ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНКИ Российский патент 2007 года по МПК G01T1/202 C30B19/00 

Описание патента на изобретение RU2302015C2

Изобретение относится к области выращивания эпитаксиальных монокристаллических пленок для измерения рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного и космического излучений и промышленно применимо при изготовлении детекторов ядерных частиц, нейтронов, α- и β-частиц, γ-квантов, сцинтиляционных и рентгеновских экранов.

Известен преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде пластины из оксидного монокристалла [Yu.Zorenko, V.Gorbenko, I.Konstankevych, a.Voloshinovskii, G.Strygayuk, V.Mikhailin, V.Kolobanov, D.Spassky. Single-crystalline films of Ce-doped YAG and LuAG phosphors: advantages over bulk crystals analogues. Journal of Luminescence, 2003, 3 B 2 v8.06 a/w (Dec 5 2003), p.1-11]. Недостатками этого преобразователя являются низкое пространственное разрешение вследствие относительно большой толщины пластины и недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в преобразователе.

Наиболее близким к заявляемому является известный преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла [Yu.Zorenko, V.Gorbenko, I.Konstankevych, a.Voloshinovskii, G.Strygayuk, V.Mikhailin, V.Kolobanov, D.Spassky. Single-crystalline films of Ce-doped YAG and LuAG phosphors: advantages over bulk crystals analogues. Journal of Luminescence, 2003, 3 B 2 v8.06 a/w (Dec 5 2003), p.1-11].

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в преобразователе.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, [Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах: Справочник / Под ред. Н.Н.Евтихиева, Б.Н.Наумова. М.: Радио и связь. 1987, с.86-94].

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в пленке.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения эффективности преобразования высокоэнергетических частиц в излучение люминесценции видимого диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе высокоэнергетических частиц, выполненном в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла, пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем концентрация этих ионов составляет от 0,1 до 90 ат.%.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать разновалентные ионы свинца в соотношении, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать кислородные вакансии в количестве, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один ион из группы Mg2+, Са2+, Sr2+, Ge4+, Si4+, Sn4+, Zr4+, Hf4+, Sb5+, Nb45+ и Та5+.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один ион из группы Sc3+, La3+, Y3+, Lu3+, Al3+, Ga3+, In34+.

В частности, преобразователь может содержать, по меньшей мере, одну дополнительную пленку. При этом дополнительная пленка может быть нанесена на эпитаксиальную пленку или подложку. При этом дополнительная пленка может содержать, по меньшей мере, один химический элемент из группы Pb, Bi, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Cd. Sn и Sb.

В частности, подложка может быть выполнена из оксидного монокристалла из групп берилла, вольфрамита, граната, кальцита, пироксена, шпинели, хантита, оливина, танталата, фианита, корунда, рутила, титаната, молибдата, ниобата, галлата и германата. При этом подложка может быть выполнена из монокристалла граната одного из составов из группы Gd3Ga5O12, Nd3Ga5O12, Sm3Ga5O12, (Gd, Ca)3(Zr, Mg, Ga)5O12, Ca3(Nb, Ga)5O12 или Ca3(Nb, Ge, Ga)5O12 с ориентацией (111), или (110), или (100), или (210), или (211), или (311), или (411), или (511). При этом подложка может быть выполнена из монокристалла граната состава CaxDyMzMeqO12, где D - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, М - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, Me - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не менее 3, входящий в тетраэдрическую подрешетку структуры граната, 2,90<х<3,10; 0,05<у<1,80; 3,11<z+q<4,91; р<0,04.

В частности, рассогласование параметров кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки может составлять от -0,0020 до +0,0040 nm.

В частности, содержание ионов висмута не превышает 75 ат.%.

Поставленная задача решается также тем, что в известном способе получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин, причем компоненты шихты содержатся в следующем отношении (в мол. %.):

Pb+Bi2O340,0-90,0,В2O30,5-15,0,кристаллообразующие оксидыостальное.

В частности, шихта дополнительно может содержать, по меньшей мере, один из оксидов из группы Li2СО3, К2СО3, Na2CO3, Ва2СО3, СаСО3, BaO, CaO, MgO, GeO2, SiO2, В2O3, V2O5, Nb2O5, Li2O, K2O, Na2О, Rb2O, В2О3, Li2MoO4, K2MoO4, Na2MoO4, Li2WO4, K2WO4, Li2Mo2O7, К2Мо2O7, Na2Mo2O7, Na2WO4, Li2W2O7.

В частности, шихта дополнительно может содержать, по меньшей мере, один из оксидов из группы К2O, Li2O, CaO, MgO, GeO2 и SiO2 в концентрации не более 10 мол. %.

В частности, шихта может содержать кристаллообразующие оксиды в мольном соотношении, обратно пропорциональном коэффициентам распределения кристаллообразующих элементов.

В частности, раствор-расплав может находиться при температуре от 600 до 1100°С.

Заявляемые технические решения, представляющие собой устройство и способ получения материала для него, связаны единым изобретательским замыслом.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен преобразователь высокоэнергетических частиц. Он содержит монокристаллическую подложку 1, эпитаксиальную пленку 2, а также дополнительные пленки 3, 4 и 5, которые, например, представляют собой наноструктуры.

Суть изобретения состоит в следующем. Преобразователи высокоэнергетических частиц, изготовленные из монокристаллов, выращенные, например, по методу Чохральского, не могут содержать в своем составе в достаточно большой концентрации химических элементов, коэффициенты распределения которых существенно меньше 1. К их числу относятся, как правило, тяжелые элементы, определяющие эффективность преобразования высокоэнергетических частиц в видимое излучения (например, свинец и близкий к нему по свойствам висмут). От этого недостатка свободен метод жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава. Более того, нестационарность заключительной стадии эпитаксиального роста приводит к тому, что в переходном поверхностном слое концентрация химических элементов, коэффициенты распределения которых существенно меньше 1, на порядок и выше, чем в основном объеме пленки. Толщину этого слоя можно увеличить, многократно погружая на короткое время в раствор-расплав и извлекая из него растущую эпитаксиальную пленку. В частности, таким образом получают пленки 3, 4 и 5.

Преобразователь работает следующим образом. Высокоэнергетические частицы падают на преобразователь со стороны пленки 5 и создают в нем нарушения кристаллической структуры (различного рода дефекты). Затем эти нарушения релаксируют (самопроизвольно «залечиваются»), вследствие чего возникает излучение люминесценции в видимом диапазоне, выходящее, в том числе, и через прозрачную подложку 1. Излучение люминесценции регистрируют визуально или каким-либо иным известным способом. Опыт показал, что интенсивность этого излучения (эффективность преобразования) тем выше, чем больше Pb или Bi содержится в эпитаксиальной пленке 2 и дополнительных пленках 3, 4 и 5.

Пример 1. На подложке из Y3Al5О12 методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе PbO-В2О3 вырастили эпитаксиальную пленку Y3Al5О12, легированную Се в концентрации 0,08 ат.%. Оказалось, что в эпитаксиальной пленке интенсивность излучения люминесценции на длине волны λ=515 нм в три раза выше, чем в монокристалле того же состава, выращенном по методу Чохральского.

Пример 2. На подложке, выполненной в виде пластины из монокристалла Gd3Ga5O12 с ориентацией (111), из раствора-расплава, содержащем 85,4 мол. % PbO и 5,1 мол. % В2O3, при двукратном погружении в раствор-расплав при температуре 910°С вырастили эпитаксиальную пленку Gd3Ga5O12. Оказалось, что по сравнению с подложкой интенсивность люминесценции эпитаксиальной пленки в области спектра λ>360 нм возросла на полтора порядка величины.

Похожие патенты RU2302015C2

название год авторы номер документа
МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ПЛЕНКИ, СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ НЕОДНОРОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1999
  • Гусев М.Ю.
  • Козлов Ю.Ф.
  • Неустроев Н.С.
  • Рандошкин В.В.
RU2168193C2
Способ получения монокристаллических плёнок железо-иттриевого граната с нулевым рассогласованием параметров кристаллической решётки плёнки и подложки 2022
  • Шумилов Алексей Гениевич
  • Федоренко Андрей Александрович
  • Недвига Александр Степанович
  • Семук Евгений Юрьевич
  • Наухацкий Игорь Анатольевич
  • Бержанский Владимир Наумович
  • Шапошников Александр Николаевич
  • Томилин Сергей Владимирович
RU2791730C1
МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2012
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Читанов Денис Николаевич
RU2522594C1
МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА 1988
  • Рандошкин В.В.
SU1642869A1
ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ПОДЛОЖЕК СО СТРУКТУРОЙ ГРАНАТА 1992
  • Еськов Николай Анатольевич
  • Рандошкин Владимир Васильевич
RU2038435C1
МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ 1993
  • Рандошкин В.В.
RU2098856C1
СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЕФЕКТОВ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 1994
  • Рандошкин В.В.
RU2092832C1
Способ определения знака рассогласования параметров решетки эпитаксиальной пленки и подложки 1988
  • Рандошкин Владимир Васильевич
  • Чани Валерий Иванович
SU1793014A1
Доменсодержащий магнитооптический монокристалл со структурой граната 1988
  • Рандошкин Владимир Васильевич
SU1836502A3
МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2009
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Кожитов Лев Васильевич
  • Медведь Виктор Вячеславович
  • Морченко Александр Тимофеевич
  • Читанов Денис Николаевич
RU2431205C2

Реферат патента 2007 года ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНКИ

Изобретение относится к области выращивания эпитаксиальных монокристаллических пленок для измерения рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного и космического излучений и промышленно применимо при изготовлении детекторов ядерных частиц, нейтронов, α- и β-частиц, γ-квантов, сцинтилляционных и рентгеновских экранов. Технический результат изобретения: повышение, эффективности преобразования высокоэнергетических частиц в излучение люминесценции видимого диапазона. Сущность: преобразователь высокоэнергетических частиц содержит монокристаллическую подложку 1, эпитаксиальную пленку 2, а также дополнительные пленки 3, 4 и 5. Эпитаксиальная пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем эпитаксиальная пленка содержит также, по меньшей мере, и один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb. Способ получения пленки предполагает размещение изоморфной монокристаллической подложки в переохлажденный раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин. Шихта для приготовления раствора-расплава содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 302 015 C2

1. Преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем эпитаксиальная пленка содержит, по меньшей мере, и один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит разновалентные ионы свинца в соотношении, обеспечивающем зарядовую компенсацию.3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит кислородные вакансии в количестве, обеспечивающем зарядовую компенсацию.4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка дополнительно содержит, по меньшей мере, один ион из группы Mg2+, Са2+, Sr2+, Ge4+, Si4+, Sn4+, Zr4+, Hf4+, Sb5+, Nb45+ и Та5+.5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка дополнительно содержит, по меньшей мере, один ион из группы Sc3+, La3+, Y3+, Lu3+, Al3+, Ga3+, In34+.6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку, нанесенную на эпитаксиальную пленку.7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку, нанесенную на подложку.8. Преобразователь по п.6 или 7, отличающийся тем, что дополнительная пленка содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Pb, Bi, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из оксидного монокристалла из групп берилла, вольфрамита, граната, кальцита, пироксена, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку пинели, хантита, оливина, танталата, фианита, корунда, рутила, титаната, молибдата, ниобата, галлата и германата.10. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла граната одного из составов из группы Gd3Ga5O12, Nd3Ga5O12, Sm3Ga5O12, (Gd, Ca)3(Zr, Mg, Ga)5O12, Ca3(Nb, Ga)5O12 или Ca3(Nb, Ge, Ga)5O12 с ориентацией (111) или (110) или (100) или (210) или (211) или (311) или (411) или (511).11. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла граната состава CaxDyMzMeqO12, где D - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, М - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, Me - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не менее 3, входящий в тетраэдрическую подрешетку структуры граната, 2,90<х<3,10; 0,05<у<1,80; 3,11<z+q<4,91.12. Преобразователь по п.11, отличающийся тем, что подложка в качестве химического элемента D содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Nb, Zr, Та и V, в качестве химического элемента М содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Ga, Al, Li и Mg, а в качестве химического элемента Me содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Ga, Al, Ge и Si.13. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что рассогласование параметров кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки составляет от -0,0020 до +0,0040 nm.14. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что содержание ионов висмута не превышает 75 ат.%.15. Способ получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин, причем компоненты шихты содержатся в следующем отношении, мол.%.:

Pb и/или Bi2O340,0-90,0В2O30,5-15,0кристаллообразующие оксидыостальное

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит, по меньшей мере, один из оксидов из группы Li2СО3, К2СО3, Na2СО3, Ва2СО3, СаСО3, BaO, CaO, MgO, GeO2, SiO2, В2O3, V2O5, Nb2O5, Li2O, K2O, Na2O, Rb2O, В2O3,Li2MoO4,К2MoO4,Na2MoO4, Li2WO4,K2WO4,Li2Mo2O7,K2Mo2O7, Na2Mo2O7, Na2WO4, Li2W2O7.17. Способ по п.15, отличающийся тем, что шихта содержит кристаллообразующие оксиды в мольном соотношении, обратно пропорциональном коэффициентам распределения кристаллообразующих элементов.18. Способ по п.15, отличающийся тем, что раствор-расплав находится при температуре от 600 до 1100°С.19. Способ по п.15, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав на глубину меньше толщины подложки.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2007 года RU2302015C2

JP 2001349948 A, 21.12.2001
JP 61152083 A, 10.07.1986
JP 2000241550 A, 08.09.2000
ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ 1998
  • Шульгин Б.В.
  • Петров В.Л.
  • Шульгин Д.Б.
  • Ситников Е.Г.
  • Райков Д.В.
  • Плаксин Ф.Г.
RU2158011C2
US 6278118 A, 21.08.2001
Способ получения эпитаксиальных пленок феррит-гранатов 1989
  • Пронина Наталья Владимировна
  • Недвига Александр Степанович
  • Грошенко Николай Александрович
SU1633031A1
Способ получения магнитнооптической структуры 1989
  • Островский Игорь Вениаминович
  • Еськов Николай Анатольевич
  • Пронина Наталья Владимировна
  • Грошенко Николай Александрович
SU1675409A1

RU 2 302 015 C2

Авторы

Колобанов Виталий Николаевич

Рандошкин Владимир Васильевич

Даты

2007-06-27Публикация

2005-03-03Подача