РАДИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ВУФ-ДИАПАЗОНА Российский патент 2006 года по МПК G01N21/62 G21H3/02 

Изобретение относится к области источников света, а именно к области радиолюминесцентных излучателей (РЛИ) света многолетнего срока действия, особо к РЛИ вакуумного ультрафиолетового диапазона (РЛИ ВУФ диапазона), и может быть использовано в качестве средств контроля и калибровки общей и спектральной чувствительности фотодетекторов, определения их временной стабильности и зависимости от изменившихся климатических условий, а также использовано в качестве эталонов при абсолютизации потоков оптических излучений по мощности и удельному количеству квантов при калибровке фотодетекторов, особо в космических аппаратах и спутниках Земли для фотометрии в области ВУФ-диапазона.

Известные радиолюминесцентные излучатели состоят из кристаллофосфора (люминофора), радиоактивного вещества и корпуса с выходным для света окном. В зависимости от требований практики они обладают разнообразными параметрами: определенным уровнем мощности и видом спектрального распределения (требуемая область спектра радиолюминесценции (от 130 до 1100 нм и более)), допустимой нестабильностью, определенной (низкой) степенью их биологической опасности.

Радиоактивное вещество (РВ) используют для возбуждения радиолюминесценции кристаллофосфора. В качестве радиоактивных веществ используются различные изотопы, например тритий ³H, стронций ⁹⁰Sr, углерод ¹⁴С, сера ³⁵S, кобальт ⁶⁰Со, прометий ¹⁴⁷Pm, талий ²⁰⁴Tl, радиоактивный газ криптон ⁸⁵Kr или ²²⁶Ra. Предпочтение отдают бета-излучающему РВ с возможно малой энергией частиц (т.е. изотопам ^ЗH, ¹⁴С, ³⁵S), а среди кристаллофосфоров предпочтение отдают таким, эффективный номер которых Z_эф невелик, что необходимо для снижения альбедо бета-частиц и усиления эффекта возбуждения радиолюминесценции (Михальченко Г.А. Радиолюминесцентные излучатели. М.: Энергоатомиздат, 1988, 152 с.).

Известны радиолюминесцентные излучатели, включающие радиоизотопы ³H или ¹⁴С с кристаллофосфорами CaWO₄ и/или ZnS (Hanle W., Kügler J. // Optica acta. 1956, №3. P.131-138; Патент США №2749241 от 05.06.1956). Однако известные РЛИ с кристаллофосфорами CaWO₄ или ZnS являются радиолюминесцентными источниками света только видимого диапазона. Они непригодны для использования в качестве РЛИ вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) диапазона спектра.

Известны радиолюминесцентные излучатели света, использующие в качестве РВ альфа- или бета-частицы, а в качестве кристаллофосфора силикаты цинка (Broser J., Kallman H.// Z. Naturforsch (a). 1950, Bd. 5, №7. S.381-384). Однако известные РЛИ с кристаллофосфором на основе силикатов цинка являются радиолюминесцентными излучателями света только видимого диапазона спектра. Они не пригодны для использования в качестве РЛИ ВУФ-диапазона спектра.

Известны РЛИ в виде комбинации газообразного РВ (молекулярного трития) и порошкового кристаллофосфора на основе сульфида цинка или сульфида кадмия или вольфрамата кальция (патент Англии №646414, опубл. 1950, НКИ 39 (1) 8; Белов К. // Атомная техника за рубежом. 1959. №12. С.32; Jenkims H.G. // Light and lighting. 1958. V.51. N12. P.391-402; Wilson E.J., Hughes J.D.H. Engineering. 1959. V.17. P.89). Однако известные РЛИ, в которых возбуждение кристаллофосфоров осуществляют с помощью газообразного молекулярного трития и в которых в качестве кристаллофосфоров применяют порошкообразные ZnS, CdS или CaWO₄, являются радиолюминесцентными источниками света видимого диапазона. Они не пригодны для использования в качестве РЛИ ВУФ-диапазона спектра.

Известен способ нанесения люминофорного покрытия на внутренние поверхности тритиевого радиолюминесцентного источника света (патент РФ №2030012). Однако тип люминофора, его состав и спектр излучения в известном патенте не оговорены. Сведения об РЛИ ВУФ-диапазона спектра в известном патенте РФ №2030012 отсутствуют.

Известен газоструйный источник вакуумного ультрафиолетового излучения (Яременко В.И., Шамраев В.Т., Карамушко В.И. Авт. свид. СССР №433450, G 01 J 3/10. 1971. Бюл. №44, 1991). В качестве рабочего тела в этом устройстве используется смесь газов с неконденсированными добавками. Недостатками этого источника света ВУФ-диапазона является сложность и громоздкость конструкции и безвозвратные потери рабочего тела в процессе работы.

Известен состав SrF₂: 1% Er³⁺ (Ивановских К.В., Пустоваров В.А. / Время-разрешенная ВУФ-спектроскопия чистых и активированных редкоземельными элементами кристаллов фторида стронция // Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Екатеринбург. УГТУ-УПИ, 2004, вып.16. С.150-179; Ivanovskikh K.V., Pustovarov V.A., Kirm M., Shulgin B.V. Low-temperature time-resolved VUV-spectroscopy of Er³⁴⁺ in SrF₂ single crystals. HASYLAB Annual Report, Germany, Hamburg, 2004, pp.507-508.). Известный состав SrF²: 1%Er³⁺ обладает ВУФ-люминесценцией с полосами 164,5 нм и 146,5 нм с длительностью микросекундного и субнаносекундного диапазона соответственно. Полоса люминесценции 164,5 нм SrF₂:1%Er³⁺ известна как лазерная полоса (Makhov V.N., Khaidukov N.M., Kirm M., Negodin E., Zimmerer G., Lam S.K., Lo D., Suetin N.V. Surface Review and Letters, 2002, vol.9, №1 pp.621-626.). Однако применение соединения SrF₂:1%Er³⁺ в составе радиолюминесцентных излучателей неизвестно. Известны также составы на основе ErF₃ и BaYF₈:Er³⁺, LiYF₄:Er³⁺, TmF₃, BaYF₈:Tm³⁺, LiYF₄:Tm³⁺, YPO₄:Nd³⁺ и др. с максимумами полос люминесценции (157-185 нм) в ВУФ диапазоне спектра и пригодные для применения в качестве активных сред для твердотельных лазеров. Однако их применение в качестве РЛИ неизвестно.

Наиболее близким к заявляемому является РЛИ - радиолюминесцентный излучатель света ВУФ-диапазона на основе фторида иттрия, активированного редкоземельными элементами TR³⁺=Nd³⁺, Tm³⁺, Er³⁺ (Михальченко Г.А. Радиолюминесцентные излучатели. М.: Энергоатомиздат. 1988. 152 с.). Так, известный РЛИ с кристаллофосфором состава YF₃:1% Nd³⁺ является источником света в РЛИ ВУФ-диапазона 170-185 нм (наиболее интенсивная полоса в спектре свечения такого РЛИ имеет длину волны 176,5 нм). Для него абсолютный энергетический выход радиолюминесценции при альфа- и бета-возбуждении равен 4±1%. Известный РЛИ с кристаллофосфором состава YF₃:Tm³⁺ является ВУФ-излучателем с длиной волны около 170 нм и с абсолютным энергетическим выходом радиолюминесценции, равным 1,3±0,3%. РЛИ с кристаллофосфором состава YF₃:Er³⁺ является ВУФ-излучателем с длиной волны ˜167 нм и световыходом ˜0,5%. Однако известные РЛИ на основе YF₃:TR³⁺ имеют достаточно большую длину волны ВУФ-люминесценции 167-185 нм. На основе кристаллофосфоров YF₃:TR³⁺ (TR³⁺=Nd³⁺, Tm³⁺, Er³⁺) не известны РЛИ ВУФ-диапазона с длиной волны меньше 160 нм. Кроме того, известный РЛИ на основе YF₃:TR³⁺ имеет выходное окно в виде диска полированного стекла УТ-49 (Михальченко Г.А., см. предыдущую ссылку, стр.24), которое вызывает значительное поглощение ВУФ излучения в диапазоне 150-180 нм (до 40-60%). Это снижает указанный выше световыход РЛИ в полтора-два раза.

Технический результат - повышение световыхода РЛИ, обеспечение излучения на супер короткой длине волны излучения (146, 5 нм), снижение веса излучателя.

Суть изобретения заключается в том, что радиолюминесцентный излучатель ВУФ диапазона включает в себя размещенные в едином корпусе выходное окно в виде полированного диска, кристаллофосфор и возбуждающее радиолюминесценцию бета-радиоактивное вещество, при этом в качестве кристаллофосфора и выходного окна в нем используют кристалл на основе SrF₂:Er³⁺, имеющий состав (мас.%): SrF₂ 99,01-99,9, ErF₃ 0,1-0,99.

Основное преимущество предлагаемого РЛИ заключается в супер короткой длине волны излучения (146,5 нм). Других РЛИ с длиной волны ВУФ-излучения короче 150 нм пока никем не предложено.

Конструкция предлагаемого РЛИ ВУФ-диапазона приведена на чертеже, она включает в себя кристаллофосфор SrF₂:Er³⁺ и слой радиоактивного вещества, помещенных в единый корпус в виде чашки. Традиционное выходное окно из кварцевого стекла или другого материала, прозрачного в ВУФ-области излучения РЛИ в предлагаемом РЛИ отсутствует. Это упрощает и удешевляет конструкцию РЛИ. Роль выходного окна играет сам кристалл (кристаллофосфор) SrF₂:Er³⁺. Его используют в виде полированного диска, герметично впаянного в корпус РЛИ для обеспечения требований радиационной безопасности. Отсутствие традиционного выходного дополнительного окна в предлагаемом РЛИ значительно снижает вес РЛИ, что весьма важно при использовании излучателя в космической технике.

Предлагаемый радиолюминесцентный излучатель ВУФ-диапазона имеет длину волны люминесценции короче 150 нм. Это достигается применением в РЛИ кристаллофосфора на основе SrF₂:Er³⁺, с содержанием компонентов Er³⁺ от 0,1 до 0,99 мас.%. Радиолюминесцентный излучатель света, использующий в качестве рабочего вещества кристаллофосфор SrF₂:Er³⁺, имеет невысокий эффективный атомный номер (Z_эфф=33,5) и, соответственно, невысокое альбедо, поэтому эффективно возбуждается бета-частицами, а также фотонным излучением мягкого рентгеновского диапазона. Длина волны излучения предлагаемого радиолюминесцентного излучателя равна 146,5 нм, она короче, чем длина волны излучения у всех известных РЛИ с твердотельными рабочими веществами, в качестве которых используют кристаллофосфоры или люминофоры. Абсолютный энергетический выход радиолюминесценции предлагаемого РЛИ с кристаллофосфором SrF₂:Er³⁺ невысок, он составляет 0,05-0,1%, однако чувствительности современных детекторов вполне достаточно, чтобы зарегистрировать ВУФ-излучение с таким световыходом.

Пример 1.

Радиолюминесцентный излучатель ВУФ-диапазона содержит кристаллофосфор и радиоактивное вещество (¹⁴С или ³⁵S) имеет состав (мас.%): SrF₂ 99,01, ErF₃ 0,99. Кристаллофосфор SrF₂:Er³⁺используют в виде полированного кристалла, который одновременно играет роль и излучателя и выходного окна РЛИ. Длина волны излучения РЛИ составляет 146,5 нм, что существенно меньше, чем у известных РЛИ с кристаллофосфорами YF₃:TR³⁺. Световыход РЛИ не ниже 0,05-0,1%. Дополнительным преимуществом предлагаемого РЛИ является то, что традиционное выходное окно из кварцевого стекла отсутствует, что упрощает конструкцию, снижает вес и снижает в полтора-два раза потери ВУФ-излучения на выходе из РЛИ.

Пример 2.

Радиолюминесцентный излучатель ВУФ-диапазона содержит кристаллофосфор и радиоактивное вещество (¹⁴С или ³⁵S) имеет состав (мас.%): SrF₂ 99,9, ErF₃ 0,1. Кристаллофосфор SrF₂:Er³⁺ используют в виде полированного кристалла, который одновременно играет роль и излучателя и выходного окна РЛИ. Длина волны излучения РЛИ составляет 146,5 нм, что существенно меньше, чем у известных РЛИ с кристаллофосфорами YF₃:TR³⁺. Световыход РЛИ не ниже 0,05%. Дополнительным преимуществом предлагаемого РЛИ является то, что традиционное выходное окно из кварцевого стекла отсутствует, что упрощает конструкцию, снижает вес и снижает в полтора-два раза потери ВУФ-излучения на выходе из РЛИ.

Пример 3.

Радиолюминесцентный излучатель ВУФ-диапазона содержит кристаллофосфор и радиоактивное вещество (¹⁴С или ³⁵S) имеет состав (мас.%): SrF₂ 99,15, ErF₃ 0,85. Кристаллофосфор SrF₂:Er³⁺ используют в виде полированного кристалла, который одновременно играет роль и излучателя и выходного окна РЛИ. Длина волны излучения РЛИ составляет 146,5 нм, что существенно меньше, чем у известных РЛИ с кристаллофосфорами YF₃:TR³⁺. Световыход РЛИ не ниже 0,03-0,05%. Дополнительным преимуществом предлагаемого РЛИ является то, что традиционное выходное окно из кварцевого стекла отсутствует, что упрощает конструкцию, снижает вес и снижает в полтора-два раза потери ВУФ-излучения на выходе из РЛИ.

При содержании ErF₃ в кристаллофосфоре РЛИ<0,01 мас.% световыход уменьшается в 1,5 и более раз и РЛИ становится неэффективным. Введение в РЛИ ErF₃ в количестве превышающем 0,99 мас.% не вызывает существенного увеличения световыхода, однако ведет к удорожанию радиолюминесцентного излучателя.

Изобретение относится к измерительной технике. Радиолюминесцентный излучатель включает в себя размещенные в едином корпусе выходное окно в виде полированного диска, кристаллофосфор и возбуждающее радиолюминесценцию бета-радиоактивное вещество. Излучатель содержит в качестве кристаллофосфора и выходного окна кристалл на основе SrF₂:Er³⁺, имеющий состав (мас.%): SrF₂ 99,01-99,9, ErF₃ 0,1-0,99. Технический результат - повышение световыхода, обеспечение излучения на суперкороткой длине волны излучения (146, 5 нм), снижение веса излучателя. 1 ил.

Радиолюминесцентный излучатель ВУФ-диапазона, включающий в себя размещенные в едином корпусе выходное окно в виде полированного диска, кристаллофосфор и возбуждающее радиолюминесценцию бета-радиоактивное вещество, отличающийся тем, что в качестве кристаллофосфора и выходного окна в нем используют кристалл на основе SrF₂:Er³⁺, имеющий состав, мас.%: SrF₂ 99,01-99,9%, ErF₃ 0,1 0,99%.