фиг. 2. Кривая коэффициента пропускания не имела понижения около 420 нм и показала резкий спад около конца поглощения кривой. Коэффициент пропускания составлял 71% на длине волны 420 нм, что показывает увеличение на 20,3%.

Пример 3
После того, как порошок PbO и порошок WO₃, чистотой по 99,99% каждый, взвесили каждый в эквимолярном количестве и смешали их, смесь загрузили в платиновый тигель диаметром 70 мм и высотой 70 мм и расплавили смесь исходных порошкообразных материалов путем индукционного нагрева, а затем методом Чохральского получили из расплавленной жидкости монокристаллы PbWO₄ в виде стержня диаметром 35 мм и длиной 70 мм. Лантан добавили в таком количестве, чтобы он присутствовал в кристаллах в количестве 7,5 • 10^-4 моля. Содержание лантана в порошке PbO и WO₃ составило 5 • 10^-8 или менее.

Полученные таким образом монокристаллы PbWO₄ разрезали с размерами 1х1х2 см и подвергли зеркальной полировке, а потом измерили коэффициент пропускания в диапазоне 300-600 нм в направлении толщины 1 см.

Результаты измерения показаны на фиг. 1 и фиг. 2. Кривая коэффициента пропускания не имела понижения около 420 нм и показала резкий спад около конца поглощения кривой. Коэффициент пропускания составлял 70% на длине волны 420 нм, что показывает увеличение на 18,6%.

Пример 4
После того, как порошок PbO и порошок WO₃, чистотой по 99,99% каждый, взвесили каждый в эквимолярном количестве и смешали их, смесь загрузили в платиновый тигель диаметром 70 мм и высотой 70 мм и расплавили смесь исходных порошкообразных материалов путем индукционного нагрева, а затем методом Чохральского получили из расплавленной жидкости монокристаллы PbWO₄ в виде стержня диаметром 35 мм и длиной 60 мм. Лантан добавили в таком количестве, чтобы он присутствовал в кристаллах в количестве 3 • 10^-3 моля. Содержание лантана в порошке PbO WO₃ составило 5 • 10^-8 или менее.

Полученные таким образом монокристаллы PbWO₄ разрезали с размерами 1х1х2 см и подвергли зеркальной полировке, а потом измерили коэффициент пропускания в диапазоне 300-600 нм в направлении толщины 1 см.

Результаты измерения показаны на фиг. 1 и фиг. 2. Кривая коэффициента пропускания не имела понижения около 420 нм и показала резкий спад около конца поглощения кривой. Коэффициент пропускания составлял 69% на длине волны 420 нм, что показывает увеличение на 16,9 %.

Поскольку монокристаллы PbWO₄, содержащие лантан в количестве от 3 • 10^-7 моля до 10 • 10^-3 моля, имеют высокий коэффициент пропускания и малое самопоглощение, излученный свет можно выводить наружу при отсутствии поглощения во время прохождения через кристаллы.

В вышеописанном эксперименте измерение проводили в направлении толщины 1 см, однако, поскольку при фактическом применении используется материал длиной 23 см, разность в коэффициенте пропускания на 1 см обеспечивает исключительно важное влияние в состоянии практического применения.

Если кривая коэффициента пропускания имеет понижение в диапазоне около 420 нм, как в известных монокристаллах PbWO₄, свет на длине волны излучения 400-430 мм поглощается во время прохождения по длине 23 см и едва ли может быть выведен наружу в виде луча. Поскольку коэффициент пропускания на длине волны 420 нм на 1 см в существующих монокристаллах PbWO₄ составляет 59%, свет после прохождения по длине, например, 23 см можно использовать только на 1% или менее величины излучения.

Однако, поскольку монокристаллы PbWO₄, соответствующие настоящему изобретению, не имеют вредного самопоглощения, можно использовать большинство светового излучения. Например, если коэффициент пропускания на 1 см составляет 70%, величина коэффициента пропускания света увеличивается в 50 раз.

Поэтому монокристаллы PbWO₄ можно эффективно применять для практического использования.

Как указано выше, в соответствии с настоящим изобретением можно получить монокристаллы вольфрамата свинца, которые применимы в качестве сцинтиллятора для детектора излучения, способного повысить величину излучения света путем увеличения коэффициента пропускания света и уменьшения самопоглощения.

Монокристаллы вольфрамата свинца, полученные путем использования триоксида вольфрама и диоксида свинца или вольфрамата свинца, в котором лантан содержится в количестве от 3 x 10^-7 моля до 10 x 10^-3 моля на один моль вольфрамата свинца. Можно получить монокристаллы вольфрамата свинца. Техническим результатом является получение кристаллов, которые применимы в качестве сцинтиллятора для детектора излучения, способного повысить количество используемого света путем увеличения коэффициента пропускания света и уменьшения самопоглощения. 2 ил.

Монокристаллы вольфрамата свинца, отличающиеся тем, что они получены путем использования триоксида вольфрама и диоксида свинца или вольфрамата свинца и содержат лантан в количестве от 3 x 10^-7 моля до 10 x 10^-3 моля на один моль вольфрамата свинца.