СЦИНТИЛЛЯТОРНЫЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ ГАЛОГЕНИДОВ ЛАНТАНОИДОВ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ СПОСОБЫ И ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01T1/202 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится, в основном, к люминисцентным материалам и, конкретнее, к сцинтилляторным составам, которые, главным образом, применяют для обнаружения гамма-излучения и рентгеновского излучения при различных условиях.

Сцинтилляторы можно использовать для обнаружения излучения большой энергии в процессах, которые являются как очень простыми, так и очень точными. Сцинтилляторные материалы совокупно используются в качестве компонента детекторов излучения для гамма-лучей, рентгеновских лучей, космических лучей и частиц, характеризующихся уровнем энергии более примерно 1 кэВ. Сцинтилляционный кристалл соединяют со средством светообнаружения, т.е. фотодетектором. Когда фотоны из радионуклидного источника соударяются с кристаллом, кристалл испускает свет. Фотодетектор производит электрический сигнал, пропорциональный количеству полученных световых импульсов, и их интенсивности.

Было обнаружено, что сцинтилляторы являются пригодными для применения в химии, физике, геологии и медицине. Конкретные примеры применений включают в себя устройства позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ); каротаж для нефтяной и газовой промышленности и различные применения в цифровом изображении. Сцинтилляторы также исследуют на предмет использования в детекторах для приборов системы безопасности, например в детекторах для источников радиации, которые могут выявлять наличие радиоактивных материалов в грузовых контейнерах.

Состав сцинтиллятора является особо важным для функционирования устройства во всех этих применениях. Сцинтиллятор должен быть чувствительным к облучению рентгеновским и гамма-излучением. Более того, сцинтиллятор должен обладать набором характеристик, которые повышают обнаружение излучения. Например, наиболее мощные сцинтилляторные материалы должны обладать высоким выходом света, коротким временем затухания, высокой «мощностью торможения» и приемлемым энергетическим разрешением. Другие свойства также могут быть очень значительными, в зависимости от того, как используется сцинтиллятор, как описано ниже.

Различные сцинтилляторные материалы, которые обладают наибольшим количеством или всеми из этих свойств, используются в течение нескольких лет. Примеры включают активированный таллием иодид натрия (NaI (Tl)); германат висмута (BGO); легированный церием ортосиликат гадолиния (GSO); легированный церием ортосиликат лютеция (LSO) и активированные церием соединения галогенидов лантаноидов. Каждый из этих материалов обладает свойствами, которые очень подходят для некоторых применений. Однако многие из них также имеют некоторые недостатки. Общие проблемы состоят в низком световом выходе, низкой физической прочности и в невозможности получения крупноразмерных качественных монокристаллов. Также присутствуют и другие недостатки. Например, активированные таллием материалы очень гигроскопичны и могут также порождать крупное и устойчивое послесвечение, которое может интерферировать со сцинтилляторной функцией. Более того, BGO-материалы часто обладают медленным временем затухания. С другой стороны, LSO-материалы являются дорогими и также могут содержать радиоактивные изотопы лютеция, которые также могут интерферировать со сцинтилляторной функцией.

Вообще специалисты, заинтересованные в получении оптимального сцинтилляторного состава для радиационного детектора, могли изучить его различные признаки, приведенные выше, и, следовательно, подобрать наилучший состав для конкретного устройства. В качестве одного примера, сцинтилляторные составы, предназначенные для каротажного применения, должны быть способны функционировать при высоких температурах, тогда как сцинтилляторы для PET-устройств (periodic evaluation test, - устройств для позитронной эмиссионной томографии) должны часто проявлять высокую мощность торможения. Однако требуемый уровень общей эффективности для большинства сцинтилляторов продолжает возрастать с повышением чувствительности и разнообразия всех радиационных детекторов.

В качестве примера, в каротажном применении, сцинтилляторные кристаллы должны быть способны к функционированию при очень высоких температурах, а также в условиях жесткого удара и вибрации. Сцинтилляторный материал, следовательно, должен обладать максимальным сочетанием многих свойств, описанных ранее, например высоким световым выходом и энергетическим разрешением. Сцинтиллятор также должен быть достаточно маленьким для его помещения в упаковку, подходящую для очень ограниченного пространства. Пороговые значения приемлемых свойств были значительно повышены, поскольку бурение проводят на очень большие глубины. Например, способность стандартных сцинтилляторных кристаллов производить сильный световой выход с высоким разрешением может быть подвергнута серьезному риску с увеличением глубины бурения.

Таким образом, должно быть ясно, что новые сцинтилляторные материалы могут представлять значительный интерес, если они могут удовлетворять все возрастающим требованиям для коммерческого и промышленного использования. Материалы должны проявлять исключительно высокий световой выход. Они также должны обладать одной или несколькими другими желательными характеристиками, такими как относительно быстрое время затухания, и хорошими характеристиками энергетического разрешения, особенно в случае гамма-излучения. Кроме того, они должны допускать их эффективное производство при разумной стоимости и приемлемом размере кристалла.

Следовательно, существует потребность в усовершенствованном сцинтилляторном материале, который может решить одну или несколько проблем, обсуждаемых выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Один вариант воплощения этого изобретения относится к сцинтилляторному составу, который содержит следующие материалы и любой из их продуктов реакции:

(a) матричный материал, содержащий:

(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида; и

по меньшей мере, один щелочной металл; и

(b) активатор для матричного материала, содержащего празеодим.

Другой вариант воплощения относится к сцинтилляторному составу, который содержит следующие материалы и любой из их продуктов реакции:

(a) матричный материал, содержащий:

(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида; и

(b) активатор для матричного материала, содержащий празеодим.

Дополнительное воплощение направлено на создание радиационного детектора для обнаружения излучения высокой энергии. Радиационный детектор содержит кристаллический сцинтиллятор. Сцинтилляторный материал содержит матричный материал, описанный выше, и любой из его продуктов реакции. Сцинтиллятор, кроме того, содержит активатор для матричного материала, содержащего празеодим.

Радиационный детектор также включает в себя фотодетектор. Фотодетектор оптически связан со сцинтиллятором, чтобы можно было производить электрический сигнал под действием эмиссии светового импульса, произведенного сцинтиллятором.

Еще один вариант воплощения относится к способу для обнаружения высокоэнергетического излучения с помощью сцинтилляционного детектора. Способ содержит следующие этапы:

(A) приема излучения сцинтилляторным кристаллом для генерирования фотонов, которые являются характеристикой радиации; и

(B) обнаружения фотонов с помощью детектора фотонов, связанного со сцинтилляторным кристаллом.

Сцинтилляторный кристалл создают из состава, упомянутого выше, и еще описанного ниже, наряду с другими деталями, касающимися различных признаков данного изобретения.

ЧЕРТЕЖИ

Эти и другие признаки, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при прочтении следующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых подобные характеристики представлены в виде частей, приведенных по каждому чертежу, где:

ФИГ.1 представляет собой график спектра испускания (при облучении рентгеновским излучением) для сцинтилляторного состава La_0,99Pr_0,01Br₃ согласно воплощению настоящего изобретения.

ФИГ.2 представляет собой график спектра испускания (при облучении рентгеновским излучением) для сцинтилляторного состава La_0,99Pr_0,01Cl_0,03Br_2,97 согласно воплощению настоящего изобретения.

ФИГ.3 представляет собой график спектра испускания (при облучении рентгеновским излучением) для сцинтилляторного состава Rb₂La_0,98Pr_0,02I₅ согласно воплощению настоящего изобретения.

ФИГ.4 представляет собой график спектра испускания (при облучении рентгеновским излучением) для сцинтилляторного состава Rb₂La_0,98Pr_0,02Br₅ согласно воплощению настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Матричный материал для сцинтилляторного состава содержит, по меньшей мере, одно соединение, галогенид лантаноида. Галогенид представляет собой фторид, бромид, хлорид или иодид. Каждый из этих отдельных галогенидов может быть пригодным для нескольких применений. В некоторых вариантах воплощения иод является особо предпочтительным из-за его высоких характеристик светового выхода. Более того, в других вариантах воплощения, присутствуют, по меньшей мере, два галогенида. Таким образом, матричный материал можно получать в форме твердого раствора, состоящего, по меньшей мере, из двух галогенидов лантаноидов. В целях настоящего изобретения термин «твердый раствор» относится к смеси галогенидов в твердой, кристаллической форме, которая может включать в себя одну фазу или несколько фаз. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что фазовые превращения могут возникать в кристалле после его образования, например, при последующих этапах обработки, подобно спеканию или уплотнению.

Лантаноид может представлять собой любой из редкоземельных элементов, т.е. лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Также возможны смеси двух или более лантаноидов. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что иттрий тесно связан с редкоземельной группой. Таким образом, в целях раскрытия данного изобретения, иттрий также считается частью семейства лантаноидов. Предпочтительные лантаноиды выбирают из группы, состоящей из лантана, иттрия, гадолиния, лютеция, скандия, празеодима и их смесей. В особо предпочтительных вариантах воплощения лантаноид представляет собой соединение самого лантана.

Некоторые конкретные неограничивающие примеры галогенидов лантаноидов - следующие: хлорид лютеция, бромид лютеция, хлорид иттрия, бромид иттрия, хлорид гадолиния, бромид гадолиния, хлорид празеодима, бромид празеодима и их смеси. Однако в предпочтительных вариантах воплощения использованы галогениды лантана, т.е. иодид лантана (LaI₃), бромид лантана (LaBr₃), хлорид лантана (LaCl₃) или некоторые их комбинации. Эти материалы известны из уровня техники и имеются в продаже, или их можно получать с помощью стандартных технологий.

При использовании иодида лантана обычно является важным, чтобы в нем практически отсутствовал кислород или кислородсодержащие соединения. Кислород может иметь отрицательное воздействие на люминисценцию сцинтилляторов. Для целей настоящего изобретения термин «практически отсутствовал» означает указание соединения, содержащего менее примерно 0,1 мол.% кислорода, а предпочтительно - менее примерно 0,01 мол.% кислорода. Способы для обеспечения того, чтобы в иодиде лантана отсутствовал кислород, известны из уровня техники. Образцовые технологии описаны A. Srivastava и др. в находящейся на рассмотрении патентной заявке с серийным номером 10/689361. Данная заявка была зарегистрирована на 17 октября 2003 г.и она включена в данное описание в виде ссылки.

В одном варианте воплощения матричный материал дополнительно содержит, по меньшей мере, один щелочной металл. Его примеры включают литий, калий, рубидий, натрий и цезий. Также можно использовать смеси щелочных металлов. В некоторых предпочтительных вариантах воплощения предпочтительными металлами являются рубидий и цезий, причем особо предпочтительным является использование рубидия.

Относительные соотношения щелочного металла и галогенида лантаноида могут значительно различаться. Обычно мольное отношение щелочного металла (общее) к галогениду лантаноида (общее) будет находиться в диапазоне от примерно 2,2:1,0 до примерно 1,8:1,0. Однако, обычно, соотношения зависят от стехиометрических величин, таких как валентность, атомная масса, химическая связь, координационное число и т.п. В качестве примера, многие сцинтилляторные соединения для некоторых вариантов воплощения настоящего изобретения имеют общую формулу

A₂LnX₅,

где A представляет собой, по меньшей мере, один щелочной металл; Ln - по меньшей мере, один лантаноидный элемент; и X - по меньшей мере, один галоген. Для этих типов соединений каждый щелочной металл обычно имеет валентность +1; каждый лантаноид обычно имеет валентность +3; и каждый галоген имеет валентность -1, для достижения стехиометрического баланса.

Некоторые конкретные, неограничивающие примеры сцинтилляторов (т.е., матрицы) для некоторых вариантов воплощения настоящего изобретения следующие: K₂LaCl₅, Rb₂LaCl₅, Cs₂LaCl₅, K₂LaBr₅, Rb₂LaBr₅, K₂LaI₅, Rb₂LaI₅, K₂GdCl₅, K₂GdBr₅ и Cs₂LuCl₅. Предполагается, что в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения, например для некоторых из его конечных использований, описанных ниже, каждый из этих материалов способствует формированию в кристаллической структуре оптимальной сцинтилляторной функции.

В данном варианте воплощения матричный материал может дополнительно содержать, по меньшей мере, один из щелочноземельных металлов. Примеры включают в себя магний, кальций, стронций и барий. Также можно использовать смеси щелочноземельных металлов. В некоторых предпочтительных вариантах воплощения предпочтительным щелочноземельным металлом является барий.

Относительные соотношения щелочноземельного металла и щелочного металла могут значительно различаться. Обычно соотношения зависят от стехиометрических величин, таких как валентность, атомная масса, химическая связь, координационное число, и т.п. В качестве неограничивающего примера, многие сцинтилляторные соединения для некоторых вариантов воплощения настоящего изобретения имеют общую формулу

AβLnX₆,

где A представляет собой, по меньшей мере, один щелочной металл; Ln - по меньшей мере, один лантаноидный элемент; и X - по меньшей мере, один галоген. Для этих типов соединений каждый щелочной металл обычно имеет валентность +1; каждый щелочноземельный металл обычно имеет валентность +2; каждый лантаноид обычно имеет валентность +3; и каждый галоген имеет валентность -1, - для достижения стехиометрического баланса.

Другие появляющиеся сцинтилляторные соединения не образуют кристаллическую структуру, являющуюся достаточно хорошей для достижения оптимальной сцинтилляторной функции. Однако они могут достигать такой структуры, по меньшей мере, частично, в смеси друг с другом, или в смеси с любым из конкретных соединений, указанных выше. Неограничивающие примеры этих соединений следующие: Cs₂LaBr₅, Cs₂LaI₅, Rb₂GdCl₅, Cs₂GdCl₅, Rb₂GdBr₅, Cs₂GdBr₅, K₂GdI₅, Rb₂GdI₅ Cs₂GdI₅, K₂YCl₅, Rb₂YCl₅, Cs₂YCl₅, K₂YBr₅, Rb₂YBr₅, Cs₂YBr₅, K₂YI₅, Rb₂YI₅, Cs₂YI₅, K₂LuCl₅, Rb₂LuCl₅, K₂LuBr₅, Rb₂LuBr₅, Cs₂LuBr₅, K₂LuI₅, Rb₂LuI₅ и Cs₂LuI₅.

Сцинтилляторный состав дополнительно включает активатор для матричного материала. Активатор иногда называется «допантом». Активатор содержит празеодим. Во многих ситуациях использование празеодима является благоприятным из-за его высокой способности к световому выходу и температурной стабильности. В дополнение, празеодим в некоторых кристаллических решетках основного вещества может обладать более сильным ультрафиолетовым излучением, которое может больше соответствовать фотодетекторам на основе карбида кремния, которые используют в высокотемпературных применениях, например, в дозиметрической разведке (детектировании излучений) скважин, но не ограничиваясь этим.

Количество присутствующего активатора будет зависеть от различных факторов, например от конкретного щелочного металла, конкретного щелочноземельного металла, если он присутствует, и галогенида лантаноида, имеющегося в матрице; от желаемых излучательных свойств и времени затухания; и от типа устройства обнаружения, в которое вводят сцинтиллятор. Обычно активатор используют при уровне содержания в диапазоне примерно 0,1 мол.% - примерно 20 мол.%, исходя из общего количества молей активатора и матричного материала, содержащего щелочной металл и галогенид лантаноида. Во многих предпочтительных вариантах воплощения количество активатора присутствует в диапазоне примерно 1 мол.% - примерно 10 мол.%. Его обычно используют в трехвалентном состоянии, - Pr⁺³. Активатор можно поставлять в различных формах, например в виде галогенидов, подобно хлориду празеодима или бромиду празеодима.

Состав самого активатора может включать другие материалы, помимо празеодима. Однако является предпочтительным, чтобы активатор содержал, по меньшей мере, примерно 80 мол.% празеодима, и более предпочтительно, - по меньшей мере, примерно 95 мол.% празеодима. В некоторых вариантах воплощения активатор в основном состоит из празеодима.

В другом варианте воплощения матричный материал для сцинтилляторного состава может содержать только соединение галогенид лантаноида, т.е. без щелочного металла или щелочноземельного металла. Галогенид представляет собой фторид, бромид, хлорид, иодид или их смеси. Каждый из индивидуальных галогенидов может быть пригоден для некоторых применений. В некоторых вариантах воплощения особо предпочтительным является иодид из-за его высоких характеристик светового выхода. Предпочтительные лантаноиды выбирают из группы, состоящей из лантана, иттрия, гадолиния, лютеция, скандия, празеодима и их смесей. В особо предпочтительных вариантах воплощения лантаноид представляет собой соединение самого лантана. Как и в предыдущих вариантах воплощения, активатор содержит празеодим.

Некоторые конкретные неограничивающие примеры галогенидов лантаноидов - следующие: хлорид лютеция, бромид лютеция, хлорид иттрия, бромид иттрия, хлорид гадолиния, бромид гадолиния, хлорид празеодима, бромид празеодима и их смеси. Однако, в предпочтительных вариантах воплощения, использованы галогениды лантана, т.е. иодид лантана (LaI₃), бромид лантана (LaBr₃), хлорид лантана (LaCl₃) или какая-то их комбинация. Эти материалы известны в данной области техники и являются серийно выпускаемыми, или их можно изготавливать с помощью стандартных технологий.

Некоторые конкретные неограничивающие примеры сцинтилляторов для этих вариантов воплощения настоящего изобретения представляют собой La_0,99Pr_0,01Br₃, La_0,99Pr_0,01Cl₃, La_0,99Pr_0,01I₃ и La_0,99Pr_0,01Cl_0,03Br_2,97. Предполагается, что в некоторых воплощениях настоящего изобретения каждый из этих материалов способствует формированию в кристаллической структуре оптимальной сцинтилляторной функции.

Сцинтилляторный состав можно получать и использовать в различных формах. В некоторых предпочтительных вариантах воплощения состав существует в монокристаллической форме (т.е. единого кристалла). Монокристаллические сцинтилляторные кристаллы обладают большей тенденцией к прозрачности. Они обычно пригодны для высокоэнергетических радиационных детекторов, например их используют для гамма-излучения.

Сцинтилляторный состав можно использовать также и в других формах, в зависимости от его предполагаемого конечного использования. Например, он может быть в порошковой форме. Также должно быть понятно, что сцинтилляторные составы могут содержать небольшие количества примесей, как описано в упомянутых ранее публикациях WO 01/60944 A2 и WO 01/60945 A2, введенных в данное описание в качестве ссылки. Эти примеси обычно привносятся из исходных материалов, и обычно составляют менее примерно 0,1 мас.% сцинтилляторного состава. Очень часто они составляют менее примерно 0,01 мас.% состава. Состав может также включать паразитные добавки, объемный процент которых обычно составляет менее примерно 1%. Более того, в сцинтилляторный состав можно целенаправленно включать незначительные количества других материалов.

Сцинтилляторные материалы можно изготавливать с помощью различных стандартных технологий. Следует понимать, что сцинтилляторные составы также могут содержать различные продукты реакций, полученные при использовании этих технологий. Обычно сначала готовят подходящий порошок, содержащий желательные материалы в правильных соотношениях, с последующим проведением таких операций, как кальцинирование, штамповка, спекание и/или горячее изостатическое прессование. Порошок можно получать путем перемешивания различных форм реагентов (например, солей, оксидов, галогенидов, оксалатов, карбонатов, нитратов или их смесей). В некоторых предпочтительных вариантах воплощения галогенид лантаноида подают в виде одиночного реагента, например, галогенид лантаноида, такой как хлорид лантана, который является коммерчески доступным. В качестве неограничивающей иллюстрации, один или несколько галогенидов лантаноида можно сочетать с одним или несколькими галогенидами щелочных металлов (в желательных соотношениях), и, по меньшей мере, с одним реагентом, содержащим активатор.

Перемешивание реагентов можно осуществлять любыми подходящими способами, которые обеспечивают полное, однородное перемешивание. Например, перемешивание можно осуществлять с помощью агатовой ступки и пестика. В качестве альтернативы, можно использовать смеситель или измельчительный аппарат (пульверизатор), например шаровую мельницу, среднеходную валковую мельницу, молотковую мельницу или струйную мельницу. Смесь также может содержать различные добавки, такие как флюсующий состав и связующие материалы. В зависимости от совместимости и/или растворимости иногда в ходе перемешивания в качестве растворителя можно использовать различные жидкости, например гептан или спирт, такой как этиловый спирт. Следует использовать подходящие измельчающие среды, например материал, который не может быть загрязнителем для сцинтиллятора, поскольку такое загрязнение может снизить его светоизлучающую способность.

После перемешивания смеси ее затем можно прокалить при температурных и временных условиях, достаточных для преобразования смеси в твердый раствор. Эти условия будут частично зависеть от конкретного типа матричного материала и используемого активатора. Обычно прокаливание осуществляют в печи, при температуре в диапазоне примерно 500°C - 1000°C. Время прокаливания обычно находится в диапазоне примерно от 15 минут до 10 часов.

Прокаливание следует осуществлять в атмосфере, свободной от кислорода и влаги, например в вакууме, или с использованием инертного газа, такого как азот, гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. После завершения прокаливания полученный в результате материал можно измельчить для приведения сцинтиллятора в порошкообразную форму. Затем можно использовать стандартные технологии для преобразования порошка в элементы радиационного детектора.

Способы для изготовления монокристаллических материалов также широко известны из уровня техники. Неограничивающая примерная ссылка дана в «Люминисцентных материалах» (G.Blasse и др., Springer-Verlag, 1994 г.). Обычно подходящие реагенты расплавляют при температуре, достаточной для образования конгруэнтного расплавленного состава. Температура плавления будет зависеть от идентичности самих реагентов, но обычно она находится в диапазоне примерно 650-1100°C.

Для приготовления монокристалла сцинтилляторного материала из расплавленного состава можно использовать разнообразные технологии. Они описаны во многих источниках, таких как патент США №6437336 (Pauwels и др.); «Процессы выращивания кристаллов», J.C.Brice, Blackie & Son Ltd (1986); и «Американская энциклопедия», Том 8, Grolier Incorporated (1981), страницы 286-293. Эти описания включены в данный документ в качестве ссылки. Неограничивающими примерами технологий выращивания кристаллов являются: метод Бриджмена-Стокбаргера; метод Чохральского, метод зонной плавки (или метод «плавающей зоны»), и метод градиента температур. Специалисты в данной области техники хорошо осведомлены о необходимых подробностях, относящихся к каждому из этих процессов.

Для производства сцинтиллятора в форме монокристалла можно обеспечить одну неограничивающую иллюстрацию, основанную частично на доктрине патента Лайонса и др., упомянутого выше. В данном способе зародыш кристалла желаемого состава (описанного выше) вводят в насыщенный раствор. Раствор содержат в подходящем кристаллизаторе, и он содержит подходящие продукты-предшественники для материала сцинтиллятора. Новый кристаллический материал подвергают росту и добавляют к монокристаллу, используя один из способов выращивания, указанных выше. Размер кристалла будет частично зависеть от его желаемого конечного использования, например типа радиационного детектора, в который он будет введен.

Другой вариант воплощения изобретения направлен на способ для обнаружения высокоэнергетического излучения с помощью сцинтилляционного детектора. Детектор включает в себя один или несколько кристаллов, созданных из каждого из описанных здесь сцинтилляторных составов. Сцинтилляционные детекторы широко известны из уровня техники, и здесь нет необходимости в их подробном описании. Несколько ссылок (из многих), в которых обсуждаются такие устройства, - патенты США №№6585913 и 6437336, упомянутые выше, и патент США №6624420 (Chai и др.), который также включен в данный документ в качестве ссылки. Вообще сцинтилляторные кристаллы в этих устройствах принимают радиацию из исследуемого источника и производят фотоны, которые являются характеристикой радиации. Фотоны выявляют с помощью фотодетектора определенного типа («фотонного детектора»). Фотодетектор соединяют со сцинтилляторным кристаллом посредством стандартной электронной системы и системы механического присоединениия.

Фотодетекторами могут быть разнообразные устройства, которые все широко известны из уровня техники. Неограничивающие примеры включают в себя фотоэлектронные умножители, фотодиоды, CCD-датчики (датчики с зарядовой связью) и усилители яркости изображения. Выбор конкретного фотодетектора будет частично зависеть от типа изготавливаемого радиационного детектора, и от его целевого использования.

Сами радиационные детекторы, которые включают сцинтиллятор и фотодетектор, можно соединять с различными приборами и устройствами, как упомянуто ранее. Неограничивающие примеры включают в себя каротажные приборы и приборы ядерной медицины (например, устройства для позитронной эмиссионной томографии, или PET-устройства). Радиационные детекторы можно также соединять с оборудованием для цифрового формирования изображения, например с пиксельными индикаторными панельными устройствами. Более того, сцинтиллятор может служить в качестве компонента экранного сцинтиллятора. Например, порошковый сцинтилляторный материал можно создавать в виде относительно плоской пластины, которую прикрепляют к пленке, например к фотографической пленке. Излучение большой энергии, например рентгеновские лучи, возникающие из определенного источника, может контактировать со сцинтиллятором и преобразовываться в световые фотоны, которые проявляются на пленке.

Здесь уместно краткое обсуждение нескольких предпочтительных вариантов конечного использования. Ранее были упомянуты каротажные приборы, и они представляют собой важное применение для этих радиационных детекторов. Технология для исправного соединения радиационного детектора с каротажной трубкой хорошо известна из уровня техники. Общая концепция описана в патенте США №5869836 (Линден и др.), который введен в данный документ в виде ссылки. Кристаллическая упаковка, содержащая сцинтиллятор, обычно включает в себя оптическое окно прозрачности на одном конце ограждающей оболочки. Окно позволяет радиоиндуцированному сцинтилляционному излучению покидать кристаллическую упаковку для измерения через светочувствительное устройство (например, фотоумножитель), которое соединено с упаковкой. Светочувствительное устройство преобразует световые фотоны, испускаемые из кристалла, в электрические импульсы, которые обрабатываются и оцифровываются подключенной электроникой. С помощью этого общего процесса можно обнаруживать гамма-лучи, что, в свою очередь, обеспечивает анализ породной толщи, окружающей буровые скважины.

Медицинское отображающее оборудование, такое как PET-приборы, упомянутые выше, представляют другое важное применение для этих радиационных детекторов. Технология для пригодного к эксплуатации соединения радиационного детектора (содержащего сцинтиллятор) с PET-прибором также хорошо известна из уровня техники. Общая концепция описана во многих ссылках, таких как патент США №6624422 (Уильямс и др.), включенный в данный документ в качестве ссылки. Вкратце, пациенту обычно вводят радиофармацевтическое соединение, и оно накапливается в интересующем органе. Радионуклиды из соединения распадаются и испускают позитроны. Когда позитроны встречаются с электронами, они аннигилируются и преобразуются в фотоны, или в гамма-лучи. PET-сканер может определять местоположение этих «аннигиляций» в трех измерениях, и, таким образом, может реконструировать форму органа, представляющего интерес для обследования. Модули детектора в сканере обычно включают в себя несколько «детекторных блоков», наряду со связанными схемами. Каждый детекторный блок может содержать массив сцинтилляторных кристаллов, установленных в определенном порядке, наряду с фотоумножителями.

И в каротажных, и в PET-технологиях световой выход сцинтиллятора является критическим. Настоящее изобретение может обеспечивать сцинтилляторные материалы, которые обладают желаемым световым выходом для требуемых применений в технологиях. Более того, представляется возможным, чтобы кристаллы одновременно могли проявлять некоторые из других важных свойств, указанных выше, например короткое время затухания, высокая «мощность торможения» и приемлемое энергетическое разрешение. Кроме того, сцинтилляторные материалы можно изготавливать экономно. Их можно также использовать в различных других устройствах, в которых требуется детектирование излучений.

ПРИМЕРЫ

Примеры, которые следуют далее, являются лишь иллюстративными, и их не следует рассматривать как любого рода ограничения объема заявленного изобретения.

Пример 1:

В данном примере был приготовлен 2-граммовый образец сцинтилляторного состава, активированного празеодимом. Матричная часть состава имела формулу LaBr₃. Для приготовления образца в защитной камере с перчатками были взвешены 1,98 грамм LaBr₃ и 0,0201 грамм PrBr₃. Материалы были как следует перемешаны, а затем запаяны в серебряной трубке. При 700°C был проведен отжиг в течение 5 часов, в инертной атмосфере. Номинальная формула для состава после отжига была La_0,99Pr_0,01Br₃.

Спектр излучения для образца был определен при облучении рентгеновским излучением, с использованием оптического спектрометра. ФИГ.1 представляет собой график зависимости длины волны (нм) от интенсивности (произвольные единицы). Максимальные длины волны излучения для образца составляли примерно 490 нм и примерно 540 нм. Эти характеристики излучения являются четким указанием на то, что составы, описываемые в данном документе, могут быть очень полезными для различных устройств, используемых для обнаружения гамма-лучей.

Пример 2:

В данном примере был приготовлен двухграммовый образец сцинтилляторного состава, активированного празеодимом. Матричная часть состава имела формулу LaBr₃. Для приготовления образца в защитной камере с перчатками было взвешено 1,987 грамм LaBr₃ и 0,0131 грамм PrCl₃. Материалы были как следует перемешаны, а затем запаяны в серебряной трубке. При 700°C был проведен отжиг в течение 5 часов, при инертной атмосфере. Номинальная формула для состава после отжига была La_0,99Pr_0,01Cl_0,03Br_2,97.

Спектр излучения для образца был определен при облучении рентгеновским излучением, с использованием оптического спектрометра. ФИГ.2 представляет собой график зависимости длины волны (нм) от интенсивности (произвольные единицы). Максимальные длины волны излучения для образца составляли примерно 490 нм и примерно 540 нм. Было также определено, что сцинтилляторный состав можно облучать гамма-лучами до достижения уровня излучения, который характерен для иона празеодимия. Эти характеристики излучения являются четким указанием на то, что составы, описываемые в данном документе, могут быть очень полезными для различных устройств, используемых для обнаружения гамма-лучей.

Пример 3:

В данном примере был приготовлен двухграммовый образец сцинтилляторного состава, активированного празеодимом. Матричная часть состава имела формулу Rb₂LaI₅. Для приготовления образца 0,8995 грамм RbI, 1,0784 грамм LaI₃ и 0,0161 грамм PrBr₃ были взвешены в защитной камере с перчатками. Материалы были как следует перемешаны, а затем запаяны в серебряной трубке. При 700°C был проведен отжиг в течение 5 часов, при инертной атмосфере. Номинальная формула для состава после отжига была Rb₂La_0,98Pr_0,02I₅.

Спектр излучения для образца был определен при облучении рентгеновским излучением, с использованием оптического спектрометра. ФИГ.3 представляет собой график зависимости длины волны (нм) от интенсивности (произвольные единицы). Максимальные длины волны излучения для образца составляли примерно 540 нм и примерно 660 нм. Эти характеристики излучения являются четким указанием на то, что составы, описываемые в данном документе, могут быть очень полезными для различных устройств, используемых для обнаружения гамма-лучей.

Пример 4:

В данном примере был приготовлен двухграммовый образец сцинтилляторного состава, активированного празеодимом. Матричная часть состава имела формулу Rb₂LaI₅. Для приготовления образца 0,9325 грамм RbBr, 1,0461 грамм LaBr₃ и 0,0215 грамм PrBr₃ были взвешены в защитной камере с перчатками. Материалы были как следует перемешаны, а затем запаяны в серебряной трубке. При 700°C был проведен отжиг в течение 5 часов, при инертной атмосфере. Номинальная формула для состава после отжига была Rb₂La_0,98Pr_0,02Br₅.

Спектр излучения для образца был определен при облучении рентгеновским излучением, с использованием оптического спектрометра. ФИГ.4 представляет собой график зависимости длины волны (нм) от интенсивности (произвольные единицы). Максимальные длины волны излучения для образца составляли примерно 490 нм и 650 нм. Эти характеристики излучения являются четким указанием на то, что составы, описываемые в данном документе, могут быть очень полезными для различных устройств, используемых для обнаружения гамма-лучей.

Специалистам, обладающим обычными знаниями в данной области техники, должно быть ясно, что можно осуществлять другие модификации данного изобретения (помимо модификаций, конкретно описанных в данном описании), без отступления от сущности изобретения. Следовательно, модификации, рассматриваемые этими специалистами в данной области техники, следует считать находящимися в рамках объема данного изобретения. Кроме того, все патенты, патентные публикации и другие ссылки, упомянутые выше, включены в данный документ в качестве ссылок.

Изобретение относится, в основном, к люминесцентным материалам и, конкретнее, к сцинтилляторным составам, которые, главным образом, применяют для обнаружения гамма-излучения и рентгеновского излучения при различных условиях. Технический результат - повышение светового выхода и энергетического разрешения. Сцинтилляторный состав включает в себя матричный материал и активатор. Матричный материал включает, по меньшей мере, одно соединение - галогенид лантаноида. Матрица также может включать, по меньшей мере, один щелочной металл, а в некоторых вариантах воплощения, - по меньшей мере, один щелочноземельный металл. Состав также включает в себя празеодимовый активатор для матрицы. Радиационные детекторы включают сцинтилляторы. Способ для обнаружения высокоэнергетического излучения осуществляется с помощью радиационного детектора. 6 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сцинтилляторный состав, содержащий следующие компоненты и любые продукты их реакций:
(a) матричный материал, содержащий:
(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида;
(ii) по меньшей мере, один щелочной металл; и
(b) ион-активатор для матричного материала, содержащий, по меньшей мере, 80 мол.% празеодима.

2. Сцинтилляторный состав по п.1, в котором лантаноид в матричном материале выбран из группы, состоящей из лантана, иттрия, гадолиния, лютеция и их смесей.

3. Сцинтилляторный состав по п.1, в котором галоген в галогениде в матричном материале выбран из группы, состоящей из фтора, брома, хлора и иода.

4. Сцинтилляторный состав по п.1, в котором щелочной металл, компонент (ii), выбран из группы, состоящей из натрия, рубидия, цезия и их смесей.

5. Сцинтилляторный состав по п.1, в котором матричный материал дополнительно содержит, по меньшей мере, один щелочноземельный металл.

6. Сцинтилляторный состав, содержащий следующие компоненты и любые продукты их реакций;
(а) матричный материал, содержащий:
(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида; и
(b) ион-активатор для матричного материала, содержащий, но меньшей мере, 80 мол.% празеодима.

7. Радиационный детектор для обнаружений высокоэнергетического излучения, содержащий:
(A) кристаллический сцинтиллятор, который имеет следующий состав, и любые из его продуктов реакций;
(a) матричный материал, содержащий:
(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида;
(ii) по меньшей мере, один щелочной металл; и
(b) ион-активатор для матричного материала, содержащий, по меньшей мере, 80 мол.% празеодима;
и
(B) фотодетектор, оптически связанный со сцинтиллятором, чтобы он мог производить электрический сигнал в ответ на испускание светового импульса, производимое сцинтиллятором.

8. Радиационный детектор для обнаружения высокоэнергетического излучения, содержащий:
(A) кристаллический сцинтиллятор, который имеет следующий состав, и любые из его продуктов реакций:
(a) матричный материал, содержащий:
(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида; и
(b) ион-активатор для матричного материала, содержащий, по меньшей мере, 80 мол.% празеодима;
и
(B) фотодетектор, оптически связанный со сцинтиллятором, чтобы он мог производить электрический сигнал в ответ на испускание светового импульса, производимое сцинтиллятором.

9. Способ обнаружения высокоэнергетического излучения с помощью сцинтилляционного детектора, включающий в себя этапы:
(A) приема излучения сцинтилляционным кристаллом, для генерирования фотонов, которые являются характеристикой излучения; и
(B) обнаружения фотонов с помощью детектора фотонов, связанного со сцинтилляционным кристаллом;
в котором сцинтилляторный кристалл образован из состава, содержащего следующие компоненты, и любые их продукты реакций:
(a) матричный материал, содержащий:
(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида;
(ii) по меньшей мере, один щелочной металл; и
(b) ион-активатор для матричного материала, содержащий, по меньшей мере, 80 мол.% празеодима.

10. Способ обнаружения высокоэнергетического излучения с помощью сцинтилляционного детектора, включающий в себя этапы;
(A) приема излучения сцинтилляционным кристаллом, для генерирования фотонов, которые являются характеристикой излучения; и
(B) обнаружения фотонов с помощью детектора фотонов, связанного со сцинтилляционным кристаллом;
в котором сцинтилляторный кристалл образован из состава, содержащего следующие компоненты, и любые их продукты реакций:
(a) матричный материал, содержащий:
(i) по меньшей мере, один галогенид лантаноида; и
(b) активатор для матричного материала, содержащий, по меньшей мере, 80 мол.% празеодима.