ТЕРМОЛЮМИНОФОР Российский патент 2018 года по МПК G01T1/11 

Изобретение относится к области дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения с применением термолюминесцентных датчиков – термолюминофоров, в том числе к низкотемпературной дозиметрии. Предлагаемый термолюминофор может быть использован для определения доз космической радиации, а также для определения дозозатрат элементов и устройств космического базирования, например, для определения дозозатрат солнечных батарей или других элементов космических устройств (например, станций или спутников), работающих в открытом космосе и подверженных действию космической радиации. Кроме того, изобретение может быть использовано при работе с высокотемпературными сверхпроводниками в наземных условиях.

Известен термолюминофор на основе фтористого кальция (В.И. Иванов. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1970. 320 с.) для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения, для которого кривые термостимулированной люминесценции (ТСЛ) имеют три рабочих максимума при 70-100, 150-190 и 250-300°С. Известный термолюминофор пригоден для регистрации экспозиционных доз рентгеновского и гамма-излучения от 1 мР до 5000 Р с погрешностью±2%. Однако известный термолюминофор набирает информацию о дозе облучения при комнатной температуре. Использование термолюминофора на основе фтористого кальция для определения дозовой нагрузки на объекты облучения при температуре открытого космоса, в частности, при 4-8 K неизвестно.

Известен термолюминофор на основе фторида кальция, активированного марганцем (Иванов В.И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1970. 320 с.) для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения. Известный термолюминофор (с максимумом спектра свечения при 500 нм) имеет максимум ТСЛ при 260°С (533 K). Однако известный термолюминофор CaF₂-Mn, используемый для персональной дозиметрии, набирает информацию о дозе облучения при комнатной температуре. О возможности применения известного термолюминофора CaF₂-Mn для определения дозовой нагрузки на объекты облучения, находящиеся в космическом пространстве при температуре от 4-8 K до 50 K, неизвестно.

Известен термолюминофор CaSO₄-Mn для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения, который имеет кривую ТСЛ с одним максимумом при 80-100°С (Иванов В.И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1970. 320 с). Диапазон измеряемых поглощенных доз рентгеновского и гамма-излучения до 100 Гр. Однако известный термолюминофор набирает информацию о дозовых нагрузках на объекты, облучаемые при комнатной температуре, что не дает оснований для целесообразности его использования при низких (<80 K) рабочих температурах облучения. О возможности применения известного термолюминофора CaSO₄-Mn для определения дозовой нагрузки на объекты, подвергаемые воздействию космической радиации при температуре от 4-8 K до 50 K, неизвестно.

Известен термолюминофор для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения на основе LiF-Na (Непомнящих А.И., Раджабов Е.А., Егранов А.В. Центры окраски и люминесценция кристаллов LiF. Наука, Новосибирск, 1984, 112 с.), который имеет пик ТСЛ при 107-115 K, обусловленный разрушением дырочных H_A(Na)-центров окраски. Однако рабочий термопик в кривых ТСЛ для известного термолюминофора расположен при недостаточно низкой температуре, а его интенсивность и соответственно чувствительность термолюминесцентного датчика невелики. О возможности применения известного термолюминофора LiF-Na для определения дозовой нагрузки на объекты облучения, функционирующие в космическом пространстве при температуре от 4-8 K до 50 K, неизвестно.

Известен термолюминофор на основе LiF-Mg, Ti (ДТГ-4) (Непомнящих А.И., Раджабов Е.А., Егранов А.В. Центры окраски и люминесценция кристаллов LiF. Наука, Новосибирск, 1984, 112 с.), пригодный для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения. Такой термолюминофор имеет пик ТСЛ при 140 K. Однако рабочий пик известного термолюминофора расположен при недостаточно низкой температуре, требуемой для решения задач низкотемпературной дозиметрии. О возможности применения известного термолюминофора LiF-Na для определения дозовой нагрузки на объекты облучения, функционирующие в космическом пространстве при температуре от 4-8 K до 50 K, неизвестно.

Известен термолюминофор на основе кристаллов NaF (A. Tomita, Т. Takeuasu, Y. Fukuda. Radiation Protection Dosimetry. Vol. 65, N 1-4, pp. 405-408 (1996)) для регистрации рентгеновского и гамма-излучения. Известный термолюминофор имеет пики ТСЛ при температурах 110, 130, 165, 185, 230, 315, 340, 400, 435 и 585 K. Однако самый низкотемпературный рабочий пик термолюминофора при температуре 110 K расположен при недостаточно низкой температуре, требуемой для решения задач низкотемпературной дозиметрии. О возможности применения известного термолюминофора NaF для определения дозовой нагрузки, действующей на объекты облучения, функционирующие в космическом пространстве при температуре от 4-8 K до 50 K, неизвестно.

Известны термолюминофоры и термоэкзоэмиссионные датчики на основе составов NaF:Li и NaF:Li, Cu (Zh K Mamitbekov, А N Tcherepanov, A I Slesarev, М М Kidibaev, Q Shi, K V Ivanovskikh, V Yu Ivanov, A A Egamberdieva and В V Shulgin. Thermally stimulated processes in Li and Cu doped alkali fluorides irradiated with electron beams of ultra-high dose. 5^th International Congress on Energy Fluxex and Radiation Effects 2016. IOP Publishing. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 830 (2017) 012143. Doi:10.1088/1742-6596/830/1/012143). Известные составы NaF:Li, NaF:Li, Cu обладают основными рабочими пиками ТСЛ при температурах от 100°С и выше. Пики ТСЛ при температурах, близких к температуре жидкого гелия, в вышеуказанной работе не измерялись и не описаны.

Известен термолюминофор на основе кристаллов NaF - Sc. (А.И. Слесарев, Ж.К. Мамытбеков, М.М. Кидибаев, А.Н. Черепанов, Ши Циуфен, А.О. Окенов и др. Влияние дозы электронного облучения на термоактивационные процессы в кристаллах NaF - Sc. Проблемы спектроскопии и спектрометрии: вузовско-академический сборник научных трудов. - Вып. 35. с. 19-23. - Екатеринбург: УрФУ, 2016. - 168 с.). Известный термолюминофор имеет пики ТСЛ при температурах 99, 143 и 181°С. Однако известный термолюминофор набирает информацию о дозовых нагрузках на объекты, облучаемые при комнатной температуре. Сведений о возможном применении этого термолюминофора для низкотемпературной дозиметрии, в указанной статье не имеется, какие-либо сведения о низкотемпературных пиках термостимулированной люминесценции этого состава в статье отсутствуют.

Известен термолюминофор на основе фторида лития LiF-Mg (ТЛД-100) (Cooke D.W., Rhodes J.F. J. Appl. Phys 1981, v. 52(6), p. 4244-4247) для регистрации рентгеновского и гамма-излучения, который имеет низкотемпературные пики термолюминесценции при 20, 40, 60 и 138 K. Однако интенсивность этих низкотемпературных пиков невысока, их использование неэффективно для низкотемпературной дозиметрии. Кроме того, известный термолюминофор обладает синим спектром свечения и не пригоден для разработки устройств, использующих в качестве фотосенсорных датчиков компактные PIN-фотодиоды, чувствительные в оранжево-красной и инфракрасной областях спектра.

Наиболее близким по составу к заявляемому термолюминофору является термолюминофор (по патенту РФ №2264634 С на изобретение «шихта для получения термолюминофора»; заявка №2004108644/28 от 23.03.2004, опубл. 20.11. 2005. Бюл. №32; авторы Б.В. Шульгин, Т.С. Королева, А.Н. Черепанов, М.М. Кидибаев), синтезируемый по методу Киропулоса из известной «шихты для получения термолюминофора», содержащей фторид натрия, хлорид скандия и дополнительно содержащей углекислый натрий при соотношении компонентов, мол. %: хлористый скандий 0,1-0,6; углекислый натрий 0, 003-0, 001; фторид натрия остальное. Известный термолюминофор имеет повышенную чувствительность в области низких температур, обладает пиками ТСЛ с максимумами при 50 и 80 K. Спектр свечения термолюминофора имеет два характерных максимума: один при 400-415 нм (обусловлен электронно-дырочными дефектами решетки) и при 600 нм (обусловлен примесью скандия).

Однако для известного, выбранного в качестве прототипа термолюминофора, содержащего фторид натрия и скандий в виде хлорида, а также дополнительно содержащего углекислый натрий, пики ТСЛ, измеренные в области 30-150 К, имеют максимумы при 50 и 80 K. Это сужает область применения термолюминофора. В частности, поскольку имеющиеся пики ТСЛ являются недостаточно низкотемпературными, известные термолюминофоры не могут быть использованы в условиях космического базирования (при температуре пиков ТСЛ 24 K).

Техническая проблема, решаемая в настоящем изобретении, связана с разработкой термолюминофора, для которого температура рабочего пика ТСЛ ниже 25 K. Такой термолюминофор обеспечивает функционирование и считывание дозиметрической информации при температурах, близких к температуре жидкого гелия, что уменьшает время считывания дозиметрической информации и энергозатраты на работу дозиметрического тракта.

Предлагаемый в соответствии с решаемой технической проблемой термолюминофор имеет состав (мол %): фторид скандия 0,08-0,75, фторид лития 0,001-0,05, фторид натрия - остальное. Температура рабочего пика ТСЛ предлагаемого термолюминофора не превышает 24 K, то есть для считывания дозиметрической информации требуется нагрев термолюминофора всего до 50-55 K.

Технический результат: низкая, близкая к гелиевой температура рабочего пика ТСЛ (24 K) термолюминофора, сокращение времени считывания дозиметрической информации, а также возможность создания на основе предлагаемого термолюминофора компактных ТСЛ-датчиков. Действительно, предлагаемый термолюминофор обладает достаточно интенсивной ТСЛ в области 5-60 K с рабочим пиком ТСЛ при 24 K. Максимумы свечения ТСЛ предлагаемого термолюминофора расположены в основном в оранжево-красной области спектра: при 600 и 660-670 нм (свечение, обусловленное примесью скандия, а также свечение, обусловленное F₂ - центрами окраски, связанных, судя по спектру, с примесной фракцией фторида лития). Спектр свечения предложенного термолюминофора с максимумом в оранжево-красной области, позволяет его использовать для создания компактных термолюминесцентных датчиков космического базирования с фотодиодной PIN-регистрацией (сенсорные PIN-структуры характеризуются повышенной чувствительностью в оранжево-красном и инфракрасном диапазонах спектра).

Примеры кривых ТСЛ для различных составов NaF:Li, Sc (Примеры 1 и 2), а также для состава NaF:U, Cu (Пример 3) приведены на фигуре.

Пример 1. Термолюминофор на основе фторида натрия имеет состав (мол. % по шихте): фторид скандия 0,75, фторид лития 0,05, фторид натрия остальное. Кристаллический образец термолюминофора (размером 5*5*1 мм) выкалывали из кристаллической були, выращенной по методу Киропулоса, и закрепляли вертикально в криопальце установки для измерения ТСЛ. Для охлаждения образца термолюминофора до температуры 8 K использовали оптический криостат с системой охлаждения, работающей по замкнутому циклу Гиффорда - Мак-Магона. Термолюминофор при температуре 8 K был облучен рентгеновским излучением, доза 1 кГр (флюенс 3*10¹² см^-2). Регистрация кривых ТСЛ выполнена в интегральном режиме в диапазоне длин волн от ультрафиолетовых (от 200 нм, - кварцевые входные окна криостата позволяли это делать) до красных, - до 650 нм с использованием ФЭУ-130 при линейном нагреве со скоростью 6 K/мин в диапазоне температур 8-370 K.

Кривые ТСЛ термолюминофора NaF-Li, Sc приведены на фигуре в виде сплошной линии. Основной пик ТСЛ термолюминофора расположен при температуре 184 K, однако, в области низких температур на кривых ТСЛ имеется достаточно интенсивный низкотемпературный рабочий пик при 24 K, детали которого для области температур 8-35 K показаны на вставке на Фиг. Для предложенного термолюминофора спектр свечения доминирует в оранжево-красной области при 600 и 660-670 нм, что позволяет применять предложенный темолюминофор для создания дозиметрических систем космического базирования с компактной фотодиодной PIN-регистрацией.

Пример 2. Термолюминофор на основе фторида NaF имеет состав (мол. % по шихте): фторид скандия 0,75, фторид лития 0,08, фторид натрия остальное. Кристаллический образец термолюминофора NaF-Li, Sc размером 5*5*1 мм, закрепляли вертикально в криопальце установки для измерения ТСЛ. Для охлаждения образца до температуры 8 K использовался оптический криостат с системой охлаждения, работающей по замкнутому циклу Гиффорда - Мак-Магона. Термолюминофор при температуре 8 K был облучен рентгеновским излучением, доза 5 кГр (флюенс 1,5*10¹³ см^-2). Регистрация кривых ТСЛ, как и в Примере 1, выполнена в интегральном режиме в диапазоне длин волн 200-650 нм с использованием ФЭУ-130 при линейном нагреве со скоростью 6 K/мин в диапазоне температур 8-370 K. Кривые ТСЛ термолюминофора NaF-Li, Sc (состав в мол. % по шихте: фторид скандия 0,75, фторид лития 0,08) для дозы 5 кГр идентичны приведенным ранее кривым ТСЛ термолюминофора (имеющего состав (мол. % по шихте): фторид скандия 0,75, при содержании фторида лития 0,05); полученным для дозы 1 кГр. Основной пик ТСЛ термолюминофора расположен при температуре 184 K, в области низких температур на кривых ТСЛ имеется достаточно интенсивный низкотемпературный рабочий пик при 24 K.

Диапазон измеряемых доз предлагаемого термолюминофора путем дополнительных измерений определен в области 0,1-10 кГр (флюенс 3*10¹¹-3*10¹³ см^-2) и выше.

Пример 3. Термолюминофор NaF-U, Cu имеет состав (мол % в шихте): примесь урана U - 0,1 примесь меди Cu - 0,3, фторид натрия - остальное. Термолюминофор NaF-U, Cu указанного состава (выращенный из шихты по методу Киропулоса) размером 5*5*1 мм был закреплен вертикально в криопальце установки для измерения ТСЛ, охлажден до 8 K, а затем облучен рентгеновским излучением, доза 1 кГр (флюенс 3*10¹² см^-2). Регистрация кривых ТСЛ выполнена (как и в Примерах 1 и 2) в интегральном режиме в диапазоне длин волн 200-650 нм с использованием ФЭУ-130 при линейном нагреве со скоростью 6 K/мин в диапазоне температур 8-370 K. Кривые ТСЛ термолюминофора NaF-U, Cu приведены на фигуре в виде пунктирной линии. Основной пик ТСЛ расположен при температуре 171 K, в области низких температур имеется пик ТСЛ при 60 K и очень слабый пик ТСЛ при 24 K, который в 2,5-3 раза уступает по интенсивности рабочему пику ТСЛ предлагаемого термолюминофора NaF-Li, Sc, т.е. приведенный в качестве примера (Пример 3) термолюминофор состава NaF-U, Cu не может служить адекватной заменой предлагаемому термолюминофору NaF-Li, Sc при решении задач низкотемпературной дозиметрии в области 8-35 K.

Дополнительным преимуществом предлагаемого термолюминофора на основе NaF-Li, Sc является возможность его использования для дозиметрии электронного и гамма-излучения, при регистрации которых в низкотемпературной области (8-30 K) также наблюдается рабочий пик ТСЛ при 24 K. Диапазон измеряемых доз указанной радиации для предлагаемого термолюминофора определен в области 0,1-10 кГр и выше.

Изобретение относится к области низкотемпературной дозиметрии рентгеновского, а также смешанного электронного и гамма-излучения с использованием термолюминесцентных датчиков – термолюминофоров. Предложен термолюминофор на основе фторида натрия, который дополнительно содержит фторид лития и фторид скандия и имеет состав (мол.% по шихте): фторид скандия 0,08-0,75, фторид лития 0,001-0,05, фторид натрия остальное. Технический результат: предлагаемый термолюминофор обладает достаточно интенсивным рабочим пиком ТСЛ при 24 K как при воздействии рентгеновского, так и смешанного электронного и гамма-излучения, что требует энергетически менее затратного нагрева термолюминофора, всего до 50-55 K, и сокращает время считывания дозиметрической информации. Предложенный термолюминофор обладает спектром свечения, доминирующим в оранжево-красной области, что позволяет применять его для создания дозиметрических систем космического базирования с компактной фотодиодной PIN-регистрацией. 1 ил., 3 пр.

Термолюминофор, содержащий фторид натрия и фторид скандия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фторид лития при следующем соотношении компонентов (мол. %):

фторид скандия 0,08-0,75 фторид лития 0,001-0,05 фторид натрия остальное