Устройство для регистрации рентгеновского и гамма-излучений и способ его изготовления

 

Союз СОВЕТСКИХ

COU1/1AËÈÑÒÈ×ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Г О1 Т 1/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ll0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3910475/24-25 (22) 10.06.85 (46) 23.10.89аБюл. N -39 (71) Физико-технический институт им.А.И.Иоффе (72) А.И.Гаврилюк, А.АеМансуров, А.Х.Разиков, Ф.А,Чудновский и И.Х.Шавер (53) 621.387.424 (088.8) (56) Tubbs М.R. MoO> Layers — Optiса1 Properties, Colour Centeres and

Holographic Recording Physica Status Solidi (а), 1974, 21, р,253-260.

Wagner Н.J. Driessew P., Schverdefeger EPR of Mo in Amorphous

МоОз Thin Films-Хопгпа1 of Non Grystalline Solids, 1979, 34, р. 335-338.

Авторское свидетельство СССР

11р 1151118, кл. G -01 Т 1/08, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к приборам для регистрации рентгеновского и гамма-излучений. Целью изобретения является увеличение чувствительности к регистрируемому излучению. Цель достигается тем, что устройство содержит подложку и пленку триоксида молибдена с адюрбированным на его поверхности диметилформамидом,причем подложка выполнена из слюды толщиной от 50 до 200 мкм, на подложку нанесеИзобретение относится к устройствам для регистрации рентгеновского и гамма-излучений и может быть исЛ0, 3279383 А 1

2 но покрытие из поликристаллического триоксида вольфрама толщиной 0,1

0,5 мкм, толщина пленки 5-100 мкм и поверх пленки триоксида молибдена наносят герметизирующее покрытие, прозрачное в спектральной области от

0,4 до 2,0 мкм, толщиной не менее

10 мкм. Такую структуру получают термическим испарением триоксида вольфрама в вакууме 10 - 10 Торр, нанесением покрытия при температуре подложки 100-200 С со скоростью не боо лее 10 А/с в течение 100-500 с. Затем производят термическую обработку на воздухе при температуре 400-500 С в течение 3-1 0 мин пленку триоксида д

Cl молибдена наносят в парах диметилформамида с даалеиием /6-7/xlfl мм рт.са. Q) со скоростью не более 30 А/с. Герметизирующее покрытие наносят при .тем- С пературе не более 50 С. Использование в качестве материала подложки слюды обусловлено тем, что именно Isaac этот материал удовлетворяет целому Я комплексу требований. Поверх пленки а 1 триоксида вольфрама покрывается гер- цр метизирующее покрытие для защиты уст- © ройства от воздействия атмосферного кислорода. При этом пленки МоОэ должны иметь большую толщину. Предлагаемое изобретение позволяет увеличйть чувствительность пленок Мо0> к рента геновскому и гаммаизлучениям на три порядка. 2 с.п. ф-лы. пользовано в дозиметрии рентгеноскопии, гамма †дефектоскоп и т.п.

1279383

Целью изобретения является увеличение чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучениям.

Использование в качестве материала подложки слюды обусловпено тем, что именно этот материал удовлетворяет целому комплексу требований,выполнение которых диктуется, с одной сто- 10 роны, принципами работы устройства и, с другой стороны, технологией его изготовления:

1) Слюда прозрачна в спектральной области от 0,4 до 2,0 мкм. Именно в этой области спектра индуцируется полоса поглощения в пленках триоксида молибдена под действием рентгеновского и гамма-излучений.

2) Слюда имеет малый эффективный атомный номер 7. . Например, слюда мусковит" с химйческой формулой

К О - А1 0э 6Я О . 2Н О имеет Х вЂ” 12 5. Ограничение по эффективному атомномУ номеРУ 7, эл,ф матеРиала подлож- 25 ки связано с требованием минимизации поглощенной дозы рентгеновского и гамма-излучений в подложке. При малой поглощенной дозе в подложке не индуцируются центры окраски. Для уменьшения поглощенной дозы подложка должна .обладать малым Е фф и малой толщиной. Применение подложк л из слюды толщиной более 200 мкм нежелательно, так как поглощенная в ней доза

35 рентгеновского или гамма-излучений может стать достаточной для образования центров окраски в подложке. Кроме того, при толщине большей 200 мкм за счет возрастания линейного коэффициента ослабления подложка может существенно уменьшить низкознергетическую часть излучения, попадающую в пленку Mo0э со стороны подложки.Подложка толщиной менее 50 мкм обладает плохими механическими свойствами и неудобна технологически. Проведенные эксперименты показали, что даже при экспозиционной дозе 10 Р рентгеновского излучения с энергией 20 кэВ или 10 В для гамма-излучения с энергией 1,25 МэВ оптические параметры слюды указанной толщины в спектральном диапазоне от 0,4 до 2„0 мкм практически не изменяются.

3) Хорошей адгезией к люде обладает пленка триоксида вольфрама,используемая в качестве адгезионного покрытия.

4) Слюда выдерживает термические обработки при температурах 400-500 С, необходимые,цля кристаллизации нанесенной на подложку аморфной пленки триоксида вольфрама, используемой в качестве адгезионного покрытия, Любые органические подложки с малым

l-эфф в д ном устройстве неприменимй, так как подобных термообработок они не выдерживают.

Для защиты, устройства от воздействия атмосферного кислорода поверх пленки МоО наносится герметизирую3 щее покрытие.

При возбуждении поверхности пленки No0 квантами излучения и передаче возбуждения адсорбированным на поверхности молекулам диметилформамида происходит диссоциация молекул адсорбата и отщепление от них атомов водорода, которые, внедряясь в структуру оксид- восстанавливают его. Образование соединений внедрения ХН

МоОЗ приводит. к изменению оптических свойств оксида. Однако, как было экспериментально обнаружено, в присутствии атмосферного кислорода под действием как рентгеновского, так и гамма-излучения протекает и обратная реакция:

Н МоО + О ------ МоО + Н О ь1 х з з z что приводит к исчезновению первоначально образовавшихся центров окраски. Поэтому защита устройства от воздействия атмосферного кислорода является необходимым условием повышения чувствительности устройства.

Однако нанесение герметизирующего покрытия возможно только при низких температурах, близких к комнатной.

При температурах вьппе 50 С наблюдается заметная десорбция и разложение диметилформамида, что приводит к уменьшению чувствительности пленки

NoA к рентгеновскому и гамма-излучениям. В качестве герметизирующего покрытия могут, например, ис.пользоваться различные лаки, прозрачные в спектральном диапазоне 0,4-2,0 мкм.

Нанесение герметизирующего покрытия может, например, осуществляться с помощью центрифугирования. Толщина герм тизирующего покрытия должна быть не менее 10 мкм, так как при меньших толщинах удовлетворительной защиты от действия атмосферного кислорода не достигается, Однако только нане5 12793 сение герметизирующего покрытия толщиной более 10 мкм недостаточно для эффективной изоляции пленки МоО от воздействия кислорода.

Для эффективной изоляции устройS ства по отношению к атмосферному кислороду кроме нанесения герметизирующего покрытия пленки МоОЗ должны иметь большую толщину. С увеличением 10 толщины пленки увеличивается концентрация так называемых закрытых пор, несообщающихся с поверхностью, что приводит к автогерметизации (частичной) внутренних слоев пленок МоО . 15

Кроме того, большая толщина. пленок необходима для того, чтобы во внутренних слоях пленок МООЗ соблюдалось условие электронного равновесия.Для тонких пленок МоО условие электрон- 20

3 ного равновесия не выполняется, и большая часть энергии квантов рентгеновского или гамма-излучения,поглощенных в пленке МоОз, без компенсации уносится фото- и комптоновскими 25 электронами, в то время как в более толстых образцах эти потери, по крайней мере частично, компенсируются энергией, вносимой электронами из внешних слоев пленки. Именно невыпол- 30 нение условия электронного равновесия в тонких пленках No0 делает малоэффективным использование пленок толщиной меньше 5 мкм для регистрации рентгеновского и гамма-излучений. Таким образом, пленки МоО должны обладать большей толщиной. Это тем более верно, поскольку с ростом толщины экспоненциально возрастает число поглощенных квантов излучения, то есть при одной 10 и той же экспозиционной дозе возрастает величина поглощенной дозы рентгеновского и гамма-излучений. Однако, увеличение толщины пленок МоОЗ ограни-. чивается величиной 100 мкм. При толщи-45 нах пленок МоО, превышающих 100 мкм, рост поглощенной дозы рентгеновского и гамма-излучений с толщиной прекращается. В то же время увеличение светорассеяния в толстых (больше 10 мкм) 50 пленках МоО приводит к ухудшению отз ношения сигнал-шум и уменьшению чув-. ствительности устройства.

В реальных условиях трудно изготовить устройство с большой толщиной пленок МоОз. Нанесение пленок МоОз в парах диметилформамида только ухудшает их адгезию к подложке. Адгезия пленок МоО > к подложке ухудшается

83 также, с увеличением толщины. Поэтому без применения дополнительных мер, улучшающих адгезию пленок МоОЗ с захваченными из вакуумной камеры молекулами диметилформамида, можно получить пленки толщиной не более 2—

3 мкм. Для улучшения адгезии пленок

МоОз к подложке и получения больших толщин пленок использовалось специальное адгезионное покрытие из поли-- кристаллического триоксида вольфрама толщиной 0,1-0;5 мкм.

Использование в качестве адгезионного, покрытия поликристаллической пленки триоксида вольфрама также обусловлено целым рядом требований, предъявляемых к материалу адгеэионного покрытия:

1) Прозрачность в спектральном диапазоне от 0,4 до 2,0 мкм, 2) Хорошая адгезия триоксида вольфрама к слюде.

3) Хорошая адгезия к поликристаллической пленке триоксида вольфрама аморфной пленки триокснда молибдена с адсорбированным диметилформамидом.

4) Малый размер кристаллитов в поликристаллической пленке триоксида вольфрама. С увеличением размера кристаллита увеличивается рассеяние света в устройстве, что уменьшает отношение сигнал-шум и ухудшает чувствительность устройства к рентгеновскому и гамма-излучениям, Покрытие толщиной менее 0,1 мкм имеет островковую структуру, что не позволяет использовать его в качестве адгезионного. Покрытие толщиной более 0 5 мкм нежелательно из-эа возрастания рассеяния света в устройстве, что ведет к ухудшению отношения сигнал-шум и уменьшению чувствительности устройства.

Адгезионное покрытие наносится в вакууме не ниже 10 Торр, так как в противном случае пленки получаются менее плотными и обладают худшими адгезионными свойствами. Откачка до вакуума более глубокого, чем 10 Торр лишена смысла, так как при этом плотность нанесенных пленок триоксида вольфрама не увеличивается, а время откачки резко возрастает, При температуре подложки менее 100ОС ухудшается адгезия триоксида вольфрама,к подложке. При температуре подложки более 200 С после термообработки, Heod 1279383 ходимой для кристаллизации нанесенно-. го слоя, возрастает средний размер кристаллита (зерна), что увеличивает светорассеяние в устройстве ухудшаS

5 ет отношение сигнал-шум и, как следствие, чувствительность к рентгеновскому и гамма-излучениям. Скорость нанесения адгезионного покрытия из триоксида вольфрама не превьппает 10 1/с, 10 так как при большей скорости нанесения покрытие получается рыхлым, что ухудшает его адгезионные свойства.

Время нанесения покрытия при скорости нанесения близкой к 1О А/с составляет 100-500 с для получения требуемой

1 толщины. Затем подложка с адгезионным покрытием иэ триоксида вольфрама отжигается на воздухе при температуре 400-500 С в течение 3-10 мин, Кристаллизация пленки триоксида вольфрама необходима для улучшения адгеэии нанесенного покрытия к слюдяной подложке. При температуре отжига менее 400 С не происходит кристалли- 25 зация пленки триоксида вольфрама,что приводит к ухудшению адгезии к нему рабочего слоя МоО с адсорбированным диметилформамйдом. При температуре отжига вьппе 500 С увеличивается 30 средний размер кристаллита триоксида вольфрама, что увеличивает светорассеяние и ухудшает отношение сигналшум. Этими же факторами определяются пределы по времени отжига.

Скорость нанесения пленки Мо0 > не о должна превышать 30 А/с при давлении

Паров диметилформамида в вакуумной камере во время препарирования пленки (6-7)-10 мм рт.ст. При скоростях нанесения пленки больших 30 A/с уменьшается концентрация диметилформамида, захватываемого в пленку МоОЗ при напылении. Это, в свою очередь, ухудшает автогерметизацию полученной 45 пленки No0> от действия атмосферного кислорода, так как и диметилформамид, .и продукты его диссоциации при большой концентрации также могут играть роль герметика, затрудняя доступ киспорода к поверхности пленок No03 .

Автогерметизация устройства,достигаемая нанесением пленки Мо0э со скоростью, необходимой для достижения максимальной концентрации захваченного в пленку диметилформамида, 55 получением пленок МоО э большой толщины (чему способствует адгезионное покрытие .из триоксида вольфрама), имеющих большую концентрацию внутренних пор, не сообщающихся с поверхностью, а также последующая герметизация рабочей пленки МоОЗ приводит к новому свойству: устройство защищается от неблагоприятного воздействия атмосферного кислорода, приводящего к исчезновению (окислению) центров окраски, образующихся в триоксиде молибдена.

Кроме того, получение пленок МоО большой толщины позволяет по крайней мере частично выполнить условие электронного равновесия для внутренних слоев пленки Мо0э.

Минимальная регистрируемая доза в предложенном устройстве, изготовленном по предложенному способу,составляет 10 Р и 3 -10 P для рентге4 новского и гамма-излучений соответственно. Таким образом, по сравнению с прототипом, величина минимальной регистрируемой экспозиционной дозы уменьшена на три порядка. !

Регистрация дозы рентгеновского и гамма-излучений производится при помощи спектрофотометра по изменению оптической плотности в диапазоне

0,4-2,0 мкм, Длина волны соответствует максимуму индуцированной полосы поглощения — 0,83 мкм. Минимальная регистрируемая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения определялась как доза, вызывающая увеличение оптической плотности Д Д в два раза больше, чем начальная оптическая плотность устройства на длине волны, соответствующей максимуму индуцированной полосы поглощения, I

Пример 1 (по известному устройству). Устройство представляет собой стеклянную подложку, на которую нанесена пленка МоОз толщиной

1,5 мкм с адсорбированным на ее поверхности диметилформамидом, полученная напылением на подложку при 20 С при давлении паров диметилформамида в вакуумной камере (6-7) "10 мм рт.ст. при скорости осаждения пленки МоО з о

50 А/с. Минимальная регистрируемая

-экспозиционная доза рентгеновского излучения составляла 10 P гамма-излучения — -3 ° 108 P.

Пример 2. Параметры устройства:

1. Толщина подложки иэ слюды

10 мкм.

1279383

2. Толщина адгезионного покрытия из поликристаллического триоксида вольфрама 0,3 мкм.

3. Толщина пленки МоОз 15 мкм.

4. Толщина герметиэирующего покры5 тия из лака типа цапон 20 мкм.

Технологический режим при получении устройства:

1. Вакуум при нанесении покрытия из триоксида вольфрама 8 10 Торр.

2. Температура подложки при нанесении покрытия из триоксида вольфрама 150 С, 3. Скорость нанесения триоксида вольфрама 10 R/ñ.

4. Время нанесения 300 с, 5. Температура обработки покрытия из триоксида вольфрама 450 Г.

6. Время термообработки покрытия

20 из триоксида вольфрама 6 мин.

7. Давление паров диметилформамида в вакуумной камере при нанесении пленки МоО (6-7) ° 10 мм рт.ст.

8. Температура подложки при нане- 25 сении пленки NoO 20 C.

9. Скорость нанесения пленки No0

15 1/с.

1 О. Температура при нанесении герметиэирующего покрытия из лака типа цапон 20 Г, !

1. Герметизирующее покрытие наносится центрифугированием лака цапон со скоростью вращения центрифуги

3000 об/мин в течение 10 мин.

Минимальная регистрируемая доза

4 рентгеновского излучения — 10 Р, гамма-излучения — 3 1О Р, 5

Пример 3. Толщина пленки

МоΠ— 10 мкм. Остальные параметры устройства как в примере N - 2.

Устройство получено при технологическом режиме примера 2.

Минимальная регистрируемая экспозиционная доза рентгеновского излучения — 10 Р, гамма-излучения — 3 10 P.

5 6

Пример 4. Толщина пленки

No0 — 6 мкм. Остальные параметры устройства как в примере Р 2.

Устройство получено при.технологи50 ческом режиме примера 2.

Минимальная экспозиционная регистрируемая доза рентгеновского излучения — 10 P гамма-излучения — 34

Ф

<10 Р, Пример 5. Толщина герметизи55 рующего покрытия из лака типа цапон — 10 мкм. Остальные параметры устройства как в примере 2.

Устройство получено при технологи..ческом режиме примера 2.

Минимальная регистрируемая экспозиционная доза рентгеновского излучения — ? ° 10 Р, гамма-излучения

610 Р

Предлагаемое изобретение позволяет увеличить чувствительность пленок

Мо0 к рентгеновскому и гамма-излу3 чениям на три порядка, что благодаря важнейшему преимуществу этого материала (широкий диапазон регистрируемых доз 10 — 1О P) делает перспективными предложенное устройство для использования в радиобиологической технологии, радиационной стерилизации, радиационно-технологических процессах, Формула изобретения

1. Устройство для регистрации рентгеновского и гамма-излучений, содержащее подложку и пленку трпоксида молибдена с адсорбированным на его поверхности диметилформамидом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью увеличения чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучениям, подложка выполнена из слюды толщиной от 50 до 200 мкм, на подложку нанесено покрытие иэ поликристаллического триоксида вольфрама толщиной 0,1

0,5 мкм, -олщина пленки триоксида молибдена составляет 5-100 мкм и поверх. пленки триоксида молибдена нанесено герметизирующее покрытие, прозрачное в спектральной области от 0,4 до 2,0 мкм, толщиной не менее 10 мкм.

2, Способ изготовления устройства для регистрации рентгеновского и гамма-излучений путем создания в вакуумной камере давления паров диме-4 тилформамида (6-7) 10 мм рт.ст. и напыления на подложку при температуре 20-50 Г пленки триоксида молибдена, отличающийся тем,что, с целью увеличения чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучениям, на подложку из слюды термическим испарением триоксида вольфрама в вакууме 10 — 10 Торр наносят покры-6 тие при температуре подложки 100—

200 С со скоростью нанесения не более 10 А/с в течение 100-500 с затем производят термическую обработку на воздухе при температуре 400—

l 279383

Составитель С. Кондратенко

Техред А.Кравчук Корректор А.Обручар

Редактор М.Кузнецова

Заказ 6883 Тираж 483 Подписное

BHfggIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

500ОС в течение 3-10 мин, нанесение пленки триоксида молибдена производят со скоростью не более 30 3/с,наt несение герметизирующего покрытия производят при температуре не более

50 С.