СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СВЕТОВОД Российский патент 2000 года по МПК G02B6/02 G02B6/16 

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, а именно к световодам на основе кристаллических неорганических сцинтилляторов, в которых под действием ионизирующих излучений возникают световые вспышки - сцинтилляции.

Для обнаружения и измерения ионизирующего излучения, особенно в недоступных местах, необходимы длинные, пластичные, нетоксичные и негигроскопичные сцинтилляционные световоды, основными свойствами которых является широкий диапазон прозрачности световода, небольшое время высвечивания, высокая плотность, эффективный атомный номер (Z_эфф), оптимальная длина волны, которая соответствует максимуму спектра люминесценции, а также широкий рабочий температурный диапазон.

Известны световоды (нити) небольшой длины (~100 мм) из пластикового сцинтиллятора [1] . Они имеют низкую температуру плавления, поэтому интервал рабочей температуры у них ограничен; невысокую плотность от 1,16 до 1,25 и малую величину Z_эфф.

Кроме того, область прозрачности у кристаллических органических сцинтилляторов в основном видимая, т.е. довольно узкая, и они не прочны.

Известны также сцинтилляционные волокна из кристаллического неорганического сцинтиллятора типа CsJ [2, 3]. Авторы отмечают, что прочность экструдированных волокон низка (~1 МПа), что связано с наличием границ блоков [2]. Кроме того при экструзии щелочно-галоидных кристаллов наблюдается высокий коэффициент трения о стенки фильеры, поэтому изготовить из них световоды трудно [3]. Однако высокая температура плавления CsJ дает возможность получения стабильной кристаллической структуры путем выращивания световодов из расплава [3]. Недостатком таких световодов, кроме высокой гигроскопичности и низкой прочности, является и малая длина.

Наиболее близким техническим решением является световод из иодида натрия [4] , который является сцинтилляционным материалом, и предназначен для отделения и экранирования сцинтиллятора от радиоактивного излучения фотоэлемента.

К недостаткам такого световода, как и для световода из иодида цезия [2,3] , относится высокая гигроскопичность, низкая прочность и малая длина световодов (несколько мм).

Целью изобретения является получение длинных (несколько метров), пластичных, негигроскопичных и нетоксичных сцинтилляционных световодов с малым временем высвечивания, удобным для регистрации спектром свечения, высокой плотностью и эффективным атомным номером.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном сцинтиляционном световоде, включающем галогенид металла, согласно изобретения, в качестве галогенида металла используют галогени-ды серебра и активированные добавки (таллий, хром, европий, церий) при следующем отношении ингредиентов, мас. %: хлорид серебра - 17,980 - 27,000; бромид серебра - 82,000 - 72,499; иодид серебра - 0,010 - 0,500 и активированная добавка - 0,010 - 0,001.

Сущность изобретения состоит в том, что сцинтилляционные световоды получают длинные (до 50 м). Они негигроскопичны; высоко пластичны; нетоксичны; имеют высокую плотность - 6,4 г/см³ и эффективный атомный номер Z_эфф = 42,7-42,8; обладают малым временем высвечивания - 20 нс и имеют удобный для регистрации спектр свечения с максимумом при 400 нм. Поэтому обычные сурьмяно-цезиевые фотоприемники идеально подходят для работы в сочетании с ними. Эти световоды прозрачны в широкой области спектра и имеют рабочий температурный диапазон от -60^oC до +200^oC, т.к. состав их - твердые растворы на основе галогенидов серебра в мас.%:
AgCl - 17,980 - 27,000;
AgBr - 82,000 - 72,499;
AgJ - 0,010 - 0,500,
которые активируют добавками в количестве 0,01-0,001 мас.%. В качестве активированных добавок применяют либо таллий, либо хром, либо европий, либо церий.

При увеличении содержания активирующей добавки более 0,01 мас.% световоды быстро "стареют" - разрушаются по границам зерен (пример 4). При уменьшении в световодах активирующей добавки менее 0,001 мас.% сцинтилляционные свойства проявляются слабо (пример 5).

Пример 1
Сцинтилляционный световод длиной 10 м получают методом экструзии из кристаллической заготовки состава твердого раствора в мас.%: AgCl - 17,98; AgBr - 82,00; AgJ - 0,01, активированного таллием, либо хромом, либо европием, либо церием в количестве 0,01%.

Световоды негигроскопичны - растворимость в воде 0,178•10^-3 г/дм³; высоко пластичны - минимальный радиус упругого изгиба 5,0 см; прочность на разрыв 200 МПа; время высвечивания - менее 20 нс; плотность 6,4 г/см³; Z_эфф - 42,7; максимум спектра люминесценции при λ_макс = 400 нм.

Исследования свойств световодов проводятся в УГТУ-УПИ, лаборатория "Сертификация", которая аккредитована и все средства измерений проверены, методики анализа аттестованы.

Сцинтилляционный световод, выбранный в качестве прототипа, гигроскопичен, небольшой длины (1-5 мм), хрупкий, время высвечивания 210 нс, плотность - 3,67 г/см³; Z_эфф - 50 [5].

Пример 2
Сцинтилляционный световод получают методом экструзии из кристаллической заготовки твердого раствора состава, мас.%: AgCl - 22,0; AgBr - 77,980; AgJ - 0,015, который активирован добавкой в количестве 0,005%. В качестве добавки может быть таллий, либо хром, либо европий, либо церий.

Длина световода 50 м (в прототипе 1-5 мм), радиус упругого изгиба 4,5 см, прочность на разрыв 200 МПа (против ~1 МПа в прототипе), время высвечивания - менее 20 нс (в прототипе - 210 нс), плотность 6,4 г/см³ (3,67 г/см³ - прототип), спектр люминесценции 400 нм (415 нм - прототип), растворимость в воде при 25^oC - 0,178•10^-3 г/дм³ (в прототипе 645 г/дм³). Световоды нетоксичны и негигроскопичны (очень гигроскопичны в прототипе).

Пример 3
Сцинтилляционный световод получают методом экструзии из кристаллической заготовки твердого раствора состава, мас.%: AgCl - 27,0; AgBr - 72,499; AgJ - 0,50, который активирован добавкой таллия, либо хрома, либо европия, либо церия в количестве 0,001%.

Длина световода 50 м (1-5 мм в прототипе); он негигроскопичен (очень гигроскопичен в прототипе); не растворим в воде - 0,178•10^-3 г/дм³ (очень растворим в прототипе - 645 г/дм³); высокопластичен, радиус упругого изгиба 4,0 см и прочность на разрыв 250 МПа (против ~1 МПа в прототипе); плотность 6,4 г/см³ (3,67 г/см³ - прототип).

Время высвечивания менее 20 нс (210 нс в прототипе); Z_эфф = 42,8 (50,0 - прототип); оптимальная длина волны, которая соответствует максимуму спектра люминесценции 400 нм (в прототипе 415 нм).

Пример 4
Сцинтилляционный световод получают методом экструзии из кристаллической заготовки твердого раствора состава, мас.%: AgCl - 24,94; AgBr - 75,00; AgJ - 0,010, который активирован добавкой таллия, либо хрома, либо европия, либо церия в количестве 0,05%.

Получен световод длиной 3 м, который после изгиба до радиуса в 20 см темнеет на воздухе, т.е. быстро "стареет".

Пример 5
Сцинтилляционный световод получают методом экструзии из кристаллической заготовки твердого раствора состава, мас.%: AgCl - 24,95; AgBr - 75,00; AgJ - 0,0495; активированная добавка (таллий, хром, европий, церий) в количестве 0,0005%.

Длина световода 10 м, радиус упругого изгиба 5 см, прочность на разрыв 200 МПа, плотность и растворимость как в примере 1, но световоды не обладают сцинтилляционными свойствами.

Таким образом, предлагаемые световоды являются негигроскопичны, т.е. практически не растворимы (в прототипе - очень растворимы и гигроскопичны) и высокопластичны, что позволяет изготавливать методом экструзии длинные световоды - до 50 м и более, против 1-5 мм в прототипе. Время высвечивания в 10 раз меньше, чем в прототипе. Световоды нетоксичны, а рабочий температурный диапазон от -60^oC до +200^oC, т.к. температура плавления галогенидов серебра ~420^oС.

На основе разработанных световодов могут изготавливаться сцинтиллирующие волоконно-оптические устройства и кабели, что дает толчок развитию новых технологий в оптоэлектронике и системах радиационного мониторинга.

Литература
1. Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. Изд. МГГ, 1963, с. 151.

2. Антонив И. П. , Гарапын И.В. и др. Исследование физических свойств монокристаллов галогенидов цезия и волокон, полученных на их основе. Сб. тезисов докладов Всесоюзной конференции "Волоконная оптика", Москва, 1990, с. 333.

3. Кацуяма Т., Мацамура X. Инфракрасные волоконные световоды. (перевод Плотниченко и Войцеховского), Москва, 1992, с. 175, 187.

4. Патент США (US) N 4586785. Световод из иодида натрия.

5. Физический энциклопедический словарь, том 5, изд. "Советская энциклопедия", Москва, 1966, с. 109.

Световод используют для обнаружения и измерения ионизирующего излучения (рентгеновского, гамма, альфа и электронного). Состав сцинтилляционного световода - твердые растворы на основе галогенидов серебра, мас.%: AgCl 17,980 - 27,000; AgBr 82,000 - 72,499; AgJ 0,010 - 0,500, которые активированы добавками либо таллия, либо хрома, либо европия, либо церия в количестве 0,01-0.001 мас.%. Световоды получают длиной до 50 м и более. Они негигроскопичны, высоко пластичны, нетоксичны, имеют высокую плотность - 6,4 г/см³ и эффективный атомный номер Z_эфф = 42,7-42,8; обладают малым временем высвечивания - 20 нс и имеют удобный для регистрации спектр свечения с максимумом при 400 нм. Рабочий температурный диапазон от -60 до +200°С. 4 з.п. ф-лы.

1. Сцинтилляционный световод, включающий галогенид металла, отличающийся тем, что в качестве галогенида металла используют галогениды серебра и активированную добавку при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Хлорид серебра - 17,980 - 27,000
Бромид серебра - 82,000 - 72,499
Иодид серебра - 0,010 - 0,500
Активная добавка - 0,010 - 0,001
2. Сцинтилляционный световод по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированной добавки применяют таллий. 3. Сцинтилляционный световод по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированной добавки применяют хром. 4. Сцинтилляционный световод по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированной добавки применяют европий. 5. Сцинтилляционный световод по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированной добавки применяют церий.