СЦИНТИЛЛЯЦИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2022 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к устройствам регистрации ионизирующих излучений, а именно нейтронов методом сцинтилляционной нейтронной визуализации, радиографии и томографии, с использованием композиций, состоящих из неорганических сцинтилляционных материалов и материалов, являющимися поглотителями нейтронов.

Уровень техники

Известен способ нейтронной визуализации с помощью гадолиний-содержащих сцинтилляторов, в которых поглотитель нейтронов изначально входит в состав сцинтилляционного материала, например, сцинтилляционной керамики Gd₂O₂S (GOS, Gadox), активированной ионами Tb³⁺, или Tb³⁺ и Се³⁺, или Tb³⁺ и Eu³⁺, со-активированной ионами F^-, или частицами LiF, ⁶LiF и т.д. (Е.I. Gorokhova, V.A. Demidenko, S.В. Mikhrin, P.A. Rodnyi, and С.W. Е. van Eijk. Luminescence and Scintillation Properties of Gd₂O₂S:Tb, Ce Ceramics. IEEE transactions on nuclear science, vol. 52, no. 6, December 2005), (Tobias Neuwirth, Bernhard Walfort, Simon Sebold and Michael Schulz. Light Yield Response of Neutron Scintillation Screens to Sudden Flux Changes. J. Imaging 2020, 6(12), 134; https://doi.org/10.3390/jimaging6120134).

Толщина экранов GOS варьируется в диапазоне 10-50 мкм. Экспериментально наблюдаемое пространственное разрешение при толщине Gd₂O₂S:Tb экрана 10 мкм, составляет 36 мкм (Xingfen Jiang, Qinglei Xiu, Jianrong Zhou et al. Study on the neutron imaging detector with high spatial resolution at China spallation neutron source. Nuclear Engineering and Technology 53 (2021) 1942-1946). При этом авторы отмечают, что низкий выход сцинтилляций (световыход) экрана Gd₂O₂S:Tb 217±2 фотона на нейтрон, как минимум в 100 раз хуже такового у ⁶LiF/ZnS, требует огромного увеличения потока нейтронов для снижения экспозиции до практически приемлемого уровня.

Сечение поглощения тепловых нейтронов гадолинием составляет 49000 Барн для естественной (природной) смеси изотопов и 254000 Барн для изотопа ¹⁵⁷Gd присутствующего в естественной смеси в количестве 15,6%. Для уникального экрана, сделанного из обогащенного гадолиния ¹⁵⁷Gd₂O₂S:Tb, при толщине экрана 3,5 мкм пространственное разрешение составило 5,4 мкм (Pavel Trtik, Eberhard Н. Lehmann. Progress in High-resolution Neutron Imaging at the Paul Scherrer Institut The Neutron Microscope Project. Journal of Physics: Conference Series 746 (2016)012004).

Общим недостатком всех гадолиний-содержащих сцинтилляционных экранов является тот факт, что поглощение теплового нейтрона в гадолинии сопровождается испусканием низкоэнергетического рентгеновского излучения и электронов внутренней конверсии, имеющих энергию десятков кэВ. Испускаемые γ-кванты имеют спектр энергий вплоть до ~8 МэВ, но при энергии выше 100 кэВ имеют ничтожную эффективность поглощения в тонком экране, что приводит к снижению его счетной эффективности (вероятности регистрации нейтрона). Согласно (A. Fedorov, V. Gurinovich, V. Guzov et al. Sensitivity of GAGG based scintillation neutron detector with SiPM readout. Nuclear Engineering and Technology. V.52, N10 (2020) 2306-2312), снижение верхнего порога регистрации электронов и γ-квантов в гадолиний-содержащем нейтронном детекторе GAGG (Gd₃Al₂Ga₃O₁₂) с 8 МэВ до 105 кэВ снижает счетную эффективность детектора нейтронов с 92% до примерно 44%.

Согласно (Anderson, I.S.; McGreevy, R.L.; Hassina, Z.B. Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), регистрация нейтронов в экранах GOS осуществляется преимущественно за счет поглощения конверсионных электронов.

Для тонких экранов GOS толщиной 10 мкм и менее, можно рассчитывать лишь на эффективную регистрацию конверсионного электрона ¹⁵⁸Gd* с энергией 29 кэВ, имеющему выход на один нейтрон 0,0982 согласно (Р. Kandlakunta, L.R. Cao, P. Mulligan. Measurement of internal conversion electrons from Gd neutron capture. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 705(2013)36-41), таким образом счетная эффективность такого детектора нейтронов не может превышать 10%. Для более толстых, до 50 мкм, экранов GOS, способных зарегистрировать конверсионные электроны ¹⁵⁸Gd* с энергией до примерно 78 кэВ, счетная эффективность возрастет с одновременным ухудшением энергетического разрешения, но не превысит при этом 35-40% согласно тем же авторам.

Низкий выход сцинтилляций на один поглощенный нейтрон и низкая счетная эффективность - существенные недостатки экранов GOS, которые в итоге приводят к значительному увеличению экспозиции и снижению производительности измерений, основанных на использовании GOS.

Кроме того, согласно (Е.I. Gorokhova, V.A. Demidenko, S.В. Mikhrin, Р.А. Rodnyi, and С.W. Е. van Eijk. Luminescence and Scintillation Properties of Gd₂O₂S:Tb,Ce Ceramics. IEEE transactions on nuclear science, vol. 52, no. 6, December 2005) активированные тербием керамики GOS имеют большую постоянную времени высвечивания, 0,6-2,0 мс, что также может ограничивать их область применения и производительность измерений, особенно при относительно высоких потоках нейтронов. При этом ограничение производительности измерений происходит за счет уменьшения загрузочной способности детектора, обусловленного длительностью кинетики сцинтилляционного импульса, поскольку скорость регистрации R пропорциональна

,

где

n - средняя скорость поступления событий,

t₁ - длительность сцинтилляционного импульса,

t₂ - длительность его переднего фронта

(Э. Кэбин, Ядерная электроника для пользователей, http://nuclphys.sinp.msu.ru/electronics/deadtime.htm).

В сцинтилляторах на основе неорганических кислородных соединений, активированных ионами редкоземельных элементов, длительность сцинтилляционного импульса составляет утроенное значение константы кинетики затухания сцинтилляций, а переднего фронта не превышает ее однократного значения.

Известен способ нейтронной визуализации с помощью экранов, содержащих сцинтиллятор на основе цинка Zn: ZnS-Ag, ZnS-Cu, Al и т.д., поглотитель нейтронов на основе фторида лития ⁶LiF и связующее вещество (Anderson, I.S.; McGreevy, R.L.; Hassina, Z.B. Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), (E.H.Lehmann, G.Frei, G.Kühne, P.Boillat. The micro-setup for neutron imaging: A major step forward to improve the spatial resolution. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 576, 389 (2007) 389-396).

Достоинством сцинтилляционного материала ZnS-Ag/⁶LiF (V.B. Mikhailik et al., Investigation of luminescence and scintillation properties of ZnS-Ag/6LiF scintillator in the 7-295 K temperature range, J. Luminescence 134 (2013) 63-66) является более быстрая кинетика, сцинтилляций, основная компонента кинетики затухания составляет 4.5 мкс, что в пятьсот раз короче, чем у сцинтилляционного материала GOS, активированного ионами тербия.

Достоинством сцинтилляционных экранов на основе лития ZnS-Ag/⁶LiF является то, что поглощение теплового нейтрона в ⁶Li сопровождается испусканием высокоэнергетических частиц, ядра гелия (α-частицы) и ядра трития (тритона), имеющих энергию 2,055 МэВ и 2,727 МэВ соответственно. Такие энергии частиц обеспечивают высокую яркость сцинтилляционных вспышек в ZnS, до 160000 фотон на нейтрон, и в тоже время означают относительно короткие пробеги частиц в сцинтилляционном слое - единицы микрон для α-частиц и десятки микрон для тритонов.

Согласно (Anderson, I.S.; McGreevy, R.L.; Hassina, Z.B. Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), толщины применяемых в нейтронной визуализации экранов ZnS-Ag/⁶LiF варьируются в пределах 250-100 мкм, реже доходят до 50 мкм, что объясняется гораздо меньшим, чем у Gd, сечением поглощения теплового нейтрона в ⁶Li, 940 Барн, и значительной потерей эффективности экрана с уменьшением толщины.

В работе (E.H. Lehmann, G. Frei, G. Kuhne, P.Boillat. The micro-setup for neutron imaging: A major step forward to improve the spatial resolution. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 576, 389 (2007)) на источнике нейтронов от расщепления (neutron spallation source) SINQ, Швейцария, при толщине экрана ZnS-Ag/⁶LiF 50 мкм с охлаждаемой CCD камерой было получено близкое к теоретическому пределу пространственное разрешение около 50 мкм, или 20 пар линий/мм при 10%-ном контрасте передаточной функции модуляции (modulation transfer function, MTF). Ожидаемым результатом уменьшения толщины экрана стало уменьшение счетной эффективности и производительности измерений.

Обычно весовые пропорции входящих в состав экрана ZnS-Ag/⁶LiF компонентов распределены следующим образом: ZnS-Ag/⁶LiF:связующее = 1:2-4:0,15-0,6 (Tobias Neuwirth, Bernhard Walfort, Simon Sebold and Michael Schulz. Light Yield Response of Neutron Scintillation Screens to Sudden Flux Changes. J. Imaging 2020, 6(12), 134; https://doi.org/10.3390/jimaging6120134), (Y. Yehuda-Zada, K. Pritchard, J.B. Ziegler et al. Optimization of ⁶LiF:ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018) 59-69), (Gnezdilov, G.L. Dedenko, R.F. Ibragimov et al. Optimization of the neutron detector design based on the ⁶LiF/ZnS(Ag) scintillation screens for the GAMMA-400 space observatory. Conference of Fundamental Research and Particle Physics, 18-20 February 2015, Moscow, Russian Federation. Physics Procedia 74 (2015) 199 - 205). Вариации активаторов ZnS в большей степени влияют на кинетику сцинтилляций и их спектр, в меньшей - на выход сцинтилляций, который различными производителями и пользователями обычно определяется в пределах 100000-160000 фотон на нейтрон. Влияние пропорций компонент на характеристики экрана ZnS-Ag/⁶LiF, выявленное авторами (Y. Yehuda-Zada, К. Pritchard, J.B. Ziegler et al. Optimization of ⁶LiF:ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018) 59-69) в ходе GEANT4 (S.Agostinelli et al. Geant4 - a simulation toolkit. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A. 506 (2003)250-303) моделирования приведено в таблице 1:

Увеличение концентрации зерен ZnS ухудшает передачу света сцинтилляций к фотоприемнику, т.к. зерна ZnS практически непрозрачны к свету собственных сцинтилляций. ZnS на длине волны сцинтилляций имеет исключительно высокий коэффициент преломления n=2,36, что значительно превосходит коэффициент преломления любого вещества, которое могло бы быть использовано в качестве связующего. По этой причине распространяющийся в экране свет сцинтилляций будет неизбежно заходить в зерна ZnS и поглощаться там. В идеальном случае коэффициент преломления связующего должен быть выше такового у ZnS для исключения влияния его непрозрачности.

Увеличение концентрации зерен ⁶LiF уменьшает выход сцинтилляций, т.к. в первую очередь вносит дополнительные потери кинетической энергии α-частиц и тритонов в зернах ⁶LiF по пути к зернам сцинтиллятора (самопоглощение) и, к тому же, ухудшает передачу света сцинтилляций к фотоприемнику, т.к. зерна ⁶LiF хоть и прозрачны к свету сцинтилляций ZnS, но будут являться центрами рассеяния света этих сцинтилляций в случае, когда коэффициент преломления связующего выше такового для ⁶LiF, n=1,39 согласно (Refractive index database. https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=LiF&page=Li). Любое рассеяние приводит к увеличению оптического пути света в экране и, в итоге, к неизбежному поглощению в зернах ZnS.

Уменьшить рассеяние можно путем увеличения размера зерен ⁶LiF до размеров 2-3 микрона, или нескольких длин волн сцинтилляций ZnS. Но это неизбежно увеличивает потери энергии α-частиц и тритонов за счет самопоглощения. На фиг.1 и фиг.2 представлены результаты моделирования с помощью программного пакета GEANT4 потери энергии в ⁶LiF и типичном связующим веществом на основе эпоксидной смолы. Видно, что суммарные потери энергии α-частиц и тритонов при длине их пути 5 мкм ⁶LiF достигают 45% от начальной, а для α-частиц составляют 91%. При прохождении 5 мкм в связующем потери энергии в 1,6 раза ниже.

На фиг.1 и фиг.2 величиной длины пробега является пути частиц в веществе, или общая длинна их траектории. Полученные путем моделирования длины пробега α-частиц и тритонов в ⁶LiF от точки входа в вещество до точки остановки приведены в таблице 2.

Другой возможный путь - уменьшением размера зерен ⁶LiF до субмикронных, порядка малых долей длины волны сцинтилляций ZnS с целью выхода за границы отношения размеров рассеивающего объекта к длине волны, характерных для рассеяния Ми, в сторону Рэлеевского рассеяния. Однако равномерное и однородное размещение любых субмикронных частиц в экране без агрегации затруднительно с технологической точки зрения, о чем свидетельствует сравнение результатов симуляций и экспериментальных данных (Y. Yehuda-Zada, K. Pritchard, J.B. Ziegler et al. Optimization of ⁶LiF:ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018)59-69).

Известен способ создания сцинтилляционных экранов на основе композиций ZnS/Н₃ВО₃ (Guo L., Liu Z., Luo Z. Preparation method of thermal neutron scintillation screen, CN 104538078 A. Apr. 22. 2015), где люминофор на основе сульфида цинка смешивают с борной кислотой, нагревают до получения гомогенного расплава, который потом выливают в специальное углубление алюминиевой пластины, служащей подложкой.

Известен способ создания борсодержащей композиции (Jansma B.J., J. L. Water based dispersions of boron or boron compounds for use in coating boron lined neutron detectors, US 2011116589 A1. May 19. 2011), в котором использовали водные суспензии элементного бора-10, которые наносили на подложку в качестве подслоя для конверсии нейтронов в детектируемые гамма-кванты с энергией 0,48МэВ или альфа частицы с энергией 2,79 МэВ.

Общим недостатком описанных борсодержащих композиций является то, что реакция изотопа бора-10 с нейтроном в 93% случаев протекает по каналу образования низкоэнергетических гамма-квантов с энергией 0,48 МэВ, которые имеют крайне малую эффективность поглощения в тонком сцинтилляционном экране.

Указанные недостатки могут быть устранены, при использовании литиевого поглотителя, когда весь он, или, как минимум, его часть распределены в связующем на атомарном уровне, т.е. образует со связующим единое оптически прозрачное химическое соединение, в котором нет центров рассеяния, приводящих к увеличению оптической длины пути фотонов сцинтилляций в композиции. При этом все приведенные выше результаты моделирования и соответствующие выводы, касающиеся роли поглотителя и связующего в составе сцинтилляционного нейтронного экрана справедливы не только для экрана на основе ZnS, практически непрозрачного к собственному излучению, но и на основе других сцинтилляторов, коэффициент преломления которых выше коэффициента преломления связующего.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является достижение лучшего пространственного разрешения при осуществлении возможности использования меньшего количества поглотителя нейтронов (⁶LiF).

Технический результат заявленного изобретения заключается в улучшении пространственного разрешения и производительности измерений при регистрации нейтронов в задачах сцинтилляционной нейтронной визуализации.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что предложена сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов содержащая сцинтиллятор, поглотитель нейтронов и связующее при этом качестве сцинтиллятора используются гадолиний-содержащие соединения вида Gd3-xYxAl5-yGayO12 которые могут иметь как высокое содержание атомов гадолиния, как в соединении Gd3Al2Ga3O12, так и пониженное посредством их полного или частичного замещения атомами Y или лантаноидами, как в Gd3-xYxAl2Ga3O12, или Y3Al5O12 и/или в которых присутствует измененное соотношение атомов Al и Ga, как в Gd3-xYxAl5-yGayO12, либо соединения из ряда: Gd2O2S, GdCl3, GdBr3, Gd2SiO5, Gd2Si2O7, Gd3Al2Ga3O12 в форме зерен монокристаллического или поликристаллического материала, содержащих в качестве активатора атомы церия, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве от 0.001 до 2 ат.%, либо содержащих в качестве активатора атомы тербия и/или европия, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве от 0.1 до 20 ат. %, в качестве поглотителя нейтронов используют фторид лития 6L1F, в качестве связующего используют силикат лития с формулой 6Li2O*nSiO2, либо полиакрилат лития с формулой (C3H3O26Li)n, причем отношение объемов 6LiF и 6Li2O*nSiO2, либо (C3H3O26Li)n в композиции находится в пределах от 99:1 до 1:99.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:

Добавление атомов ⁶Li в состав связующего позволяет увеличить эффективность поглощения нейтронов, сократить потери энергии и среднюю длину пробега ядер гелия и трития между ядрами ⁶Li и зернами сцинтиллятора в композиции. При этом отношение количества атомов гадолиния Gd и ⁶Li может варьироваться в широких пределах, позволяя осуществлять регистрацию нейтронов преимущественно по реакции радиационного захвата (n,γ), либо по реакции поглощения нейтронов ядрами ⁶Li, сопровождающейся испусканием ядер гелия и трития, и таким образом достигать требуемой комбинации чувствительности и пространственного разрешения;

Возможно использование меньшего количества поглотителя нейтронов (⁶LiF), или в отдельных случаях полный отказ от него, тем самым способствуя получению большего количества света из сцинтилляционного слоя, а также достижению лучшего пространственного разрешения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлены потери энергии α-частиц и тритонов в зависимости от длины их пути в ⁶LiF.

На фиг. 2 представлены потери энергии α-частиц и тритонов в зависимости от длины их пути в связующем на основе эпоксидные смолы.

Осуществление и примеры реализации изобретения

Для достижения данного технического результата предложена сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов по реакциям радиационного захвата (n, γ) ядрами природной смеси гадолиния, сопровождающимся испусканием γ-квантов, рентгеновского излучения и электронов внутренней конверсии, а также по реакции поглощения нейтронов ядрами ⁶Li, сопровождающейся испусканием ядер гелия и трития состоящая из частиц сцинтиллятора, содержащего атомы гадолиния Gd, включающая атомы ⁶Li частиц поглотителя нейтронов и оптически прозрачного связующего, также содержащего атомы ⁶Li. При этом все компоненты композиции содержат атомы с ядрами, поглощающими нейтроны с сечением захвата не менее 1 Барн в диапазоне кинетических энергий до 10 МэВ. В качестве сцинтиллятора используются гадолиний-содержащие соединения имеющие природную смесь изотопов атомов Gd, либо обогащенные по необходимому изотопу. При этом гадолиний-содержащие соединения могут иметь как высокое содержание атомов гадолиния, как в соединении Gd₃Al₂Ga₃O₁₂, так и пониженное посредством их полного или частичного замещения атомами Y или лантаноидами, как в Gd_3-xY_xAl₂Ga₃O₁₂, или Y₃Al₅O₁₂ и/или в которых присутствует измененное соотношение атомов Al и Ga, как в Gd_3-xY_xAl_5-yGa_yO₁₂. Частичное или полное замещение гадолиния на иттрий или другие лантаноиды позволяет добиться требуемой комбинации эффективности поглощения нейтронов и световыхода сцинтилляций. Так, соединение Gd₃Al₂Ga₃O₁₂:Ce имеет световыход 41000 фотон на 1 МэВ поглощенной энергии, соединение Gd_1.2Y_1.785Al₂Ga_2.97O₁₂:Ce до 60000 фотон/МэВ, a Y₃Al₅O₁₂:Ce 11000 фотон/МэВ, но в случае Y₃Al₅O₁₂:Ce конверсия нейтронов в детектируемые частицы (ядра гелия и трития) происходит исключительно за счет присутствия ⁶LiF в композиции. Также в качестве сцинтиллятора можно использовать гадолиний-содержащие соединения из ряда: Gd₂O₂S, GdCl₃, GdBr₃, Gd₂SiO₅, Gd₂Si₂O₇, Gd₃Al₂Ga₃O₁₂, Gd_3-xY_xAl_5-yGa_yO₁₂ в форме зерен монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы церия, которые вводят в состав, замещая один или несколько элементов в количестве от 0,001 до 2 ат. %. Либо соединения из ряда: Gd₂O₂S, GdCl₃, GdBr₃, Gd₂SiO₅, Gd₂Si₂O₇, Gd₃Al₂Ga₃O₁₂, Gd_3-xY_xAl_5-yGa_yO₁₂ в форме зерен монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы тербия и/или европия, которые вводят в состав, замещая один или несколько элементов в количестве от 0,1 до 20 ат. %. Концентрации активатора должна лежать в указанных пределах, так как при меньшей концентрации активатора световыход сцинтиллятора будет слишком мал для практических применений, а при больших концентрациях происходит тушение сцинтилляций активатором, ввиду чего световыход значительно снижается.

Коэффициент преломления гадолиний-содержащих соединений существенно ниже, чем у традиционно используемого сцинтиллятора на основе ZnS, и не превышает n=1,9. В качестве связующего используют соединения, содержащие атомы изотопа ⁶Li.

На основе лития природного изотопного состава, а затем и обогащенного до 90% по изотопу ⁶Li был осуществлен выбор оптически прозрачных связующих, таблица 3.

Предполагаемое отношение объемов ⁶LiF и ⁶Li₂O*nSiO₂, а также ⁶LiF и (C₃H₃O₂Li)_n в композиции может находиться находится в пределах от 99:1 до 1:99, что обусловлено практическими соображениями для получения равномерного сцинтилляционного слоя определенной толщины, а также для получения желаемого соотношения атомов лития и сцинтиллятора в композиции.

Практическая реализация включает в себя следующие операции:

A) приготовление сцинтиллятора;

Б) приготовление поглотителя;

B) приготовление связующего;

Г) изготовление композиции путем гомогенного смешивания компонентов и нанесение полученной композиции на светоотражающую подложку.

Пример 1

Изготовление образца сцинтилляционного экрана на основе композиции со сцинтиллятором - измельченной керамики состава Gd_1.2Y_1.785Ce_0.015Al₂Ga_2.97O₁₂, зерен поглотителя ⁶LiF и связующего ⁶LiPA.

Операция А) Прекурсор гадолиний, иттрий, алюминий, галлиевого граната, активированного церием, полученный соосаждением катионов в виде карбонатов, прокаливали при температуре не менее 850°С, измельчали и компактировали одноосным прессованием при давлении 60 МПа. Компакты спекали на воздухе при температуре не менее 1500°С. Полученную таким образом керамику измельчали, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d_0.5=15-20 мкм.

Операция Б) Поглотитель нейтронов готовили из коммерчески доступных соединений лития, обогащенных по изотопу ⁶Li, переводом их в хорошо растворимую соль минеральной кислоты, которую взаимодействовали с раствором фторида аммония, взятого с избытком 10% от стехиометрии. Выпавший осадок ⁶LiF промывали от маточного раствора, сушили, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d_0.5=2-3 мкм.

Операция В) Полиакрилат лития-6, получали из коммерчески доступных соединений лития, обогащенных по изотопу ⁶Li и полиакриловой кислоты следующим образом: нагретую на водяной бане до температуры 50-60°С полиакриловую кислоту (коммерческий 35-40%-й раствор) смешивали с водой в массовом соотношении 1/0.8-0.9 и далее при интенсивном перемешивании медленно вносили навеску соединения лития-6 взятую в стехиометрическом отношении в пересчете на мономер. Воздух и иные газовые примеси из полученного раствора полиакрилата лития-6 удаляли дегазацией в вакуумном эксикаторе при остаточном давлении не более 10 мм рт.ст.

Операция Г) Для получения композиции с объемным соотношением связующее/поглотитель/ сцинтиллятор равное 40/30/30, готовили суспензию, которую гомогенизировали и дегазировали в лабораторном миксере, снабженном вакуумной системой. Массовые соотношения компонентов составили 0,335/0,203/0,462 соответственно. В суспензию добавляли диспергирующие и реологические добавки для достижения оптимальной вязкости суспензии, а также плотного, ровного слоя.

Полученную суспензию наносили на подложку одним из известных методов нанесения суспензий на поверхность. Подложку размещали между направляющими и наносили на край требуемый объем суспензии, которую затем распределяли по всей площади полированным спиральным прутком. Слой композита оставляли сохнуть на воздухе в условиях, исключающих попадание пыли на поверхность образца.

Пример 2

Изготовление образца сцинтилляционного экрана на основе композиции со сцинтиллятором - измельченной керамики состава Gd_1.2Y_1.65Tb_0.15Al₂Ga₃O₁₂, зерен поглотителя ⁶LiF и связующего ⁶LiPS.

Операция А) Прекурсор гадолиний, иттрий, алюминий, галлиевого граната, активированного тербием, полученный соосаждением катионов в виде карбонатов, прокаливали при температуре не менее 850°С, измельчали и компактировали одноосным прессованием при давлении 60 МПа. Компакты спекали на воздухе при температуре не менее 1500°С. Полученную таким образом керамику измельчали, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d_0.5=15-20 мкм.

Операция Б) Поглотитель нейтронов готовили из коммерчески доступных соединений лития, обогащенных по изотопу ⁶Li переводом их в хорошо растворимую соль минеральной кислоты, которую взаимодействовали с раствором фторида аммония, взятого с избытком 10% от стехиометрии. Выпавший осадок ⁶LiF промывали от маточного раствора, сушили, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d_0.5=2-3 мкм.

Операция В) Силикатное литийсодержащее связующее состава ⁶Li₂O⋅nSiO₂, где n=1-6 получали гидролизом тетраэтоксисилана заданным количеством раствора гидроксида 6-лития.

Операция Г) Для получения композита с объемным соотношением связующее/поглотитель/сцинтиллятор равное 4/73/23, готовили суспензию, которую гомогенизировали и дегазировали лабораторном миксере, снабженным вакуумной системой. Массовые соотношения компонентов 0,434/0,331/0,235 соответственно.

Полученную суспензию наносили на подложку одним из известных методов нанесения суспензий на поверхность. Подложку размещали между направляющими и наносили на край требуемый объем суспензии, которую затем распределяли по всей площади полированным спиральным прутком. Слой композита оставляли сохнуть на воздухе в условиях, исключающих попадание пыли на поверхность образца. Характеристики полученных образцов приведены в таблице 4.

Измерения изготовленных образцов проводились с использованием монохроматических нейтронов с длиной волны 2,4 Å (14 мэВ). В качестве образцов сравнения использовались экраны GOS(Tb) (Gd₂O₂S:Tb) и ZnS(Ag)/⁶LiF толщиной 46 мкм и 100 мкм соответственно.

Пространственное разрешение измеряли путем установления перед композитом щелевой кадмиевой маски и получали изображение, которое обрабатывали. Вдоль длины отрезка, соответствующего 100 пикселям регистрирующей системы, который пересекал границу маски, определяли интенсивность света для каждого пикселя. Интенсивность определяли в единицах шкалы серого. Из значений оттенков серого вычисляли первую производную и строили график зависимости первой производной от координаты. Рассчитывали полуширину на полувысоте (FWHM) полученного пика в пикселях и умножали получившееся значение на величину размера одного пикселя оптической системы, которая составляла 65 микрон.

Результаты измерений пространственного разрешения образцов и параметры их кинетики сцинтилляций представлены в таблице 5.

Полученное пространственное разрешение образцов 1 и 2 превосходит таковое для ZnS(Ag)/⁶LiF и приближается к GOS(Tb). Положительный эффект достигнут за счет вклада реакции (n, γ) в пространственное разрешение образцов №1 и №2, причем их выход сцинтилляций на один поглощенный нейтрон существенно, более чем в 10 раз, превосходил таковой для GOS(Tb) за счет вклада реакции на ядрах ⁶Li.

Длительность сцинтилляционного импульса в разработанном образце №1 короче, чем у образца сравнения GOS(Tb) в 25000 раз, а по сравнению с образцом сравнения ZnS(Ag)/⁶LiF - в 55 раз. Скорость регистрации, а, следовательно, и производительность измерений, повышаются соответственно.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений. Сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов содержит сцинтиллятор, поглотитель нейтронов и связующее. Добавление атомов ⁶Li в состав связующего позволяет увеличить эффективность поглощения нейтронов, сократить потери энергии и среднюю длину пробега ядер гелия и трития между ядрами ⁶Li и зернами сцинтиллятора в композиции. При этом отношение количества атомов гадолиния Gd и ⁶Li может варьироваться в широких пределах, позволяя осуществлять регистрацию нейтронов преимущественно по реакции радиационного захвата (n, γ), либо по реакции поглощения нейтронов ядрами ⁶Li, сопровождающейся испусканием ядер гелия и трития. Технический результат – улучшение пространственного разрешения и производительности измерений при регистрации нейтронов. 5 табл., 2 пр., 2 ил.

Сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов, содержащая сцинтиллятор, поглотитель нейтронов и связующее, отличающаяся тем, что в качестве сцинтиллятора используются гадолиний-содержащие соединения вида Gd_3-xY_xAl_5-yGa_yO₁₂, которые могут иметь как высокое содержание атомов гадолиния, как в соединении Gd₃Al₂Ga₃O₁₂, так и пониженное посредством их полного или частичного замещения атомами Y или лантаноидами, как в Gd_3-xY_xAl₂Ga₃O₁₂ или Y₃Al₅O_12, и/или в которых присутствует измененное соотношение атомов Al и Ga, как в Gd_3-xY_xAl_5-yGa_yO₁₂, либо соединения из ряда: Gd₂O₂S, GdCl₃, GdBr₃, Gd₂SiO₅, Gd₂Si₂O₇, Gd₃Al₂Ga₃O₁₂ в форме зерен монокристаллического или поликристаллического материала, содержащих в качестве активатора атомы церия, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве от 0.001 до 2 ат.%, либо содержащих в качестве активатора атомы тербия и/или европия, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве от 0.1 до 20 ат.%, в качестве поглотителя нейтронов используют фторид лития ⁶LiF, в качестве связующего используют силикат лития с формулой ⁶Li₂O*nSiO₂, либо полиакрилат лития с формулой (C₃H₃O₂⁶Li)_n, причем отношение объемов ⁶LiF и ⁶Li₂O*nSiO₂, либо (C₃H₃O₂⁶Li)_n в композиции находится в пределах от 99:1 до 1:99.