ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЛЮМИНОФОРА Российский патент 2005 года по МПК G01T1/11 

Изобретение относится к области низкотемпературной дозиметрии заряженных частиц, в частности электронных пучков и пучков ионов водорода и гелия, включая космические пучки, а также дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения, особо для случаев низкотемпературной дозиметрии при определении дозозатрат элементов и устройств, изготовленных на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), работающих в полях ионизирующих излучений, в частности в установках термоядерного синтеза, и при контроле дозозатрат элементов и устройств космического базирования, в частности дозозатрат солнечных батарей космического развертывания от действия космических лучей.

Известна шихта для получения термолюминофора на основе фтористого кальция (Иванов В.И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1970. 320 с.), для которого кривые высвечивания имеют три главных максимума при 70-100, 150-190 и 250-300°С. Термолюминофор, получаемый из известной шихты, пригоден для регистрации экспозиционных доз рентгеновского и гамма-излучения от 1 мР до 5000 Р с погрешностью ±2%. Однако рабочая температура дозиметрических измерений с использованием термолюминофора, получаемого из шихты на основе фтористого кальция, т.е. температура облучения этого термолюминофора высокая, она равна 20°С (293 К), т.е. термолюминофор, получаемый из известной шихты, непригоден для низкотемпературной (<80 К) дозиметрии. О возможности применения известного термолюминофора для дозиметрии пучков заряженных частиц информации нет.

Известна шихта для получения термолюминофора на основе фторида кальция, активированного марганцем (Иванов В.И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1970. 320 с.). Получаемый из такой шихты термолюминофор имеет максимум термовысвечивания при 260°С (533 К). Спектр свечения имеет максимум при 500 нм. Однако получаемый из известной шихты термолюминофор CaF₂-Mn используется для персональной дозиметрии, осуществляемой при комнатной рабочей температуре облучения. Его нецелесообразно использовать при низких (<80 К) рабочих температурах облучения, он практически непригоден для низкотемпературной дозиметрии. О возможности применения известного термолюминофора CaF₂-Mn для дозиметрии пучков заряженных частиц информации нет.

Известна шихта для получения термолюминофора CaSO₄-Mn, который имеет простую кривую термовысвечивания с одним максимумом при 80-100°С (Иванов В.И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1970. 320 с.). Диапазон измеряемых поглощенных доз рентгеновского и гамма-излучения до 10² Гр. Однако получаемый из известной шихты термолюминофор имеет комнатную рабочую температуру облучения, его нецелесообразно использовать при низких (<80 К) рабочих температурах облучения. Получаемый из известной шихты термолюминофор непригоден для низкотемпературной дозиметрии. О возможности применения известного термолюминофора для дозиметрии пучков заряженных частиц информации нет.

Известна шихта для получения термолюминофора, пригодного для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения, на основе LiF-Na (Непомнящих А.И., Раджабов Е.А., Егранов А.В. Центры окраски и люминесценция кристаллов LiF. Наука, Новосибирск, 1984, 112 с.), который имеет низкотемпературный пик при 107-115 К, обусловленный разрушением H_A(Na)-центров окраски. Эти центры окраски наблюдаются также в кристаллах LiF-Mg, Na и не образуются в чистых кристаллах LiF и в кристаллах, легированных магнием LiF-Mn, что доказывает их связь с примесью натрия во фториде лития. Однако рабочий термопик расположен при недостаточно низкой температуре, интенсивность пика термолюминесценции при 107-115 К и соответственно чувствительность вышеназванных термолюминофоров, получаемых из известной шихты, при низкотемпературных дозиметрических измерениях невелика. О возможности применения известного термолюминофора для дозиметрии пучков заряженных частиц информации нет.

Известна также шихта для получения термолюминофора на основе LiF-Mg, Ti (ДТГ-4) (Непомнящих А.И., Раджабов Е.А., Егранов А.В. Центры окраски и люминесценция кристаллов LiF. Наука, Новосибирск, 1984, 112 с.), пригодная для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения. Такой термолюминофор имеет низкотемпературный пик термолюминесценции при 140 К. Однако рабочий пик термолюминофора расположен при недостаточно низкой температуре, требуемой для решения задач низкотемпературной дозиметрии. О возможности применения известного термолюминофора для дозиметрии пучков заряженных частиц информации нет.

Известна шихта для получения термолюминофора на основе фторида лития LiF-Mg (ТЛД-100) (Cooke D.W., Rhodes J.F. J. Appl. Pfys 1981, v.52 (6), p.4244-4247.), который имеет низкотемпературные пики термолюминесценции при 20, 40, 60 и 138 К. Однако интенсивность этих низкотемпературных пиков невысока, их использование неэффективно для низкотемпературной дозиметрии, поскольку основным рабочим пиком термолюминофора ТЛД-100 является высокотемпературный пик при 385 К. О возможности применения известного термолюминофора для дозиметрии пучков заряженных частиц информации нет.

Наиболее близкой по составу к заявляемой является шихта для получения рабочих веществ для детектирования излучения на основе фторида натрия, имеющая состав (мол.%): фторид натрия - 0,99; фторид скандия - 0,01 (А.Н.Черепанов, Б.В.Шульгин и др. Эволюция агрегатных центров свечения кристаллов (Li,Na)F под действием радиации. В сборнике Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003, выпуск 12. с.27-3 8). Получаемые из известной шихты радиационно-чувствительные рабочие вещества обладают под действием пучков ионов гелия He⁺ (энергия 3.0 МэВ, ток пучка 7 мкА) яркой ионолюминесценцией с максимумами свечения в областях 415 и 600 нм. Этот состав NaF - 0.1% Sc известен в качестве детектора электронных и ионных пучков с обычной и фотодиодной регистрацией. Однако сведений о возможном применении известной шихты для получения термолюминофора, пригодного для низкотемпературной дозиметрии, не имеется, какие-либо сведения о низкотемпературных пиках термостимулированной люминесценции этого состава отсутствуют.

Общим для всех известных аналогов и прототипа является то, что приготовленные из известных шихт термолюминофоры (включая эталонные ТЛД-100 и ДТГ-4), даже обладая достаточно интенсивными пиками ТСЛ, либо не имеют низкотемпературных термопиков (<80 К), либо имеют, такие, например, как ТЛД-100, но с очень низкой интенсивностью. Термопики при 107-115, 125, 138-140 или 200-205 К не являются низкотемпературными, что требует увеличения времени и энергозатрат для разогрева термолюминофоров от рабочей температуры (78 К или более низкой, температуры соответствующей режиму их базирования в космическом пространстве) до температуры съема дозиметрической информации. Для известных термолюминофоров температура съема дозиметрической информации должна быть хотя бы на 10 К выше температуры рабочего термопика, то есть более 120 К, что создает проблемы, связанные с возможным (из-за высоких температур разогрева) нарушением функционирования ВТСП устройств, если термолюминофоры как детекторы сопровождения расположены в непосредственной близости от них.

Предлагаемая шихта для получения термолюминофора решает эти проблемы, поскольку получаемые из нее термолюминофоры имеют низкотемпературные термопики. В предлагаемую шихту на основе фторида натрия, содержащую хлористый скандий, дополнительно вводят углекислый натрий, так что шихта имеет состав (мол.%):

хлористый скандий0,1-0,6углекислый натрий0,003-0,01;фторид натрияостальное.

Получаемый из предложенной шихты термолюминофор после облучения пучками ионов гелия или водорода до флюенсов 5·10¹⁵ см^-2, а также после облучения рентгеновским или гамма-излучением, или после облучения импульсным электронным пучком до доз 10³ Гр, обладает достаточно интенсивным низкотемпературным термовысвечиванием в области 30-150 К с максимумами при ˜50 и 80 К. Имеется также более высокотемпературный пик ТСЛ при 190 К, который при низкотемпературной дозиметрии не является рабочим термопиком. Кривые ТСЛ термолюминофора, полученного из предлагаемой шихты, приведены на фиг.1, кривая 1 в сравнении с кривыми ТСЛ для других составов NaF-U, 0.01 Cu (флюенс до 5·10¹⁵ см^-2), кривая 2, и LiF - 0.1 Zn (флюенс до 2.5·10¹⁴ см^-2), кривая 3, у которых интенсивность ТСЛ в области 30-100 К в 3-6 раз ниже.

Спектр ионолюминесценции полученного термолюминофора имеет два характерных максимума: один при 400-415 нм (обусловлен электронно-дырочными дефектами решетки) и 600 нм (обусловлен примесью Sc) и слабый максимум при 650-660 нм (полоса свечения F₂-центров окраски, обнаруживаемая при разложении спектра ТСЛ на составляющие). Такая особенность спектра свечения представляется уникальной. Она позволяет использовать для считывания дозиметрической информации как фотоприемники (фотоэлектронные умножители - ФЭУ) на сурьмяно-цезиевой основе с максимумом чувствительности в области 400-420 нм (почти стопроцентное совпадение с положением первого максимума свечения), так и на основе мультищелочных фотоприемников с максимальной чувствительностью в области 500-600 нм. Наличие полос свечения с максимумами в красной области спектра 600 и 650 нм, неплохо согласующихся с областью чувствительности фотодиодов, позволяет на базе предлагаемой шихты и получаемых из нее термолюминофоров изготавливать компактные ТЛД-детекторы с фотодиодной (PIN-структуры) регистрацией.

Рабочая температура предлагаемого термолюминофора не превышает 78-80 К, что соответствует температуре функционирования высокотемпературных сверхпроводников, а также элементов и устройств на их основе. Требуемые энергозатраты для получения дозиметрической информации путем термонагрева предлагаемого термолюминофора в полтора-два раза меньше, чем для всех известных аналогов, включая прототип.

Пример 1. Из шихты, состоящей из фторида натрия с добавкой 0,3% хлористого скандия и 0,005% углекислого натрия (все реактивы марки о.с.ч.), выращивают методом Киропулоса на воздухе в платиновом тигле кристалл термолюминофора и охлаждают до комнатной температуры вместе с печью. Из полученной кристаллической були выкалывают образцы термолюминофора размерами 5×5×1 мм. Образцы, полученные путем выкалывания из були, отжигаются при температуре 200°С. После отжига один из образцов помещают в специальную камеру с криостатом, охлаждают до температуры, близкой к температуре жидкого гелия, облучают с помощью рентгеновской установки (W-антикатод, 55 кВ, ток 12 мА) до доз 0,1÷10 Гр или облучают пучком ионов Не⁺ (3 МэВ) до флюенса 5·10¹²÷5·10¹⁵ см^-2. При нагревании облученного образца с постоянной скоростью 1,0 К·с^-1 зарегистрирована кривая термолюминесценции с широким термопиком в области 30-150 К с максимумами при 50 и 80 К, фиг.1. Как видно из фиг.1, интенсивность термовысвечивания в области 50-100 К в десятки раз превышает такую для всех аналогов, включая ТЛД-100 (у многих аналогов термопиков в этой области вообще не наблюдается), она достаточна для регистрации доз электронного, рентгеновского и гамма-излучения на уровне 0,01 Гр и выше, а при регистрации пучков ионов достаточна для регистрации флюенсов на уровне 5·10¹²-5·10¹⁵ см^-2.

Если принять, что рабочей температурой облучения должна быть 15-30 К (космос) или 78 К, то в сравнении с аналогами, требующими нагрева до 125, 205 или даже 400 К, термолюминофор, получаемый из предлагаемой шихты, требующий нагрева лишь до 80-90 К, характеризуется гораздо меньшим временем съема дозиметрической информации. Например, при скорости нагрева 1,0 К·с^-1 от 30 К аналоги требуют (125-30)/1,0=95 с или (205-30)/1,0=175 с, тогда как предлагаемая шихта обеспечивает время обработки информации (40÷80-30)/1,0=10÷50 с, то есть на полпорядка-порядок меньше, соответственно и требуемые энергозатраты будут на полпорядка-порядок меньше.

Пример 2. Из шихты, состоящей из фторида натрия с добавкой 0,1% хлористого скандия и 0,003% углекислого натрия (все реактивы марки о.с.ч.), выращивают методом Киропулоса на воздухе в платиновом тигле кристалл термолюминофора и охлаждают до комнатной температуры вместе с печью. Из полученной кристаллической були получают образцы путем выкалывания. Образцы имеют размеры 5×5×1 мм. Затем образцы, полученные путем выкалывания из були, отжигают при температуре 200°С. После отжига один из образцов помещают в специальную камеру с криостатом, охлаждают до температуры, близкой к температуре жидкого гелия, облучают с помощью рентгеновской установки (W-антикатод, 55 кВ, ток 12 мА) до доз 0,1÷10 Гр или облучают пучком ионов He⁺ (3 МэВ) до флюенса 5·10¹²÷5·10¹⁵ см^-2. При нагревании облученного образца с постоянной скоростью 1,0 К·с^-1 зарегистрирована кривая термовысвечивания с широким термопиком в области 30-150 К с максимумами при 50 и 80 К, однако по сравнению с примером 1 интенсивность термовысвечивания в области 50-100 К снизилась на 8-10%, а интенсивность более высокотемпературного пика ТСЛ выросла на 5%. Получаемый из предлагаемой шихты термолюминофор обладает такими же короткими временами съема (несколько секунд) дозиметрической информации, как и в примере 1, хотя и при меньшей (на 8-10%) чувствительности.

Пример 3. Из шихты, состоящей из фторида натрия с добавками 0,6% хлористого скандия и 0,01% углекислого натрия (все реактивы марки о.с.ч.), выращивают методом Киропулоса на воздухе в платиновом тигле кристалл термолюминофора и охлаждают до комнатной температуры вместе с печью. Из полученной кристаллической були получают образцы путем выкалывания из выращенной були. Образцы имеют размеры 5×5×1 мм. Затем образцы отжигаются при температуре 200°С. Далее один из образцов помещают в специальную камеру с криостатом, охлаждают до температуры, близкой к температуре жидкого гелия, облучают с помощью рентгеновской установки (W-антикатод, 55 кВ, ток 12 мА) до доз 0,1÷10 Гр или облучают пучком ионов Не⁺ (3 МэВ) до флюенса 5·10¹²÷5·10^-5 см^-2. При нагревании облученного образца с постоянной скоростью 1,0 К·с^-1 зарегистрирована кривая термовысвечивания с широким гермопиком в области 30-150 К с максимумами при 50 и 80 К, однако при этом происходит перераспределение запасенной светосуммы в пользу более высокотемпературных светопиков 125 и 190 К, так что интенсивность термовысвечивания в области 50-100 К снизилась на 7-8%. Получаемый из предлагаемой шихты термолюминофор обладает такими же быстрыми временами съема дозиметрической информации, как и в примере 1, хотя и при меньшей (на 7-8%) чувствительности.

Свойства других термолюминофоров, полученных из шихты с граничными концентрациями углекислого натрия, ниже 0,003 мол.% или выше 0,01 мол.%, а хлористого скандия ниже 0,1 мол.% или выше 0,6 мол.%, уступают свойства термолюминофоров, полученных из предлагаемой шихты. Так повышенное содержание углекислого натрия в шихте, например 0,025 мол.%, обеспечивающего формирование кислородосодержащих центров захвата и приводит к значительному (до 30%) снижению интенсивности низкотемпературных пиков ТСЛ в области 30-120 К и соответственно к увеличению погрешности измерений. Пониженное содержание углекислого натрия (например 0,001 мол.%) также приводит к снижению интенсивности рабочего пика в области 30-120 К из-за снижения концентрации сложных кислородосодержащих центров свечения, оказывающих существенное влияние на выход ТСЛ.

При пониженном <0,1 мол.% или повышенном >0,6 мол.% содержания хлорида скандия в шихте интенсивность низкотемпературных термопиков уменьшается на 15-35%, что не позволяет проводить низкотемпературные измерения дозы электронного или гамма-излучения или флюенса заряженных частиц (гелия или водорода) с достаточно высокой чувствительностью.

Дополнительным преимуществом получаемого из предлагаемой шихты термолюминофора является его повышенная эффективность регистрации бета-излучения и электронных пучков из-за невысокого эффективного атомного номера Z_эфф=10,2 и соответственно из-за пониженных значений альбедо.

Достоинством предлагаемой шихты для получения термолюминофора является наличие достаточно интенсивного низкотемпературного пика ТСЛ при 30-80 К. Такие термолюминофоры можно использовать в качестве детекторов сопровождения устройств на базе высокотемпературных сверхпроводников, работающих при температуре жидкого азота в полях ионизирующих излучений для определения дозозатрат от гамма и электронного излучения, а также ионных пучков.

Использование: для получения термолюминофора, предназначенного для низкотемпературной дозиметрии заряженных частиц, в частности электронных пучков и пучков ионов водорода или гелия, включая космические пучки, а также для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения, особенно для случаев низкотемпературной дозиметрии при определении дозозатрат элементов и устройств, изготовленных на основе высокотемпературных сверхпроводников, работающих в полях ионизирующих излучений, в частности в установках термоядерного синтеза, и при контроле дозозатрат элементов и устройств космического базирования, в частности дозозатрат солнечных батарей космического развертывания от действия космических лучей. Сущность: шихта содержит фторид натрия, углекислый натрий и хлористый скандий при следующем соотношении компонентов (мол.%): хлористый скандий 0,1-0,6; углекислый натрий 0,003-0,01; фторид натрия - остальное. Технический результат: повышение чувствительности термолюминофора в области низких рабочих температур (30-80 К) и уменьшение энергозатрат для считывания дозиметрической информации. 1 ил.

Шихта для получения термолюминофора, содержащая фторид натрия и скандий, отличающаяся тем, что она содержит скандий в виде хлорида скандия и дополнительно содержит углекислый натрий при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Хлористый скандий0,1-0,6Углекислый натрий0,003-0,01Фторид натрияОстальное