Способ термообработки сцинтилляционных монокристаллов на основе галогенидов щелочных металлов Советский патент 1992 года по МПК C30B33/00 C30B29/12 

Изобретение относится к получению сцинтилляционных монокристаллов и может быть использовано для регистрации ионизирующих излучений.

Целью изобретения является увеличение и стабилизация конверсионной эффективности сцинтилляционных кристаллов и улучшение энергетического разрешения детекторов на их основе, а также обеспечение безотходной технологии.

Предлагаемый способ включает следующую последовательность операций.

Окрашенные в процессе изготовления или эксплуатации детекторов и фосвичей кристаллы Csl(TI), а также кристаллы Csl(TI) и Nal(TI), не соответствующие техническим

условиям (брак), нагревают до температуры 600-750 К со скоростью 0,1-0,3 К/мин,- выдерживают при этой температуре 80-150 ч; охлаждают до исходной со скоростью 0,2- 0,5 К/мин.

На фиг. 1 представлены спектры поглощения кристаллов Cslp) с различной концентрациейактиватораикислородсодержащими примесями до и после отжига при различных температурах; на фиг. 2 - спектры поглощения кристаллов Csl(TI) с высоким содержанием активатора и двухвалентных кислородсодержащих примесей до и после отжига при различных температурах; на фиг, 3 - спектры поглощения кристаллов NalCTI), не соответствующих техсл

00 О

о ю сл

ническим условиям (брак), до и после отжига..

В табл.1 приведены оптические и спектрометрические характеристики сцинтилля- ционных детекторов Csl(TI) и фосвичей Ма1(Т1) + Cslfri), изготовленных из кристаллов, не соответствующих ТУ (бракованных), окрашенных в процессе изготовления и эксплуатации детекторов Csl(T) до и после отжига при различных температурах. Детектор NalfTl) размерами 63x20 мм использовался один и тот же. В строке ХП приведены технические условия на комбинированные детекторы Csl(Tf) (130x50 мм) +

NalCri).

В табл. 2 приведены оптические и спектрометрические характеристики детекторов Nal(TI), не соответствующих ТУ (бракованных), размерами 50 х 50 мм до и после отжига. В строке УП приведены технические условия на детектор Nal(TI) размерами 50x50 мм во временной упаковке.

П р и м е р 1. Кристалл CslCTl) с концентрацией таллия 8 10-2 мас.% без кислородсодержащих примесей размерами 63x63 мм после измерения спектрометрических параметров (табл. 1, 1) и спектров поглощения (фиг. 1, кривая 2) помещают в печь; нагревают до 600 К со скоростью 0.2 К/мин, выдерживают при этой температуре в течение 80 ч, охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,4 К/мин.

Спектр поглощения кристалла после отжига представлен на фиг. 1 (кривая 4). Спектрометрические и оптические параметры детектора Csl(Tt) и фосвича NaiCTl) + CslCTl) после отжига кристалла Csl(TI) представлены в табл. 1.11.

Как видно из фиг. 1 (кривая 2) сложные активаторные центры окраски образуются при сравнительно малых концентрациях таллия даже при отсутствии кислородсодержащих примесей. При этом концентрация сложных активаторных центров окраски незначительна, но эти центры, поглощения в области 360-980 им. ухудшают прозрачность как основного сцинтиллятора 1Ма1(Т1) в области 420 нм. так и защитного сцинтиллятора CslCTl). в области 550 нм. уменьшают число Т - центров, ухудшая конверсионную эффективность. После отжига при 600 К эти центры разрушились. Коэффициенты поглощения в полосах излучения основного и защитного сцинтилляторов уменьшаются. Улучшилось энергетическое разрешение и световой выход как самого детектора Csl(TI) . так и фосвича Nal(TI)+ Csl(TI).

П р и м е р 2. Окрашенный в процессе обработки криста лл С$1ГГ1)с концентрацией активатора 2 -10 мас.% и следами кислородсодержащих примесей размерами 63x63 мм после измерения спектра поглощения (фиг. 1. кривая 1) и спектрометрических параметров (табл. .1, III) помещают в печь; нагревают до 600 К со скоростью 0,2 К/мин; выдерживают при этой температуре 80 ч; охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,4 К/мин.

Спектр поглощения кристалла после от0 жига представлен на фиг. 1 (кривая 3).

Оптические и спектрометрические параметры детектора и фосвича Nal(TI) + CsS(TI) после отжига кристалла Csl(TI) представлены в табл. 1,IV.

5 Как видно из фиг. 1 (кривая 1). концентрация сложных активаторных центров окраски, поглощающих в области 360-980 нм, выше, чем в примере 1. Спектрометрические параметры до отжига хуже, чем в при0 мере 1. Как следует из представленных в табл. 1 и фиг. 1. кривая 3. результатов в процессе отжига при 600 К не все. сложные активаторные центры окраски разрушались, что обусловило незначительное улуч5 шение оптических и спектрометрических параметров детектора Csl(TI и фосвича Nal(Tl) + CslCTl).

Ввиду того, что концентрация сложных активаторных центров окраски больше, чем

0 в примере 1.. необходимо увеличение температуры отжига для полного разрушения сложных активаторных центров окраски, Для этого кристалл помещают в печь; нагревают до 750 К со скоростью 0,2 К/мин, вы5 держивают при этой температуре 80 ч и охлаждают со скоростью 0,3 К/мин.

Оптические и спектрометрические параметры детекторов Csl(TI) и фосвича после отжига при 750 К представлены в табл. 1. V.

0 Спектр поглощения кристалла Csl(TI) после отжига при 750 К представлен на фиг. 1 (кривая 5).

Как следует из представленных результатов, все сложные активаторные центры

5 окраски разрушаются, конверсионная эффективность улучшается, улучшается энергетическое разрешение детектора Cslfn) и фосвича Nal(TI + CslCTl).

При м е р 3. Интенсивно, окрашенный

0 в процессе обработки и изготовления детекторов кристалл Csl(TI) с концентрацией активатора 3.5 X 10 мас.% таллия и кислородсодержащими примесями размерами 130x50 мм после измерения спектра 5 поглощения (фиг. 2, кривая 1) и спектрометрических параметров (табл. 1, VI), помещают в печь, нагревают до 550 К со скоростью 0,2 К/мин, выдерживают при этой температуре 100 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,3 К/мин.

Спектр поглощения кристалла после отжига представлен на фиг. 2 (кривая 2). Оптические и спектрометрические параметры детектора Csl(TI) и фосвича NalfTI) + CslfTI) после отжига представлены в табл. 1 (строка VII).

Как видно из фиг. 2 (кривая 2), концентрация сложных активаторных центров окраски, поглощающих в области 360 нм - 980 им, намного выше, чем в примере 2.

Спектрометрические параметры детектора Csl(TI) и фосвича Nalfri}+Csin l) намного хуже, чем в примерах 1 и 2. Отжиг кристалла при 550 К разрушает только часть сложных активаторных центров окраски, что незначительно улучшает спектрометрию.

Для разрушения сложных активаторных центров окраски кристалл помещают в печь; нагревают до 650 К со скоростью 0,2 К/мин выдерживают при этой температуре 80 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,3 К/мин.

Спектр поглощения кристалла Csl(TI) после отжига при 650 К представлен на фиг. 2 (кривая 3). Оптические и спектрометрические параметры детектора Csl(Tl) и фосвича Nal(TI) + Csl(TI) представлены в табл. 1, VIII. Как видно из представленных результатов, не все сложные активаторные центры окраски разрушаются. При этом спектрометрические и оптические параметры детектора Csl(TI) и фосвича Nal(TI) + Csl(Tt) улучшаются.

Чтобы разрушить все сложные активаторные центры окраски, которые еще проявляются в спектрах поглощения и снижают конверсионную эффективность и энергетическое разрешение как детектора CslfTI), так и фосвича Nal(Tl) + Csl(TI), кристалл Csl(TI) помещают в печь, нагревают до 750 К со скоростью 0,2 К/мин, выдерживают при этой температуре 150 ч и охлаждают до ком- натной температуры со скоростью 0,3 К/мин.

Спектр поглощения кристалла Csl(TI) после отжига при 750 К представлен на фиг. 2 (кривая 4). Оптические и спектрометрические параметры детектора Csl(T) и фосвича после отжига при 750 К представлены в табл.1,IX.

Как видно из представленных результатов, после отжига при 750 К разрушаются все стабильные сложные активаторные центры окраски, увеличивается число одиночных активаторных центров, тем самым yлyчшaetcя конверсионная эффективность. Значительно, по сравнению с исходными, улучшаются разрешение как детектора Csl(TI), так и фосвича Nal(TI)+ Csl(TI).

П р и м е р 4. Кристаллы Nat(TI) размерами 50x50 мм- с концентрацией таллия 9,5х 10 мас.% и наличием следов кислородсодержащих примесей, не соответствующие техническим условиям (брак), после измерения спектрометрических характеристик (табл. 2, 1 и III) и спектров поглощения (фиг. 3, 2 и 4) помещают в печь, нагревают до 750 К со скоростью 0,2 К/мин, выдерживают 150 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,2 К/мин.

Оптические и спектрометрические параметры детекторов Nal(TI) представлены в табл. 2. И и IV, Спектры поглощения кристаллов Nalffl) после отжига при 750 К представлены на фиг. 3 (кривые 5 и 6).

Как видно и представленных результатов, сложные активаторные центры окраски разрушаются, увеличивается число одиночных активаторных центров, тем самым конверсионная эффективность, и улучшается разрешение детекторов на основе отожженных кристаллов Nal(TI), которые стали не только удовлетворять ТУ, но и быть на уровне детекторов фирмы Harshaw.

П р и м е р 5. Интенсивно окрашенный кристалл Csl(TI), не соответствующий техническим условиям (брак), с концентрацией таллия 4,5- 10 мас.% и наличием двухвалентных кислородсодержащих примесей размерами 130x50 мм после измерения спектрометрических характеристик (табл. 1, X) помещают в печь, нагревают до температуры 500 К со скоростью 0,5 К/мин, выдерживают при этой температуре 70 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,7 К/мин.

Спектрометрические параметры детек- тора CslCTI) и фосвича Nal(Tt) + CSI(TI) после

отжига кристалла CSI(Tt) при 500 К представлены в табл. 1, XI.

Как следует из представленных результатов, параметры детектора Csl(TI) и фосвича Nal(TI) + Cslfn) не улучшаются.

Примере. Кристалл NalfTI) размерами 50x50 мм с концентрацией таллия 1 -10 мас.% и наличием кислородсодержащих примесей, не соответствующий техническим условиям (брак), после измерения

спектрометрических оптических характеристик (табл. 2, строка V, фиг. 3, кривая 1), помещают в печь, нагревают до 500 К со скоростью 0,3 К/мин, выдерживают 60 ч и охлаждают до комнатной температуры со

скоростью 0,4 К/мин.

Спектрометрические оптические параметры детектора на основе отожженного кристалла NalfTI) представлены в табл. 2, VI (фиг. 3, кривая 3). Как видно из представленных результатов, спектрометрические параметры детектора после отжига при 500 К не улучшаются.

Из сопоставления представленных результатов следует, что поставленная цель - увеличение и стабилизация конверсионной эффективности сцинтилляционных кристаллов и улучшение энергетического разрешения детекторов на их основе достигается в примерах t-3 для кристаллов CslCTI) и примере 4 - для кристаллов Nal(TO в заявляемых пределах.

Конверсионная эффективность сцинтилляционных кристаллов и энергетическое разрешение детекторов на их основе ухудшается при повышении концентрации стабильных сложных активаторных центров окраски, которые эффективно разрушаются в заявляемых пределах. При этом, чем больше концентрация сложных активаторных центров окраски, тем выше температура и время отжига (пример 3).

Как показали эксперименты, при существующих и используемых загрузочных концентрациях таллия при выращивании кристаллов NalCTI) 0,25 мас.% и CslCTl) 0,3 мас.% и наличии кислородсодержащих примесей (даже следовых количеств) только в заявляемых пределах температуры отжига обеспечивается достижение цели.

Как видно из примеров, используются кристаллы NalCTI) и Csl(TO, несоответствующие техническим условиям (бракованные), а предлагаемый способ термообработки

обеспечивает их использование по назначению с улучшенными спектрометрическими параметрами по сравнению с техническими условиями.

Таким образом, предлагаемый способ

обеспечивает использование бракованных кристаллов и безотходную технологию получения сцинтилляционных детекторов высокого спектрометрического качества.

Фо рму л а изо б рете н ия

Способ термообработки сцинтилляционных монокристаллов на основе галогени- дов щелочных металлов, включающий их

нагрев, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение, отличающийся тем, что, с целью увеличения и стабилизации конверсионной эффективности монокристаллов и улучшения энергетического

разрешения детекторов на их основе, а также обеспечения безотходной технологии, нагрев ведут со скоростью 0,1-0,3 К/мин до 600-750 К, выдержку осуществляют в течение 80-150 ч и охлаждение проводят со скоростью 0,2-0,5 К/мин.

Таблица

Продолжение таблицы 1

Изобретение относится к получению сцинтилляционных монокристаллов и может быть использовано для регистрации ионизирующих излучений, Целью изобретения является увеличение и стабилизация конверсионной эффективности сцинтилляционных кристаллов и улучшение энергетического разрешения детекторов по их основе, а также обеспечение безотходной технологии. Для достижения цели окрашенные в процессе изготовления или эксплуатации детекторов и фосвичей кристаллу Csl(Tl), а также кристаллы Csl(Tl) и NalO l). не соответствующие техническим условиям (брак), нагревают до 600-750 К со скоростью 0,1-0,3 К/мин, выдерживают при этой температуре 80-150 ч и охлаждают со скоростью 0,2-0,5 К/мин. 3 ил., 2 табл.

Примечания:

Vi- скорость нагрева кристала Cs(Tl); V2- скорость его охлаждения;. 1 время его отжига.

Коэффициент поглощения К(см в гголосах излучения Nal(TO и Csl(TI) приведены без учета отражения.

Примечания: Vi- скорость нагрева кристала Na1{TI);V2- скорость его отжига;

fepeMfl его отжига.

.-К

Коэффициент поглощения К(см ) в полосе излучения кристал ла Nal(TI) приведены без учета отражения.

«в

дм т

Таблица 2

.-К

) а о

fiOO 500