Оптический керамический материал на основе фторида кальция

 

Использование: для устройств ИК-техники и сцинтилляционного детектирования ионизирующих излучений, преимущественно электронов, β частиц и гамма-квантов с энергией до 100 кэВ. Сущность изобретения: материал на основе фторида кальция, содержащий двухвалентные ионы европия в количестве не более 0,5 моль%. Характеристика: интегральная прозрачность слоя толщиной 3 мм в области спектра 0,8 - 9 мкм - 83 - 84%.

Изобретение относится к материалам функциональных элементов устройств ИК-техники и сцинтилляционного детектирования ионизирующих излучений, преимущественно электронов, β -частиц и гамма-квантов энергией до 100 кэВ.

Решение актуальных проблем охраны окружающей среды невозможно без создания нового поколения спектрофотометрической и радиометрической аппаратуры. Для обеспечения элементной базы такой аппаратуры представляется необходимым использовать функциональные керамические материалы, в том числе сочетающие высокую прозрачность в инфро-красной области спектра со сцинтилляционными свойствами при воздействии ионизирующего излучения.

Для сцинтилляционного детектирования ионизирующих излучений предложены керамические материалы на основе оксида металла [1] Эти материалы состоят из оксида иттрия-гадолиния с добавкой ионов какого-либо редкоземельного металла в количестве 0,1 мас. Вместе с тем известно [2 и 3] что в инфракрасной области спектра интегральная прозрачность керамических оксидов металлов сравнительно низкая, поэтому во многих случаях материалы на основе оксида металла непригодны для входных окон, линз и подложек интерференционных фильтров устройств ИК-техники.

Высокой интегральной прозрачностью в инфракрасной области спектра обладает оптический керамический материал из фторида кальция (4). Слой такого материала толщиной 3 мм пропускает ≈ 85% излучения в области длин волн от 0,8 мкм до 9 мкм. Этот материал используется для изготовления входных окон, линз и подложек интерференционных фильтров устройств ИК-техники. Но керамика из фторида кальция не обладает сцинтилляционными свойствами, поэтому не может использоваться для сцинтилляционного детектирования ионизирующих излучений.

Цель изобретения обеспечение сцинтиляционных свойств в оптическом керамическом материале на основе фторида кальция при сохранении высокой прозрачности в инфракрасной области спектра.

Цель достигается тем, что оптический керамический материал на основе фторида кальция содержит двухвалентные ионы европия в количестве не более 0,5 моль.

Оказалось, что в предлагаемом материале ионы Еu²⁺ находятся не на границах зерен, а в кристаллической решетке фторида кальция в отличие от наблюдаемого во многих других керамических материалах с добавками. Установлено также, что предлагаемый материал сравнительно слабо поглощает излучение радиационно стимулируемых сцинтилляций, и в таком материале практически отсутствует дополнительное поглощение в инфракрасной области спектра по сравнению с известным оптическим керамическим материалом из фторида кальция.

Сочетание указанных свойств в предлагаемом материале приводит к тому, что в соответствии с поставленной целью, обеспечиваются радиационно стимулируемые сцинтилляции при сохранении высокой прозрачности в инфракрасной области спектра, т. е. наряду с высокой прозрачностью материал приобретает сцинтилляционные свойства. Положительный эффект наблюдается только при наличии во фториде кальция двухвалентных ионов европия в количестве не более 0,5 моль. Если взят фторид кальция с добавкой ионов Еu²⁺ в количестве более 0,5 моль. то сцинтилляционные и оптические характеристики керамического материала ухудшаются. Вышеуказанное иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Оптический керамический материал представляет собой твердое тело в форме диска диаметром 20 мм из СаF₂ 0,5 моль. Еu²⁺, полученное путем спекания на воздухе порошка СаF₂ 0,5 моль. Еu²⁺ при 800^оС под одноосным давлением 245 МПа в течение 30 мин. Исходят из того, что порошок приготовлен путем размалывания кристаллизата после быстрого охлаждения расплава смеси фторида кальция и фторида европия в атмосфере фторсодержащего газа. Интегральная прозрачность слоя материала толщиной 3 мм составляет в области спектра 0,8-9 мкм примерно 83% (±2%) т.е. аналогично известному оптическому керамическому материалу из фторида кальция. Наряду с этим предлагаемый материал обладает сцинтилляционными свойствами: в процессе облучения электронами с энергией ≈ 63-85 кэВ от источника конверсионных электронов 109 Сd образец толщиной 2 мм в паре с фотоумножителем типа ФЭУ-37 работает, как счетчик до загрузки не менее 10⁵ электрон/с со световым выходом ≈ 20 фотон/кэ В (использованный фотоумножитель имеет квантовую чувствительность 80 мкА/лм и энергетический эквивалент собственных шумов ≈ 1 кэВ). Наряду с указанным выше предлагаемый материал обладает радиационной стойкостью прозрачности и в ИК-области спектра до флюэнса ≈ 5˙10¹⁶ электрон/см².

П р и м е р 2. Оптический керамический материал представляет собой твердое тело в форме диска диаметром 20 мм из СаF₂ 0,4 моль. Еu²⁺ полученное путем спекания на воздухе порошка СаF₂ 0,4 моль. Еu²⁺ при 780^оС под давлением 295 Мпа в течение 40 мин. Исходный порошок приготовлен аналогично указанному в примере 1.

Интегральная прозрачность слоя материала толщиной 3 мм составляет в области спектра 0,8-9 мкм примерно 84+2% и не уменьшается после облучения гамма-квантами от источника 60 Со флюэнсом ≈ 5˙10¹⁶ квант/см². В процессе облучения гамма-квантами с энергией ≈ 6 кэВ от источника 55 Fe образец предлагаемого материала толщиной 0,5 мм в паре с фотоумножителем ФЭУ-37 работает как счетчик до загрузки не менее 10⁵ квант (с со световым выходом (19+2) фотон/кэВ.

П р и м е р 3. Оптический керамический материал представляет собой твердое тело в форме диска диаметром 20 мм из СаF₂ 0,4 моль. Еu²⁺, полученное аналогично примеру 2. Интегральная прозрачность материала в инфракрасной области спектра и радиационная стойкость не отличаются в пределах погрешностей измерений от указанных в примерах 1 и 2. В процессе облучения электронами с энергией ≈ 22 КэВ от источника конверсионных электронов 109 Сd образец материала толщиной 2 мм в паре с фотоумножителем ФЭУ-37 работает как счетчик до загрузки не менее 10⁵ электрон/с со световым выходом (18+2) фотон/кэВ.

П р и м е р 4. Оптический керамический материал представляет собой твердое тело в форме диска диаметром 20 мм из СаF₂ 0,5 моль. Еu²⁺, полученное аналогично примеру 1. Интегральная прозрачность материала в инфракрасной области спектра и радиационная стойкость не отличаются в пределах погрешностей измеpений от указанных в примерах 1 и 2. В процессе облучения электронами и гамма-квантами с энергией выше 100 кэВ образцы материала толщиной от 0,5 до 4 мм проявляют сцинтилляционные свойства, но регистрируется не более половины квантов (электронов). Это обусловлено недостаточной толщиной слоя материала. Образцы толщиной 4-10 мм также проявляют сцинтилляционные свойства, но световой выход составляет менее 15 фотон/кэВ. Это обусловлено рассеянием излучаемого света ( λ_max= 0,435 мкм) на дефектах структуры керамики макроскопических включениях примесных фаз, особенно на порах.

П р и м е р 5. Оптический керамический материал представляет собой твердое тело в форме диска диаметром 20 мм из СаF₂ 0,6 моль. Еu²⁺, полученное путем спекания на воздухе порошка СаF₂ 0,6 моль. Еu²⁺ при 800^оС под одноосным давлением 245 МПа в течение 30 мин. Исходный порошок приготовлен аналогично указанному в примере 1.

Интегральная прозрачность слоя керамического материала толщиной 3 мм составляет в области спектра 0,8-9 мкм примерно 70% (±2%), т.е. меньше, чем у материала по примерам 1 и 3. В процессе облучения электронами с энергией 63-85 кэВ от источника конверсионных электронов 109 С образец толщиной 2 мм в паре с фотоумножителем ФЭУ-37 работает как счетчик, но световой выход равен ≈ 10 фотон/кэВ, т.е. меньше, чем у материала по примерам 1 и 3. Таким образом, оптические сцитилляционные характеристики материала, содержащего свыше 0,5 моль. двухвалентных ионов европия, значительно хуже, чем у материала с заявляемым содержанием добавки.

Приведенные примеры показывают, что предлагаемый материал пригоден для изготовления сцинтилляционных датчиков детекторов ионизирующих излучений преимущественно с энергией до 100 кэВ, а также для изготовления входных окон, линз и подложек интерференционных фильтров устройств ИК-техники с рабочим спектральным диапазоном от 0,8 мкм до 9 мкм. Сочетание указанных свойств в одном материале позволяет расширить функциональные возможности спектрофотометрической и радиометрической аппаратуры для решения народно-хозяйственных задач и для научных исследований. В частности, возможно создание комбинированных с радиометрами тепловизоров, ИК-газоанализаторов, дистанционных пирометров и других устройств ИК-техники.

Формула изобретения

ОПТИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ФТОРИДА КАЛЬЦИЯ, отличающийся тем, что он дополнительно содержит двухвалентные ионы европия в количестве не более 0,5 мол.