Кристаллический сцинтиллятор лия-2

 

Использование: для регистрации частиц от ускорителей и радиоактивных источников. Сущность изобретения: сцинтиллятор состоит из галогенидов серебра и таллия в соотношении (% весовые): хлорид серебра 22,00-27,00, бромид серебра 77,98-72,499, иодид серебра 0,010-0,500, ион таллия 0,010-0,001. Технический результат: негигроскопичный кристаллический неорганический сцинтиллятор, обладающий временем разрешения не хуже 20 нс и световыходом 50-60% от стильбена. 1 ил.

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, а конкретно к неорганическим кристаллическим сцинтилляторам, в которых под действием ионизирующих излучений возникают световые вспышки сцинтилляции.

Кристаллические сцинтилляторы характеризуют следующие свойства: длина волны (λ_макс.), которая соответствует максимуму спектра люминесценции; широкий диапазон прозрачности сцинтиллятора; время высвечивания (τ); плотность; эффективный атомный номер (Z_эфф.); рабочая температура; показатель преломления.

Основными свойствами сцинтилляторов являются также негигроскопичность, нетоксичность, пластичность и прозрачность для собственного свечения.

Известны кристаллические органические сцинтилляторы (КОС) антрацен, трансстильбен, толан и другие [1] КОС имеют невысокую плотность от 1,16 до 1,25 и малую величину Z_эфф., а чем больше величина этих характеристик, тем выше вероятность взаимодействия ионизирующих частиц с веществом сцинтиллятора. КОС характеризует низкая температура плавления, поэтому интервал рабочей температуры у них ограничен.

Но КОС обладают преимуществами перед неорганическими кристаллическими сцинтилляторами по времени высвечивания, которое, например, у трансстильбена 4-8 нс, в то время как у лучшего неорганического сцинтиллятора иодистого натрия (NaI-Tl) 210 нм. Малая величина τ дает преимущества в измерительных устройствах, например, по временному разрешению детекторов.

Наиболее близким техническим решением являются кристаллические неорганические сцинтилляторы (КНС) типа NaI-Tl, CsI-Tl [2] которые обладают высокой плотностью 3,67 г/см³ и 4,51 г/см³, большой величиной Z_эфф. 50 и 54, а также широким рабочим температурным диапазоном ввиду высокой температуры плавления у этих материалов. КНС обладают также высоким световым выходом.

Недостатками КНС является большое время высвечивания 210 и 700 нс соответственно, а также высокая гигроскопичность, кроме того, некоторые из них высокотоксичны. Применение их в атмосферных условиях без специальной защиты невозможно.

Задачей изобретения является получение негигроскопичных, нетоксичных, пластичных кристаллических неорганических сцинтилляторов, характеризующихся малым временем высвечивания, высокой прозрачностью в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, более высокой плотностью и эффективным атомным зарядом.

КНС должны быть пластины с целью изготовления из них волоконно-оптических сцинтиляционных устройств, например трековых детекторов.

Поставленная задача решается за счет того, что неорганический сцинтиллятор содержит галогенид серебра и таллия при следующем соотношении ингредиентов (весовые): хлорид серебра 22,000-27,000 бромид серебра 77,980-72,499 иодид серебра 0,010-0,500 галогенид таллия 0,010-0,001 Новые кристаллы обладают следующими свойствами: 1. Негигроскопичны, растворимость в воде при 25^oC 0,178 ·10^-3 г/см³, т. е. практически не растворимы.

2. Нетоксичны и имеют высокую пластичность. Методом экструзии получают из них гибкие и прочные на разрыв световоды.

3. Небольшое время высвечивания менее 20 нс сравнимо с временем кристаллических органических сцинтилляторов.

4. Высокая плотность кристаллов 6,4 г/см³.

5. Эффективный атомный номер Z_эфф. 42,6-42,7.

6. Широкий диапазон пропускания от 0,4 до 40 мкм.

7. Максимум спектра свечения 400 нм.

8. Световыход a-сцинтилляций плутоний-239 составляет 50-60% относительно световыхода стильбена.

9. Показатель преломления 2,2.

Сущность изобретения состоит в том, что известные кристаллы на основе AgCl-AgBr, применяемые в волоконной оптике и ИК-технике, содержат дополнительно иодид серебра в количестве 0,010-0,500 вес. и ионы таллия в количестве 0,010-0,001 вес. Наличие в указанных кристаллах иодида серебра и ионов таллия на уровне примеси придают кристаллам сцинтилляционные свойства (см. примеры 1-3).

При увеличении содержания иодида серебра в кристаллах более 0,5% весовых (см. пример 4) ухудшаются оптические свойства кристаллов. Такое же явление наблюдается при увеличении ионов таллия выше 0,01% вес. (см. пример 5). Кристаллы вырастают неоднородными по составу, блочными, резко понижается прозрачность, особенно в видимой области спектра. Под действием ионизирующих излучений кристаллы разлагаются.

При уменьшении в кристаллах иодида серебра менее 0,01 вес. (см. пример 6) и ионов таллия менее 0,001% вес. (см. пример 7) сцинтилляционные свойства отсутствуют или неудовлетворительны.

Следует отметить, что таллий определяется в кристаллах химикоспектральным методом как примесь, а в кристаллах может находиться в виде любого галогенида. Поэтому в составе указывается ион таллия.

Пример 1 Методом Стокбаргера вырастили кристалл, содержащий в весовых хлорид серебра 22,00 бромид серебра 77,98
иодид серебра 0,01
ион таллия 0,01
После оптической обработки кристалла определили световыход сцинтилляций при альфа-возбуждении (плутоний-239) на аттестованной установке, согласно ГОСТам. Световыход сцинтилляций составлял 60% от стильбена.

Спектр рентгенолюминесценции определяли на установке АСНИ. Возбуждение от аппарата УРС-1,0, катод медный, напряжение 40 кВ, ток 10 мА. Максимум спектра люминесценции составил 400 нм, полуширина 90 нм (рис. 1).

Для выявления узких полос поглощения проведены измерения среднего участия спектра (аппаратное разрешение 2 нм). Таковых не обнаружено.

Время высвечивания определили осциллографическим методом при возбуждении электронным пучком (150 кэВ, 10 нс). При этом длительность импульса составляла менее 20 нс это предельное временное разрешение метода.

Полученные сцинтилляторы имеют однородную структуру, широкий диапазон прозрачности от 0,4 до 40 мкм. Они негигроскопичны (растворимость в воде при 25^oC 1,178·10^-3 г/дм³), нетоксичны и пластичны. Плотность сцинтилляторов 6,4 г/см³, Z_эфф. 42,6; показатель преломления 2,2.

Однородность сцинтиллятора по составу определяли следующими методами:
лазерная калориметрия, анализировали коэффициент объемного поглощения на длинах волн СО и СО₂-лазеров. Он составляет (3^oC5)10^-5 cм^-1, что свидетельствует о высокой чистоте и однородности кристаллического неорганического сцинтиллятора;
рентгено-спектральным и титриметрическим методами анализировали химсостав по высоте и ширине КНС;
химико-спектральным методом анализировали примеси: железо, медь, никель, марганец, титан, олово, свинец, магний, алюминий и др. Содержание их в образцах менее 10^-5oC10^-6% вес. (чувствительность метода). Этот показатель также свидетельствует о высокой однородности и чистоте сцинтилляторов.

Пример 2
Вырастили кристалл состава в весовых
хлорид серебра 25,00
бромид серебра 74,69
иодид серебра 0,305
ион таллия 0,005
Кристалл оптически обработали и все измерения провели как в примере 1.

Световыход сцинтилляций составил 50% от стильбена, длительность импульса менее 20 нс. Максимум спектра люминесценции 400 нм, полуширина 90 нм (см. чертеж). Z_эфф. 42,6.

Кристаллы нетоксичны, негигроскопичны и высокопластичны. Спектр пропускания, растворимость, плотность, показатель преломления как в примере 1.

Пример 3
Вырастили кристалл состава в вес.

хлорид серебра 27,00
бромид серебра 72,499
иодид серебра 0,500
ион таллия 0,001
Все измерения провели как в примере 1.

Световыход сцинтилляций 55% от стильбена, длительность импульса менее 20 нс, максимум спектра люминесценции 400 нм (см. чертеж) при широком диапазоне прозрачности сцинтиллятора от 0,4 до 40 мкм. Z_эфф. 42,7.

Все остальные характеристики как в примере 1.

Пример 4
Вырастили кристалл состава в вес.

хлорид серебра 25,00
бромид серебра 74,20
иодид серебра 0,79
ион таллия 0,01
Кристалл вырос блочным и неоднородным по составу. Обработку его и измерения провели как в примере 1.

Световыход сцинтилляций составил менее 10% от стильбена, т.е. кристалл обладает неудовлетворительными сцинтилляционными свойствами и под действием ионизирующего излучения "темнеет" и разлагается с выделением серебра, окисных соединений серебра. Резко понижаются оптические свойства, т.е. его прозрачность.

Пример 5
Вырастили кристалл состава в вес.

хлорид серебра 25,00
бромид серебра 74,57
иодид серебра 0,40
ион таллия 0,03
Кристалл вырос блочным, неоднородным по составу, под действием излучений разлагается, теряя оптические свойства.

Световыход сцинтилляций менее 5% от стильбена.

Пример 6
Вырастили кристалл состава в вес.

хлорид серебра 25,00
бромид серебра 74,990
иодид серебра 0,005
ион таллия 0,005
После оптической обработки кристалла определили коэффициент объемного поглощения на длинах волн CO и СO₂-лазеров, который равен 5 10^-5 см^-1, что свидетельствует о высокой чистоте и однородности кристалла. Химико-спектральным методом определили примесный состав менее 10^-5oC10^-6 вес. Рентгеноспектральным методом проанализировали кристалл на химсостав по высоте и ширине кристалла. Кристалл однороден. Плотность его 6,4 г/см³, п=2,2, Z_эфф. 42,6.

Световыход сцинтилляций составил менее 10% от стильбена, т.е. кристалл обладает неудовлетворительными сцинтилляционными свойствами.

Пример 7
По методу Стокбаргера вырастили кристалл состава в весовых
хлорид серебра 25,0000
бромид серебра 74,9945
иодид серебра 0,005
ион таллия 0,0005
Кристалл вырос чистым, однородным по высоте и ширине, имеет характеристики как в примере 6.

Световыход сцинтилляций менее 5%
Заявленному веществу присвоено авторское наименование ЛИЯ-2.

Формула изобретения

Кристаллический сцинтиллятор, включающий галогениды таллия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит галогениды серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Хлорид серебра 22 27
Бромид серебра 77,980 72,499
Иодид серебра 0,01 0,50
Галогенид таллия 0,010 0,001

РИСУНКИ

Рисунок 1