Кристаллы на основе бромида таллия для детекторов ионизирующего излучения Российский патент 2017 года по МПК C30B29/12 C30B11/04 H01L31/32 H01S3/16 G01T1/202 G01T1/24 

Изобретение относится к области получения материалов детекторов для регистрации ионизирующего χ- и γ-излучения, а именно кристаллов на основе бромида таллия, а также может быть использовано как оптический материал для инфракрасной оптики, лазерной техники, акустооптики.

Бромид таллия (TIBr) имеет высокие атомные номера составляющих компонентов (Tl-81, Br-35), большую плотность - 7,56 г/см² и, соответственно, высокую поглощающую способность x- и γ-излучений. Широкая запрещенная зона (2,68 эВ) потенциально позволяет детекторам на его основе работать при комнатных температурах с низкими токами утечки. Невысокая температура плавления 460°С и отсутствие фазовых переходов при охлаждении от температуры кристаллизации до комнатной дают возможность выращивать из расплава монокристаллы диаметром до 100 мм на сравнительно простом оборудовании. Негигроскопичность TlBr допускает его использование без дополнительных защитных покрытий.

Однако при использовании детекторов ионизирующего излучения на основе TlBr детекторные свойства материала сохраняются не более одного-двух часов.

Технической задачей изобретения является повышение детекторных характеристик материала и сохранение стабильности работы детекторов на их основе в течение всего периода эксплуатации.

Известны кристаллы TlBr, полученные из солей, прошедших многократную очистку методом зоной плавки, и выращенные методом плавающей зоны при атмосферном давлении. Такой материал имеет следующие детекторные характеристики: подвижность носителей заряда μτ_е и μτ_h не более 2,6⋅10^-4 см²/В и 3,7⋅10^-5 см²/В для электронов и дырок, соответственно и удельное сопротивление 3⋅10¹⁰ Ом⋅см, что недостаточно для длительного детектирования с высоким разрешением, поскольку применение для выращивания кристаллов метода плавающей зоны ведет к значительным термическим напряжениям при выращивании, структурной неоднородности получаемых кристаллов и к ухудшению свойств материала в процессе эксплуатации (Hitomi K., Muroi О., Matsumoto М., Hirabuki R., Shoji Т., Suehiro Т., Hiratate Y. Recent progress in thallium bromide detectors for x- and γ-ray spectroscopy // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2001. №458. P. 365-369.

Известны кристаллы бромида таллия, легированные бромидом кальция, полученные путем загрузки бромида таллия в контейнер, добавления в бромид таллия легирующей примеси бромида кальция, откачки и запаивания ампулы, плавления материала, выдержки расплава при 500°С в течение 100 часов, роста кристаллов перемещением расплава в температурном градиенте. Полученные кристаллы бромида таллия, легированные бромидом кальция, из-за неоднородности по составу и образующейся при этом нестабильности оптических и электрофизических свойств материала ухудшают детекторные характеристики и их воспроизводимость (патент РФ №2506352, МПК С30В 29/12, опубл. 10.02.2014). Способ принят за прототип.

Техническим результатом изобретения является повышение детекторных характеристик материала и обеспечение стабильности свойств в процессе эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что кристалл на основе бромида таллия для детекторов ионизирующего χ- и γ-излучения, согласно изобретению дополнительно содержит бромид магния при следующем соотношении компонентов (мас.%):

бромид таллия 99,9972-99,99992 бромид магния 0,0028-0,00008

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа, где кристаллы бромида таллия легированы соединением двухвалентного кальция, бромид таллия содержит дополнительно бромид магния в количестве 0,0028-0,00008 мас.%.

Наличие в кристаллах ионов магния на уровне примеси стабилизирует детекторные свойства кристалла и увеличивает время работы детектора на весь период эксплуатации, так как стабилизирует рост структурно однородных кристаллов с градиентом концентрации легирующей примеси не более 0,6⋅10^-6 масс/см по длине кристалла.

При концентрации примеси бромида магния более 0,0028 мас.% не обеспечивается стабилизация детекторных характеристик во времени. При концентрации легирующей примеси менее 0,00008 мас.% происходит ликвация примеси по длине кристалла при выращивании, в результате нарушается структурная целостность и осевая стабильность электрофизических характеристик, что не позволяет использовать бромид таллия в качестве детекторного материала.

Примеры получения материала

В ампулу термостойкого боросиликатного стекла, имеющую диаметр 20 мм, с коническим носиком, оливкой для вакуумирования и перетяжкой для запаивания загружают 200 г TlBr. Добавляют легирующую примесь - бромид магния - в количестве 0,0018 г. Ампулу вакуумируют до остаточного давления воздуха 10^-3 мм рт.ст. и запаивают на газовой горелке.

Запаянную ампулу с материалом помещают в вертикальную двухзонную печь сопротивления. Бромид таллия нагревают до температуры 480°С и расплавляют. Включают привод опускания ампулы и проводят кристаллизацию расплава перемещением ампулы в нижнюю низкотемпературную (350°С) зону печи со скоростью 2 мм/ч. После полной кристаллизации расплава кристалл охлаждают до комнатной температуры со скоростью 30 град/ч.

По данным измерения методом Ван дер Пау при напряжении 20 В на вырезанных из кристаллов образцах размером 4×4×2 мм с нанесенными индиевыми омическими контактами легирование материала бромидом магния увеличивает удельное сопротивление до 1⋅10¹² Ом⋅см. Удельное сопротивление рассчитано для температуры 18°С с учетом энергии активации темновой проводимости Е_а=0,9 эВ. Рассчитанные методом Гехта значения подвижностей носителей заряда достигают μτ_е=7,8⋅10^-4 см²/В и μτ_h=2,5⋅10^-4 см²/В для концентрации MgBr₂ 0,00085 мас.%. Было проведено 10 измерений в течение 24 месяцев, данные по составу и значения детекторных характеристик с учетом их изменения во времени приведены в таблице 1.

Изобретение относится к материалам детекторов для регистрации ионизирующего излучения, а также может быть использовано как оптический материал для ИК-оптики, лазерной техники, акустооптики. Кристаллы на основе бромида таллия дополнительно содержат 0,0028-0,00008 мас.% примеси бромида магния. Техническим результатом изобретения является повышение детекторных характеристик материала: μτ_е до 7,8⋅10^-4 см²/В, μτ_h до 2,5⋅10^-4 см²/В, удельного сопротивления до 1⋅10¹² Ом⋅см, и обеспечение стабильности свойств в процессе эксплуатации. 1 табл.

Кристалл на основе бромида таллия для детекторов ионизирующего χ- и γ-излучения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бромид магния при следующем соотношении компонентов (мас.%):

бромид таллия 99,9972-99,99992 бромид магния 0,0028-0,00008