КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР ЛИЯ-3 Российский патент 2006 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, конкретно к неорганическим кристаллическим сцинтилляторам, чувствительным к пучкам рентгеновского и электронного излучения и применяемым для визуализации излучений в системах радиационного мониторинга, таможенного контроля, в системах томографии и неразрушающего контроля, использующих фотоприемные устройства, чувствительные в красном диапазоне спектра, в том числе компактные устройства на базе PIN-фотодиодов.

Известен кристаллический сцинтиллятор Лия-1 (патент РФ №2065614 от 20.08.1996. класс G 01 T 1/202, опубл. Бюл. №23), предназначенный для регистрации излучения от ускорителей и радиоактивных источников. Сцинтиллятор состоит из галогенидов серебра в отношении (вес.%): хлорид серебра 22-27, бромид серебра 77,99-72,50, иодид серебра 0,01-0,05. Сцинтиллятор обладает временным разрешением не хуже 20 нс и световыходом 40-50% относительно световыхода стильбена. Эффективный атомный номер Z_эф=42,7. Плотность сцинтиллятора 6,4 г/см³. Однако максимум спектра люминесценции известного сцинтиллятора расположен при 400 нм, полуширина полосы люминесценции составляет 90 нм, т.е. это сцинтиллятор с синим свечением. Такие сцинтилляторы не пригодны для работы с кремниемыми PIN-фотодиодами, чувствительными в основном к красному и инфракрасному излучению.

Известен сцинтиллятор для регистрации бета - и гамма-излучения на основе BaF₂ (патент США №3382368). Однако максимум спектра свечения BaF₂ лежит в ультрафиолетовой области спектра при 220 нм. Такой сцинтиллятор совершенно не пригоден для работы в режиме фотодиодной регистрации.

Известен сцинтиллятор на основе ZnS-Ag (патент США №3398278, В.И.Иванов. Курс дозиметрии. М., Атомиздат. 1970. 392 с.). Однако максимум спектра излучения ZnS-Ag расположен при 450 нм, то есть известный сцинтиллятор не эффективен для работы в устройствах детектирования с фотодиодной регистрацией.

Известен сцинтилляционный детектор с фотодиодной регистрацией (Фотодиодные сцинтилляционные детекторы. Photodiode Scintillation Detectors SPD-2000. Проспект фирмы SCIONIX, Holland, 1992, 2 с.). Такой детектор пригоден для регистрации рентгеновского и гамма-излучения в промышленных и медицинских целях. Известный детектор содержит сцинтиллятор CsI-Tl, работающий в сочетании с кремниевым PIN-фотодиодом. Максимум спектра свечения такого сцинтиллятора приходится на желтый диапазон спектра (560 нм), что недостаточно хорошо согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов, максимум которой расположен в ближней инфракрасной области. Кроме того, длительность сцинтилляций известного сцинтиллятора велика, она составляет 450 нс, такой сцинтиллятор не может обеспечить высокой загрузочной способности регистрирующего тракта.

Известен сцинтиллятор на основе нитрида аллюминия AIN-Y₂O₃ (Ю.Д.Афонин, Д.А.Бекетов и др. Импульсная катодолюминесценция керамики на основе нитрида алюминия. Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Межвузовский сборник. Екатеринбург, 2005, вып.18, с.89-92). Этот известный сцинтиллятор имеет две полосы в спектре свечения: синюю (345-465 нм) и красную с максимумом 600 нм, с длительностью сцинтилляций около 50 нс. Однако интенсивность красного свечения, наблюдаемого в сцинтилляционном импульсе и удобного для регистрации с помощью кремниевых PIN-фотодиодов, невысока и известный сцинтиллятор оказывается неэффективным в системах с фотодиодной регистрацией.

Наиболее близким по составу к заявляемому сцинтиллятору является кристаллический сцинтиллятор Лия-2 (патент РФ №2066464, 10.09.1996. опубл. Бюл. №25, Жукова Л.В., Жуков В.В., Шульгин Б.В. и др.). Известный кристаллический сцинтиллятор содержит галогениды серебра и талия при следующем соотношении ингредиентов (вес.%):

Хлорид серебра22,000-27,000Бромид серебра77,980-72,499Иодид серебра0,010-0,500Галогенид таллия0,010-0,001.

Известный сцинтиллятор нетоксичен, отличается высокой пластичностью, пригоден для получения гибких и прочных на разрыв световодов, имеет длительность сцинтилляций ˜20 нс. Однако максимум спектра излучения известного сцинтиллятора расположен при 400 нм. Он не пригоден для фотодиодной регистрации, поскольку кремниевые PIN-фотодиоды не чувствительны к излучению в ультрафиолетовой и фиолетовой области спектра.

Задачей изобретения является разработка кристаллического сцинтиллятора с максимумом спектра свечения в красной и ближней инфракрасной области спектра, согласующегося со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов и обеспечивающего высокую загрузочную способность детектора.

Предлагаемый кристаллический сцинтиллятор содержит галогениды серебра и таллия при следующем соотношении ингредиентов (весовых %):

Хлорид серебра18,0-22,0Бромид серебра74,5-73,0Иодид серебра0,5-1,0Иодид одновалентного таллия7,0-4,0.

Повышенное содержание иодида серебра и иодида одновалентного талия, обеспечиваемое специальной технологией, вызывает в кристаллическом сцинтилляторе появление обменно-связанных пар ионов таллия и смещение спектра свечения в красную область спектра, фиг.1. Как видно из фиг.1, спектр свечения предлагаемого сцинтиллятора сосредоточен в основном в красной и ближней инфракрасной (ИК) области спектра от 590 до 765 нм (по полувысоте полосы свечения), максимум спектра свечения расположен при ˜675 нм. Граница ИК-области излучения предлагаемого сцинтиллятора расположена при 0,85-0,9 мкм. Сцинтилляционный импульс при возбуждении импульсным электронным пучком (электронная пушка МИРА - 2Д, Е=150 кэВ, j=15 А, τ_и=15 нс) содержит одну основную экспоненциальную кривую затухания. Длительность сцинтилляций ˜40 нс. Эффективный атомный номер предлагаемого сцинтиллятора 45,7-45,75, плотность кристаллов 6,6 г/см³, диапазон пропускания от 0,4 до 40 мкм. Световыход в 8 раз выше, чем световыход известного сцинтиллятора на основе нитрида алюминия AIN-Y₂O₃, однако он не превышает 6-10% относительно световыхода сцинтиллятора CsI-Tl. Тем не менее амплитуда сцинтилляционной вспышки предлагаемого сцинтиллятора более чем достаточна для надежной ее регистрации PIN-фотодиодом и предлагаемый сцинтиллятор более эффективен по загрузочной способности в фотодиодных сборках, нежели CsI-Tl.

При уменьшении содержания в кристалле иодида серебра менее 0,5 вес.% и иодида одновалентного таллия менее 4 вес.% область максимума спектра свечения сдвигается в желтый диапазон спектра (500-560 нм), что недостаточно хорошо согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов (см. пример 4). При увеличении в кристалле содержания иодида серебра более 1,0 вес.% и иодида одновалентного таллия более 7 вес.% кристалл вырастает блочным и при механической обработке разрушается (см. пример 5).

Пример 1. Вырастили кристалл (по методу Бриджмена) состава в весовых %:

Хлорид серебра18,0Бромид серебра74,5Иодид серебра0,5Иодид одновалентного таллия7,0

Провели оптическую обработку кристалла и измерили характеристики сцинтиллятора.

Длительность сцинтилляций ˜40 нс. Эффективный атомный номер 45,74, плотность сцинтиллятора - 6,6 г/см³, диапазон пропускания от 0,4 до 40 мкм.

Сцинтиллятор имеет максимум спектра свечения при 675 нм, его чувствительность согласуется со спектральной чувствительностью кремниевых PIN-фотодиодов и обеспечивает хорошую загрузочную способность.

Пример 2. Вырастили кристалл состава в весовых %:

Хлорид серебра22,0Бромид серебра73,0Иодид серебра1,0Иодид одновалентного таллия 4,0

После оптической обработки кристалла провели измерения, как в примере 1. Спектр свечения кристаллического сцинтиллятора находится в красной и ближней ИК-области спектра от 590 до 765 нм (по полувысоте полосы свечения). Максимум спектра свечения ˜675 нм (фиг.1). Длительность сцинтилляций ˜35 нс.

Сцинтиллятор может быть использован в компактных фотоприемных устройствах на базе PIN-фотодиодов с требуемой загрузочной способностью.

Пример 3. Вырастили кристалл состава в вес.%:

Хлорид серебра20,0Бромид серебра74,0Иодид серебра0,8Иодид одновалентного таллия5,2

Все измерения провели, как в примере 1. Спектр свечения лежит в области от 590 до 765 нм (фиг.1). Длительность сцинтилляций ˜40 нс. Остальные характеристики как в примере 1.

Пример 4. Вырастили кристалл состава в вес.%:

Хлорид серебра22,0Бромид серебра75,7Иодид серебра0,3Иодид одновалентного таллия2,0

После оптической обработки кристалла провели измерения, как в примере 1. Максимум спектр свечения расположен при 500 нм, что плохо согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов.

Длительность сцинтилляций ˜50 нс. Эффективный атомный номер 43,2, плотность - 6,6 г/см³, диапазон пропускания от 0,4 до 40 мкм.

Пример 5. Вырастили кристалл состава в вес.%:

Хлорид серебра18,0Бромид серебра72,5Иодид серебра2,0Иодид одновалентного таллия7,5

После вырезания заготовки кристалла на токарном станке и последующего шлифования поверхности кристалла начинается распад твердого раствора. В течение двух-трех суток распад распространяется на глубину ˜2-3 мм, что наблюдается по изменению окраски кристалла. Заявленному веществу присвоено авторское наименование Лия-3.

Изобретение относится к неорганическим кристаллическим сцинтилляторам, чувствительным к пучкам рентгеновского и электронного излучения и применяемым для визуализации излучений в системах радиационного мониторинга, таможенного контроля, в системах томографии и неразрушающего контроля, использующих фотоприемные устройства, чувствительные в красном диапазоне спектра, в том числе компактные устройства на базе PIN-фотодиодов. Сущность: кристаллический сцинтиллятор содержит галогениды серебра и таллия при следующем соотношении ингредиентов (вес.%): хлорид серебра 18,0-22,0; бромид серебра 74,5-73,0; иодид серебра 0,5-1,0; иодид одновалентного таллия 7,0-4,0. Технический результат изобретения: разработка сцинтиллятора с максимумом спектра свечения в красной и ближней инфракрасной области спектра, согласующегося со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов и обеспечивающего высокую загрузочную способность детектора. 1 ил.

Кристаллический сцинтиллятор, содержащий галогениды серебра и таллия, отличающийся тем, что в его состав эти ингредиенты входят при следующем соотношении, вес.%:

Хлорид серебра18,0-22,0Бромид серебра74,5-73,0Иодид серебра0,5-1,0Иодид одновалентного таллия7,0-4,0