ПРОЗРАЧНЫЙ ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНЫЙ ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ LiBO ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКИ ИЛИ ОПТИЧЕСКИ СТИМУЛИРОВАННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ДОЗИМЕТРИИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01T1/11 C09K11/59 C09K11/58 C09K11/63 C09K11/55 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области дозиметрии излучений, в частности к детекторам ионизирующего излучения на основе Li₂B₄O₇, для использования в термически или оптически стимулированной люминесцентной дозиметрии.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Твердотельная люминесцентная дозиметрия хорошо известна в области измерений дозы ионизирующего излучения. Существует два основных класса детекторов: термолюминесцентные детекторы (ТЛД) и детекторы с оптически стимулированным считыванием (ОСЛ Оптически Стимулированная Люминесценция). Оба способа используются для измерения интегрированной дозы в течение некоторого известного периода времени. Информация о дозе хранится в виде захваченных электронов и дырок, которые можно перенести в центры люминесценции путем стимуляции, либо термической стимуляцией (нагревание), либо оптической стимуляцией (облучение светом с известной длиной волны).

Термолюминесцентная дозиметрия является известным и широко используемым средством измерения дозы излучения. Основными требованиями для ТЛД являются:

эквивалентность человеческой ткани (детекторы должны иметь такую же зависимость дозы излучения от энергии излучения, что и человеческая ткань), постоянство хранения информации (без затухания),

достаточная чувствительность (высокая эффективность превращения энергии излучения).

Такие же требования также применимы для детекторов ОСЛ. Тем не менее имеются исключения. Эффекты затухания не существенны для некоторых ТЛД, если имеется несколько максимумов термолюминесценции при различных температурах, и те, которые включены в затухающие низкотемпературные максимумы, не используются для измерений. Чтобы устранить низкотемпературные максимумы, используют предварительный обжиг перед считыванием такого ТЛД детектора. Однако предварительный обжиг не подходит для оптического считывания, потому что это делает детекторное считывающее устройство более сложным и менее портативным. Следовательно, отсутствие эффектов затухания для детекторов ОСЛ более важно по сравнению с ТЛД детекторами.

Часто одни и те же материалы пригодны и для термолюминесцентного, и для оптически стимулированного считывания информации о дозе. Принцип ОСЛ считывания открывает возможность для очень компактных портативных решений благодаря отсутствию нагревателя в считывающих устройствах. Также имеется возможность считывания информации о дозе без разрушения в случае ОСЛ считывания.

В настоящее время компанией Landauer® осуществляется хорошо известная промышленная реализация ОСЛ дозиметрии. Компания предлагает промышленные дозиметрические системы Inlight® LUXEL®. Все эти системы основаны на корундовых ОСЛ детекторах. Хотя корунд прозрачный и обладает высокой чувствительностью, он не является эквивалентом человеческой ткани. Корунд имеет более высокое эффективное атомное число, чем человеческая ткань. Это не проблема в случае известного источника излучения с фиксированной энергией рентгеновского кванта или известным распределением энергии частиц - детекторы можно калибровать для каждого случая. Однако сильная энергетическая зависимость в диапазоне десятков keV может вызвать большую неопределенность (до 300%) в случае неизвестной энергии излучения или в сложных полях излучения. Этот недостаток отсутствует в тканеэквивалентных ТЛД детекторах, например, Li₂B₄O₇:Mn, Si. Однако классический Li₂B₄O₇:Mn, Si ТЛД имеет низкотемпературный максимум термолюминесценции, который нельзя использовать при измерениях доз из-за значительного затухания.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В этом описании раскрывается Li₂B₄O₇:Mn, Si ТЛД детектор, который также пригоден для ОСЛ считывания благодаря подавленному низкотемпературному максимуму и который прозрачный и для стимулирующего света, и для выходной люминесценции.

Целью изобретения является создание прозрачного тканеэквивалентного детектора излучений на основе Li₂B₄O₇ для термически или оптически стимулированной люминесцентной дозиметрии, содержащего основной материал Li₂B₄O₇, примесь Мn, и связующее вещество двуокись кремния SiO₂, при этом детектор дополнительно содержит побочную примесь, которая выбирается из группы, состоящей из двухвалентного катиона либо щелочноземельного, либо переходного металла с устойчивым состоянием 2+ заряда, и при этом побочная примесь не снижает прозрачность детектора в диапазоне длин волн 320-750 нм.

Дополнительной целью настоящего изобретения является создание способа изготовления вышеупомянутого детектора, содержащего следующие этапы: а) смешивание компонентов исходного реагента детектора, включающих деионизированную воду, борную кислоту Н₃ВО₃, примесь Mn и связующее вещество двуокись кремния SiO₂; b) повышение температуры упомянутой смеси до 75-85°С и добавление к упомянутой смеси карбоната лития Li₂CO₃, чтобы получить основной материал Li₂B₄O₇; с) старение, сушку и предварительный обжиг упомянутого исходного реагента; d) размельчение, шлифование и просеивание упомянутого исходного реагента; е) формование исходного реагента под давлением для образования детекторов; f) спекание сформованных корпусов детектора, при этом побочная примесь, которая выбирается из группы, состоящей из двухвалентного катиона либо щелочноземельного, либо переходного металла с устойчивым состоянием 2+ заряда, и которая не снижает прозрачность детектора в диапазоне длин волн 320-750 нм, добавляется к исходному реагенту на этапе (b) вместе с карбонатом лития Li₂CO₃.

Полученный(ые) детектор(ы) имеют основной дозиметрический термолюминесцентный (ТЛ) максимум при более высокой температуре по сравнению со «стандартным» Li₂B₄O₇:Mn, Si, где отсутствует дополнительная побочная примесь. Интенсивность основного ТЛ максимума становится выше интенсивности низкотемпературной части ТЛ кривой. Это означает, что сохраненная информация становится более стабильной на фоне эффектов затухания. Детекторы с низкой фракцией нестабильных ТЛ максимумов более подходят для ОСЛ считывания из-за низкой неопределенности результатов считывания.

Количество побочной примеси должно быть, по меньшей мере, равным молярным фракциям Mn или превышать их. В то же время побочная примесь не должна разбивать кристаллическую структуру Li₂B₄O₇ и не должна увеличивать эффективный атомный номер материала, чтобы сохранить тканеэквивалентность. При этом верхние пределы становятся различными для различных побочных примесей в зависимости от ионных радиусов, атомных масс и их способности изменять координаты кислородных связей в Li₂B₄O₇.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 Эффект затухания в «стандартных» Li₂B₄O₇:Mn, Si детекторах.

Фиг.2 Повышение стабильности отношения нестабильных максимумов в Li₂B₄O₇:Mn, Si, Be детекторах по сравнению со «стандартными» Li₂B₄O₇:Mn, Si детекторами.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Далее настоящее изобретение будет подробно изложено.

Изобретение содержит прозрачный тканеэквивалентный детектор излучений на основе Li₂B₄O₇ для термически или оптически стимулированной люминесцентной дозиметрии, который содержит основной материал Li₂B₄O₇, примесь Mn, и связующее вещество двуокись кремния SiO₂, и побочную примесь, которая выбирается из группы, состоящей из двухвалентного катиона либо щелочноземельного, либо переходного металла с устойчивым состоянием 2+ заряда, и при этом побочная примесь не снижает прозрачность детектора в диапазоне длин волн 320-750 нм.

Предпочтительный вариант изготовления прозрачного тканеэквивалентного детектора излучений на основе Li₂B₄O₇ содержит следующие этапы:

a) керамические компоненты исходного реагента детектора, включающие деионизированную воду, борную кислоту Н₃ВО₃, SiO₂, примесь Mn в виде либо карбоната, либо другого соединения, подходящего для реакции с борной кислотой, с количеством Mn, взятым в диапазоне 0.15-0.3 молярного процента от Li₂B₄O₇, и количество деионизированной воды взято в диапазоне 2000-2500 молярного процента от Li₂B₄O₇, смешиваются в стеклянном сосуде;

b) упомянутая смесь нагревается до температуры 75-85°С с одновременным и непрерывным помешиванием;

c) карбонат лития Li₂CO₃ добавляется к исходному реагенту вместе с побочной примесью Be окисью, в то время как количество берется в соответствии с реакцией 4Н₃ВО₃+Li₂CO₃+Li₂B₄O₇+6H₂O+CO₂, и количество Be равно количеству Mn в мольных долях (0.15-0.30 молярных процентов Li); это количество побочной примеси Be достаточно низкое, чтобы сохранить тканеэквивалентность материала детектора и сохранить структуру решетки и прозрачность Li₂B₄O₇; и Be соединение, и Li₂CO₃ добавляются при непрерывном и интенсивном помешивании в течение 10-15 минут;

d) далее упомянутые компоненты непрерывно нагреваются и помешиваются, удерживая температуру в диапазоне 75-85°С, пока не завершится реакция между борной кислотой H₃BO₃ и Li₂CO₃, и смесь станет пастообразной и трудно размешиваемой;

e) исходный реагент керамического детектора подвергается старению в течение 40-50 минут при температуре около 80°С и предшественник непрерывно шлифуется, чтобы предотвратить его приклеивание к реактору;

f) затем исходный реагент керамического детектора переносится на гладкую поверхность и сушится при 105°С в течение 12 часов;

g) исходный реагент керамического детектора подвергается предварительному обжигу при 575°С в течение 2 часов в изолированной от атмосферного воздуха трубке при протекании защитного инертного газа;

h) затем исходный реагент керамического детектора размельчается и шлифуется для получения порошка пригодного для прессования керамического детектора;

i) исходный реагент керамического детектора просеивается через мелкоячеистое сито (около 0,1 мм);

j) корпуса детектора формуются посредством фрикционного чеканного пресса из упомянутого керамического детектора-предшественника под давлением 1000-2000 МПа с учетом уменьшения размера во время последующего спекания: например, диаметр детекторов уменьшается от 5,7 мм до 4,5 мм, если они спекаются при 900°С;

k) затем сформованные керамические детекторы помещаются на гладкую неклейкую инертную пластину таким образом, чтобы детекторы не контактировали друг с другом;

l) керамические детекторы спекаются в печи или в изолированной от атмосферного воздуха трубке при протекании защитного инертного газа при температуре в диапазоне 870-915°С в течение 40-50 минут.

Полученные керамические детекторы являются очень твердыми полупрозрачными керамическими корпусами, обычно сформованными в виде таблеток толщиной 0,8 мм и диаметром 4,5 мм. Они прозрачны и для стимулирующего ультрафиолетового света, и для присущей люминесценции. Стимулирующее ультрафиолетовое излучение с длиной волны 360 нм хорошо проникает через корпуса детектора, так что подвергаемые ядерному или рентгеновскому излучению детекторы вырабатывают ОСЛ, подходящую для считывания дозы. Также детекторы могут быть опустошены (погашены) ультрафиолетовым светом перед следующим циклом измерения. Чтобы улучшить поверхность и уменьшить рассеяние света, детекторы можно отполировать подобно стандартным оптическим деталям, но это уже оптическая процедура.

На Фиг.1 показаны сохраненные потери энергии из низкотемпературной части ТЛ кривой для «стандартного» Li₂B₄O₇:Mn, Si ТЛД. Низкотемпературный максимум сравним с основным дозиметрическим ТЛ максимумом через 100 секунд после завершения возбуждения и полностью исчезает через несколько часов.

На Фиг.2 сравниваются нормализованные низкотемпературным максимумом TL кривые для «стандартного» Li₂B₄O₇:Mn, Si детектора и Li₂B₄O₇:Mn, Si, Be детектора, где количество Be равно количеству Mn (0.25 мол.%). Отношение стабильного дозиметрического максимума к нестабильному низкотемпературному максимуму увеличивается, по меньшей мере, на коэффициент 2,5. В то же время позиция основного дозиметрического максимума смещается в направлении к более высоким температурам от 490 K до 570 K.

Идея настоящего изобретения основывается на создании дополнительных ловушек, в которых можно хранить электроны при более высоких температурах без эффектов затухания. Концентрация созданных ловушек выше, чем концентрация низкотемпературных ловушек в стандартном Li₂B₄O₇:Mn, Si ТЛД. Это является причиной значительного повышения части надежно сохраненной энергии относительно нестабильной части, подвергающейся эффектам затухания.

Детектор с увеличенной частью высокотемпературного дозиметрического ТЛ максимума относительно низкотемпературного нестабильного максимума обеспечивает низкую неопределенность при ОСЛ считывании без предварительного обжига. Этот факт дает возможность использовать такой детектор в портативных компактных ОСЛ дозиметрических системах. Относительно низкое количество примеси и побочной примеси сохраняют тканеэквивалентность Li₂B₄O₇:Mn. Этот тип детекторов излучения очень полезен для мониторинга дозы излучения при медицинском радиологическом лечении и рентгеновских исследованиях.

Портативные и небольшие считывающие устройства применимы для измерения доз, полученных и медицинским персоналом, и пациентами.

Примеры демонстрируют свойства детектора излучения Li₂B₄O₇:Mn, Be, в котором побочной примесью является Be, добавленный в количестве, равном основной примеси Mn (в молярных долях). Тканеэквивалентность сохраняется благодаря и низкому количеству побочной примеси низкому атомному номеру Be. Основной дозиметрический максимум на ТЛ кривой происходит при более высоких температурах, чем для «стандартных» детекторов, но он хорошо считывается с помощью общепринятых ТЛД методов. Побочные примеси, выбранные из других щелочноземельных металлов, являются причиной возникновения основного максимума при еще более высоких температурах, поэтому ОСЛ считывание было бы более предпочтительно для таких детекторов излучения.

Описанные варианты иллюстрируют принципы изобретения и не являются исчерпывающими или ограничивающими изобретение изложенной формой; предполагается, что сущность изобретения определяется приложенными пунктами формулы и их эквивалентами.

Изобретение относится к химической промышленности и дозиметрии излучений. Для получения прозрачного тканеэквивалентного детектора излучений на основе Li₂B₄O₇ осуществляют следующие этапы: a) смешивают компоненты исходного реагента детектора, включающие деионизированную воду, борную кислоту H₃BO₃, примесь Mn и связующий материал двуокись кремния SiO₂; b) повышают температуру смеси до 75-85°C, добавляют карбонат лития Li₂CO₃ и побочную примесь Be²⁺, которая не уменьшает прозрачность детектора в диапазоне длин волн 320-750 нм; c) осуществляют старение, сушку и предварительный обжиг полученного исходного реагента; d) измельчают, шлифуют и просеивают исходный реагент; e) формуют под давлением; f) спекают сформованные корпуса детектора. Полученный детектор имеет подавленный низкотемпературный максимум и прозрачен как для стимулирующего света, так и для выходной люминесценции. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Прозрачный тканеэквивалентный детектор излучения на основе Li₂B₄O₇ для термически или оптически стимулированной люминесцентной дозиметрии, содержащий основной материал Li₂B₄O₇, примесь Mn и связующий материал двуокись кремния SiO₂, отличающийся тем, что детектор дополнительно содержит побочную примесь Be²⁺, которая не уменьшает прозрачность детектора в диапазоне длин волн 320-750 нм.

2. Способ изготовления детекторов по п.1, содержащий этапы, на которых:
a) смешивают компоненты исходного реагента детектора, включающие деионизированную воду, борную кислоту H₃BO₃, примесь Mn и связующий материал двуокись кремния SiO₂;
b) увеличивают температуру упомянутой смеси до 75-85°C и добавляют к упомянутой смеси карбонат лития Li₂CO₃, чтобы получить основной материал Li₂B₄O₇;
c) осуществляют старение, сушку и предварительный обжиг упомянутого исходного реагента;
d) осуществляют измельчение, шлифование и просеивание упомянутого исходного реагента;
e) формуют исходный реагент под давлением для создания детекторов;
f) осуществляют спекание сформованных корпусов детектора;
отличающийся тем, что побочную примесь Be²⁺, которая не уменьшает прозрачность детектора в диапазоне длин волн 320-750 нм, добавляют к предшественнику на этапе (b) вместе с карбонатом лития Li₂CO₃.