Оптическая матрица для термолюминесцентного материла Российский патент 2024 года по МПК C09K11/63 C09K11/55 C09K11/70 G01T1/11 

Изобретение относится к области дозиметрии, в частности, к оптическим матрицам, используемым для получения термолюминесцентных материалов.

Известно термолюминесцентное вещество, содержащее оксиды свинца PbO, кадмия CdO, борную кислоту Н₃ВО₃ состава PbCd₂B₆O₁₂, используемое в качестве оптической матрицы для термолюминесцентного материала (патент RU 2651255; МПК C09K 11/63, C09K 11/54, C09K 11/66, C09K 11/78, G01T 1/11; 2018 год). C09K 11/63(2006.01).

Однако использованные в составе известной матрицы оксиды свинца и кадмия являются высокотоксичными. Из-за наличия тяжелых токсичных элементов в составе известного материала он не может быть использован для персональной дозиметрии.

Известна оптическая матрица для получения термолюминесцентных материалов состава LiF в виде твердых частиц или гранул, которая может быть допирована рядом металлов (патент CN 1285919; МПК G01T 1/10, G01T 1/10; 2006 год).

Однако известная матрица в отсутствии допантов характеризуется низким значением термолюминесценции, что отрицательно сказывается на общем уровне люминесценции полученного на ее основе материала.

Известна оптическая матрица для получения термолюминесцентных материалов на основе порошка фосфата состава LiMgPO₄, которая может быть допирована рядом металлов (патент CN 109694710, МПК G01K 11/78, 2019 год).

Однако известная матрица в отсутствии допантов также характеризуется низким значением термолюминесценции, что отрицательно сказывается на общем уровне люминесценции полученного на ее основе материала.

Известно применение литий-магниевого фторфосфата состава Li₉Mg₃(PO₄)₄F₃ в качестве оптической матрицы для термолюминесцентных материалов (патент RU 2795672; МПК C09K 11/61, G01T 1/11; 2023 год).

Однако недостатком известной матрицы является невысокая интенсивность термолюминесценции (чувствительность).

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать состав оптической матрицы для термолюминесцентных материалов, которая бы характеризовалась высоким уровнем термолюминесценции, что позволит, в частности, расширить номенклатуру материалов, используемых в качестве оптических матриц в дозиметрии.

Поставленная задача решена применением борфосфата натрия состава Na₅B₂P₃O₁₃ в качестве оптической матрицы для термолюминесцентного материала.

Из патентной и научно-технической литературы не известно применение борфосфата натрия состава Na₅B₂P₃O₁₃ в качестве оптической матрицы для термолюминесцентных материалов.

В настоящее время известно использование стекла на основе борфосфата натрия, содержащего Na₂O / B₂O₃ / P₂O₅ и обладающего ионной проводимостью в качестве твердого электролита для электрохимических устройств. Ионная проводимость обеспечивается подвижностью ионов натрия в стеклообразной матрице Na₂O / B₂O₃ / P₂O₅ (патент US 4206016; МПК C03C3/19, C03C4/18, C25C7/02, H01M10/39; 1980 год). Также известно использование борфосфата натрия состава Na₅B₂P₃O₁₃ как материала для нелинейной оптики, в которых наблюдается нелинейная зависимость отклика от мощности оптического возбуждения. Для возбуждения материалов применяются высокоэнергетические источники когерентного излучения (лазеры). Однако наличие таких свойств не предполагает запасания энергии, полученной от ионизирующего излучения, и ее высвобождения при термолюминесценции, необходимых для функционирования дозиметрического материала (Marsin Gajc, Hancza B. Surma, Dorota A. Pawlak “Opically-active metastable defects in volumetric nanoplasmonic composites”, Scientific Reports, 8, 2018).

Эффект термолюминесцентного излучения был неожиданно обнаружен авторами при проведении исследования свойств борфосфата натрия, что и позволило предложить его использование в качестве оптической матрицы для термолюминесцентных материалов. Исследования, проведенные авторами, показали, что уровень термолюминесценции борфосфата натрия состава Na₅B₂P₃O₁₃ оказался значительно выше уровня термолюминесценции известных оптических матриц состава LiF, состава Li₉Mg₃[PO₄]₄F₃ и состава LiMgPO₄(см. Фиг. 1). Высокий выход термолюминесценции борфосфата натрия вызван наличием большого количества структурных дефектов, энергетические уровни которых располагаются внутри запрещенной зоны. Наиболее вероятно, что такими дефектами являются кислородные вакансии, которые могут находиться в 13 неэквивалентных кислородных позициях и иметь различный заряд, и вакансии в подрешетке натрия. Дефекты являются ловушками для дырок и электронов, образующихся под действием ионизирующего излучения и центрами рекомбинации зарядов. Следует отметить, что порошок Na₅B₂P₃O₁₃ состоит из плотно спеченных агломератов, обладающих малой площадью удельной поверхности, что обеспечивает уменьшение потерь дозиметрического сигнала вследствие его рассеяния на границах зерен.

Порошкообразный борфосфат натрия был получен известным твердофазным способом с использованием в качестве исходных компонентов карбоната натрия Na₂CO₃, борной кислоты H₃BO₃, дигидроортофосфата аммония NH₄H₂PO₄. Для получения однофазного продукта термообработка проводилась в две стадии: при температурах 300-310°С в течение 10-12 часов и 600-610°С в течение 10-12 часов. Для исследования дозиметрических характеристик борфосфата натрия состава Na₅B₂P₃O₁₃ использован метод термолюминесценции. Перед измерением порошкообразный Na₅B₂P₃O₁₃ был облучен рентгеновским излучением дозой 3 Гр при помощи рентгеновской трубки Eclipse, U=30kB, I=30 мкА. Регистрация термолюминесценценции осуществлялась при помощи дозиметра ДТУ-2. В ходе измерения предварительно облученный образец NH₄H₂PO₄ нагревался до температуры 350°С со скоростью 4°/мин. Во время нагрева в непрерывном режиме регистрировался сигнал термолюминесценции.

На Фиг. 1 изображены кривые термолюминесценции образцов состава LiF, LiMgPO₄, Li₉Mg₃(PO₄)₄F₃ и предлагаемого Na₅B₂P₃O₁₃, облученных рентгеновским излучением (Eclipse, U=30kB, I=30 мкА) дозой 3 Гр, диапазон измерения для образцов составлял 10², регистрация: дозиметр ДТУ- 2.

Из приведенных данных видно, что интенсивность термолюминесценции предлагаемого Na₅B₂P₃O₁₃ примерно в 20 раз выше чем в LiF, примерно в 18 раз выше чем в LiMgPO₄ и примерно в 2 раза выше чем в Li₉Mg₃[PO₄]₄F₃. Кроме того основной пик термолюминесценции борфосфата натрия смещен в более высокотемпературную область по сравнению с известными материалами, что позволяет снизить потерю дозиметрического сигнала при хранении.

Таким образом, авторами предлагается применение по новому назначению материала состава Na₅B₂P₃O₁₃, а именно использование его в качестве оптической матрицы термолюминесцентных материалов в дозиметрии, характеризующейся высоким уровнем термолюминесценции, что позволит расширить номенклатуру материалов, используемых в качестве оптических матриц в дозиметрии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям, программа «УМНИК» №17494ГУ/2022.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано в дозиметрии. Известное вещество - борфосфат натрия состава Na₅B₂P₃O₁₃, применено по новому назначению - в качестве оптической матрицы для термолюминесцентного материала. Изобретение позволяет расширить номенклатуру материалов, используемых в качестве оптических матриц в дозиметрии, за счёт высокого уровня термолюминесценции указанного вещества. 1 ил.

Применение борфосфата натрия состава Na₅B₂P₃O₁₃ в качестве оптической матрицы для термолюминесцентного материала.