Кристаллический сцинтиллятор Российский патент 2024 года по МПК G01T1/202 

Изобретение относится к новому галогенидному классу сцинтилляционных неорганических детекторных материалов на основе монокристаллов твердых растворов галогенидов одновалентного таллия и галогенидов серебра. Они предназначены для регистрации ионизирующего излучения в режиме реального времени, где требуется быстрый счет квантов: физика высоких энергий, медицина, таможенный контроль и другие области.

Известен неорганический кристаллический сцинтиллятор (КНС) на основе кристаллов йодида натрия, активированного йодидом таллия (NaI:Tl) [1. UAR SHAW Scintillation Detectors Saint. Gobain проспект, 1990. с.5.,

2. Неорганические сцинтилляционные материалы / Л.В. Викторов [и др.] // Изв. АН СССР. Неорг. материалы. - 1991. - Т.27, № 10. - с. 2005-2029]. Кристаллы обладают высокой плотностью 3,67 г/см³, по сравнению с кристаллическими органическими сцинтилляторами (КОС), эффективным атомным номером = 50, широким температурным диапазоном, высоким световыходом, максимум спектра свечения соответствует длине волны 410 нм. Недостатком КНС является большое время высвечивания 210 нс, а также высокая гигроскопичность. Применение их в атмосферных условиях без специальной защиты невозможно, что сдерживает их применение.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ [Неорганические сцинтилляционные материалы / Л.В. Викторов [и др.] // Изв. АН СССР. Неорг. материалы. - 1991. - Т.27, № 10. - с. 2005-2029]. Однако сцинтиллятор на основе кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂ с максимумом свечения при 480-510 нм и имеет длительность свечения 300 нс с эффективным атомным номером = 74, т.е. он не эффективен при работе в красной и ближней инфракрасной области.

Наиболее близким техническим решением является кристаллический сцинтиллятор ЛИЯ-2 [Патент РФ «Кристаллический сцинтиллятор ЛИЯ-2» № 2066464 от 10.09.1996, Бюл. № 25]. Кристаллический сцинтиллятор состоит из галогенидов серебра и таллия в соотношении (мас. %): хлорид серебра 22,0-27,0; бромид серебра 77,98-72,499; йодид серебра 0,010-0,500; галогенид таллия 0,010-0,001. Известный сцинтиллятор нетоксичен, отличается высокой пластичностью, пригоден для получения гибких и прочных на разрыв световодов, имеет длительность свечения около 20 нс. Однако максимум спектра излучения сцинтиллятора расположен при 400 нм. Он не пригоден для фотодиодной регистрации, поскольку кремниевые PIN-фотодиоды не чувствительны к излучению в ультрафиолетовой и фиолетовой области спектра, а также кристаллический сцинтиллятор на основе твердых растворов системы AgCl-AgBr является светочувствительным.

Существует техническая проблема по разработке кристаллического неорганического сцинтиллятора в виде монокристалла, в котором под действием ионизирующего излучения (рентгеновского и электронного) возникают световые вспышки - сцинтилляции с небольшим временем высвечивания () и максимумом спектра свечения ( в красной (видимой) и ближней инфракрасной (ИК) области. При этом монокристалл должен быть негигроскопичным, пластичным, прозрачным без окон поглощения в широком спектральном диапазоне от видимой до дальней ИК области, а также устойчивым к воздействию радиационного облучения.

Техническая проблема решена за счет того, что разработан:

Кристаллический сцинтиллятор, включающий галогениды серебра и галогениды таллия, отличающийся тем, что он изготовлен в виде монокристалла на основе йодида одновалентного таллия, дополнительно содержащего галогенидсеребряный твердый раствор состава AgCl_0.25Br_0.75 при следующем соотношении ингредиентов в мас. %:

йодид одновалентного таллия - 60,0-65,0

твердый раствор AgCl_0.25Br_0.75 - 40,0-35,0.

Сущность изобретения состоит в том, что разработан неорганический сцинтиллятор в виде монокристалла, химические составы которого определены на основе гомогенной области новой фазовой диаграммы системы AgCl_0.25Br_0.75-TlI (см. формулу и примеры). КНС негигроскопичны, пластичны, высокопрозрачны без окон поглощения в спектральном диапазоне от 0,45 до 60,0 мкм и устойчивы к ультрафиолетовому (УФ) и радиационному облучению, по сравнению со светочувствительным прототипом, т.к. образованы на основе твердого раствора TlI, в кристаллической решетке которого размещены твердые растворы состава AgCl_0.25Br_0.75. Сцинтилляторы такого химического состава имеют высокую плотность от 6,9 до 7,1 г/см³ в зависимости от состава и большой эффективный атомный номер = 58,7-60,2. Спектр свечения монокристалла сосредоточен в основном в красной и ближней инфракрасной (ИК) области спектра от 650 до 850 нм (по полувысоте спектра свечения), максимум спектра свечения расположен при 750 нм (фиг.1). Граница ИК области излучения сцинтиллятора расположена при 0,85-0,95 мкм. Сцинтиллятор обладает временным разрешением не хуже 30 нс, световыходом 70 % относительно световыхода стильбена и эффективным для работы в устройствах детектирования с фотодиодной регистрацией.

Пример 1.

Для выращивания сцинтилляционного монокристалла получили гидрохимическим методом термозонной кристаллизации-синтеза (ТЗКС) [Патент РФ «Способ получения высокочистых веществ» № 2160795 от 07.07.1999] высокочистую гомогенную однофазную шихту на основе йодида одновалентного таллия, дополнительно содержащего галогенидсеребряный твердый раствор состава AgCl_0.25Br_0.75 при следующем соотношении ингредиентов, в мас. %:

йодид одновалентного таллия - 60,0;

твердый раствор AgCl_0.25Br_0.75 - 40,0.

Из шихты вырастили однородный по высоте и диаметру монокристалл химического состава шихты. Для измерения сцинтилляционно-оптических свойств изготовили методом горячего прессования плоскопараллельные пластины с оптической поверхностью. Спектры пропускания снимали на спектрометре UV-1800 в диапазоне от 190 до 1100 нм и на ИК Фурье спектрометре IR Prestige-21 Shimadzu (1,28 - 41,7 мкм), а также ИК Фурье спектрометре Vertex-80, Bruker с расширенным ИК диапазоном (от 14,7 до 60,6 мкм). Сцинтиллятор прозрачен от 0,45 до 60,0 мкм без окон поглощения. Плотность составляет 6,9 г/см³, эффективный атомный номер = 58,7. Спектры рентгенолюминесценции определяли на установке АСНИ, возбуждение от аппарата УРС-1, медный катод, напряжение 40 кВ, ток 10 мА. Получена длина волны () равная 750 нм, соответствующая максимуму спектра свечения в красной и ближней ИК области от 650 до 850 нм по полувысоте полосы свечения (фиг.1). Длительность световой вспышки около 30 нс. Световыход сцинтилляции составляет 70 % относительно световыхода стильбена. Рабочий температурный диапазон КНС составляет от -60°С до + 200°С.

КНС устойчив к УФ облучению при плотности мощности 1 Вт/см² в диапазоне длин волн 260-370 нм в течение 10 часов и к бета-облучению, т.е. не разлагается, не изменяется его состав и свойства. На линейном ускорителе электронов УЭЛР-10-10С проводили измерения с поэтапным набором дозы от 100 до 1000 кГр и более.

Пример 2.

Эксперименты и измерения свойств проводили как в примере 1. Вырастили высокочистый монокристалл при следующем соотношении ингредиентов, в мас. %:

йодид одновалентного таллия - 65,0;

твердый раствор AgCl_0.25Br_0.75 - 35,0.

Монокристалл прозрачен в спектральном диапазоне от 0,5 до 60,0 мкм без окон поглощения. Плотность составляет 7,1 г/см³, эффективный атомный номер = 60,2. Максимум спектра свечения расположен в красной и ближней ИК области от 650 до 850 нм по полувысоте свечения при 750 нм (фиг.1). Длительность световой вспышки 30 нс. Остальные свойства как в примере 1.

Пример 3.

Вырастили сцинтилляционный монокристалл на основе TlI, дополнительно содержащего галогенидсеребряный твердый раствор состава AgCl_0.25Br_0.75 при следующем соотношении ингредиентов, в мас. %:

йодид одновалентного таллия - 63,0;

твердый раствор AgCl_0.25Br_0.75 - 37,0.

Эксперименты и исследования свойств проводили как в примере 1. Плотность составляет 7,0 г/см³, эффективный атомный номер = 59,5. Остальные свойства как в примере 1.

Технический результат

Разработаны быстрые с малым временем высвечивания около 30 нс неорганические сцинтилляторы в виде монокристаллов на основе новой системы AgCl_0.25Br_0.75-TlI, обладающие высокой плотность. от 6,9-7,1 г/см³ и боьшим эффективным атомным номером 58,7-60,2, что обеспечивает максимум спектра свечения в красной (видимой) и ближней ИК области со световыходом сцинтилляции 70 % относительно световыхода стильбена. Это хорошо согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиода и способствует высокой загрузочной способности детектора. КНС чувствительны к пучкам рентгеновского и электронного излучения и предназначены для визуализации излучений в системах радиационного мониторинга, таможенного контроля и других применений. При этом не разрушаются, т.е. не изменяют своего химического состава, а, следовательно, и сцинтилляционных свойств при воздействии УФ и бета-облучении (см. примеры). Кроме того, сцинтилляционные монокристаллы являются перспективным материалом для изготовления методом экструзии гибких и прочных на разрыв сцинтилляционных световодов.

Изобретение относится к области сцинтилляционных материалов. Кристаллический сцинтиллятор, включающий галогениды серебра и галогениды таллия, изготовлен в виде монокристалла на основе йодида одновалентного таллия, дополнительно содержащего галогенидсеребряный твердый раствор состава AgCl_0.25Br_0.75, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: йодид одновалентного таллия 60,0-65,0, твердый раствор AgCl_0.25Br_0.75 40,0-35,0. Технический результат – расширение области спектра свечения, повышение устойчивости к радиационному облучению. 1 ил.

Кристаллический сцинтиллятор, включающий галогениды серебра и галогениды таллия, отличающийся тем, что он изготовлен в виде монокристалла на основе йодида одновалентного таллия, дополнительно содержащего галогенидсеребряный твердый раствор состава AgCl_0.25Br_0.75, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

йодид одновалентного таллия 60,0-65,0 твердый раствор AgCl_0.25Br_0.75 40,0-35,0