Способ восстановления оптической прозрачности конденсированных сред

 

Изобретение относится к технологии конструирования и изготовления радиолюминесцентных излучателей (РЛИ) на основе твердых конденсированных сред. Может найти применение в лазерных устройствах с ядерной накачкой. Сущность изобретения: способ основан на совместном одновременном проведении фото- и термоотжига радиационных дефектов, возникающих в сцинтиллирующих и несцинтиллирующих оптически прозрачных средах при их взаимодействии с радиационным излучением. При этом длину волны λ фотонов, осуществляющих фотоотжиг, выбирают исходя из минимальных потерь в данной исходной среде, а нагрев среды осуществляют до температуры T_н= C(λ)T_ф.п. , где C(λ) - константа для данной среды, выбираемая эмпирически минимизацией удельной мощности фотонов фотоотжига и температуры фотоотжига, а Т_ф.п. - температура фазового перехода среды. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологии конструирования и изготовления радиолюминесцентных излучателей (РЛИ) на основе твердых конденсированных сред. Может найти применение в лазерных устройствах с ядерной накачкой.

Существующие РЛИ имеют световую мощность около 10^-3 Вт. Ограничение световой мощности РЛИ, изготавливаемых на основе кондесированных сред, в существенной степени связано с помутнением (окрашиванием) сцинтиллирующих и светопроводящих сред из-за воздействия на них радиоизлучений. Возможность заметного увеличения световой мощности РЛИ, например, за счет использования высокоинтенсивных радионуклидов, невозможно без существенного увеличения радиационной стойкости сцинтиллирующих и светопроводящих, а точнее восстановления или "самовосстановления" сцинтиллирующих и светопроводящих сред при уровнях облучения D >> 100 рад для неорганических сред и D >> 1000 рад для органических сред с обеспечением ресурса в несколько месяцев или лет. Проблема восстановления оптической прозрачности существует и в лазерных устройствах с ядерной накачкой.

В настоящее время наиболее распространенными способами восстановления свойств оптически прозрачных сред являются термоотжиг радиационных дефектов [1, с. 157-162] фотоотжиг радиационных дефектов [2, с. 43, п. 4; 3, с. 71-72, табл.6] Экспериментально установлено, что термоотжиг наиболее эффективен вблизи температур фазовых переходов. Например, вблизи перехода из твердого агрегатного состояния в жидкое при температурах отличающихся от Т_пл. на несколько процентов или долей процентов, практически отсутствует образование и накопление радиационных дефектов при поглощенных дозах в десятки и сотни Мрад. Однако такой способ восстановления или поддержания оптической прозрачности неприемлем, так как даже при сохранении средой физико-химических свойств вблизи температуры плавления трудно обеспечить выполнение технических требований, закладываемых в характеристики узлов, в которых данная среда является одним из рабочих компонентов.

Более перспективным является фотоотжиг. Но для его осуществления как при использовании внешнего источника оптических фотонов, так и при использовании собственного светового излучения в случае сцинтиллирующих сред необходимы значительные уровни удельной мощности оптических фотонов [3, с.71-72] Например, для монокристаллов CsI(Tl) бездефектный режим достигается при удельной мощности потока фотонов собственных сцинтилляций W_ф.п > 10³ Вт·см^-2. Обеспечить приведенные значения плотностей потоков световой энергии задача трудновыполнимая.

В результате экспериментальных исследований по термо- и фотоотжигу на органических и неорганических средах (монокристаллы NaI(Tl), CsI(Tl), стильбен, пластические сцинтилляторы, оптические стекла) авторами обнаружено, что если в процессе фотоотжига сред, прозрачных к оптическому излучению, одновременно подвергать среды частичному нагреву и проводить процесс при оптимизированных параметрах, то эффективность фотоотжига возрастает и бездефектный режим наступает при значениях W_ф.п на 3-4 десятичных порядка меньше приведенных выше. Оптимизация параметров процесса заключается в выборе длины волны λ облучающих фотонов, при которой они имеют минимальные потери в данной исходной среде, и экспериментальное определение параметра C(λ) определяющего значение температуры нагрева среды, при которой требуется минимальный поток фотонов для осуществления процесса восстановления прозрачности и минимальная (или допустимая) температура термоотжига. Например, для облучающих фотонов видимого диапазона получены следующие значения температуры нагрева среды Т_н (в градусах Кельвина): для органических соединений Т_н=(0,7-0,75)Т_ф.п.; для неорганических соединений Т_н=(0,45-0,50)Т_ф.п.; где Т_ф.п. температура фазового перехода среды.

В этом случае для сред из органических и неорганических соединений соответственно.

Предлагается способ восстановления оптической прозрачности подвергаемых воздействию радиационных излучений твердых конденсированных сред, сцинтиллирующих или несцинтиллирующих в результате взаимодействия с радиационными излучениями, включающий облучение указанных сред фотонами оптического диапазона (фотоотжиг радиационных дефектов) или термический нагрев (термоотжиг радиационных дефектов), отличающийся тем, что фотоотжиг и термоотжиг указанных сред совмещают и производят одновременно, причем длину волны λ в облучающих среду фотонов выбирают исходя из минимальных потерь в данной исходной среде, а нагрев среды осуществляют до температуры T_н= C(λ)T_ф.п. где C(λ) константа для данной среды, выбираемая эмпирически минимизацией интенсивности облучающих фотонов и термоотжига, а Т_ф.п. температура фазового перехода среды.

При облучении среды фотонами видимого диапазона нагрев среды осуществляют до температуры Т_н=(0,7-0,75)Т_ф.п. в случае среды из органических соединений и Т_ф.п.=(0,45-0,50)Т_ф.п. в случае среды из неорганических соединений.

Совместный одновременный фото- и термоотжиг, т.е. восстановление прозрачности среды, можно проводить как во время воздействия на нее радиационного облучения, так и после.

Именно проведение совместно и одновременно фото- и термоотжига среды при параметрах, оптимизированных указанным выше образом, позволяет восстановить ее оптическую прозрачность при легко осуществимых интенсивностях потока оптических фотонов и приемлемых температурах нагрева среды.

Пример. Восстановление оптической прозрачности осуществляется на органических и неорганических средах: монокристаллы NaI(Tl), CsI(Tl), стильбен, пластические сцинтилляторы, оптические стекла. Термо- и фотоотжиг производились синхронно с процессом радиационного воздействия на исследуемые среды. Для фотоотжига сцинтиллирующих сред использовали их собственное излучение, возникающее в результате взаимодействия с гамма-квантами и электронами; для несцинтиллирующих лазерное излучение на длине волны λ 441 нм.

При использовании термоотжига раздельно от фотоотжига отсутствие образования и накопления радиационных дефектов (оптическая прозрачность) при поглощенных средой дозах в десятки и сотни Мрад обеспечивается при нагреве перечисленных выше сред до температуры, близкой к Т_ф.п..

При осуществлении фотоотжига без термоотжига необходимы значительные уровни удельной мощности потоков оптических фотонов. Для монокристаллов Cs(Tl) и Na(Tl) при облучении потоком электронов Ф_е-=5·10¹² см^-2·с^-1 с энергией Е₀= 27 МэВ бездефектный режим достигается при удельной мощности потока фотонов собственных сцинтилляций W_ф.п. >> 10³ Вт·см^-2. Более низкие значения W_ф.п. были получены при воздействии на оптическое стекло W_ф.п. ≈ 100 Вт·см^-2. При совместном одновременном осуществлении фото- и термоотжига для бездефектного режима потребовалось нагревать среды до температур Т_н значительно меньших Т_ф.п.. Так монокристалл NaI(Tl), имеющий Т_ф.п.=Т_пл=650^oC, нагревали до Т_н= 150^oC, при этом удельная мощность потока оптических фотонов собственных сцинтилляций составляла лишь W_ф.п.=0,4-0,5 Вт·см^-2. Такая мощность достигается при плотности потока тормозных гамма-квантов Ф=3·10¹³ см^-2·с^-1 со средней энергией гамма-квантов Е=9-10 МэВ. Аналогичные результаты получены и для CsI(Tl), для которого Т_пл=621^oC.

Сцинтилляционные, оптические и физические свойства кристаллов оставались неизменными вплоть до уровня поглощенных доз D в десятки Мрад.

Аналогичные результаты были получены при проведении одновременного фото- и термоотжига сред после воздействия на них радиационного излучения.

Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа существенно снижаются значения параметров (мощности потока фотонов и температуры нагрева среды), обеспечивающие восстановление оптической прозрачности твердых конденсированных сред. Так удельная мощность оптических фотонов для осуществления фотоотжига снижается на 3-4 десятичных порядка, а температура нагрева среды значительно ниже ее температуры плавления.

Это, в свою очередь, создает предпосылки создания РЛИ оптического диапазона с мощностью свечения, эквивалентной электрическим источникам света, имеющим электрическую мощность в единицы и десятки кВт с ресурсом, исчисляемым годами.

Формула изобретения

1. Способ восстановления оптической прозрачности подвергаемых воздействию радиационных излучений твердых конденсированных сред, сцинтиллирующих и несцинтиллирующих в результате взаимодействия с радиационными излучениями, включающий облучение указанных сред фотонами оптического диапазона (фотоотжиг радиационных дефектов) и их термический нагрев (термоотжиг радиационных дефектов), отличающийся тем, что фотоотжиг и термоотжиг восстанавливаемой среды совмещают и производят одновременно, причем длину волны λ облучающих среду фотонов выбирают, исходя из минимальных потерь в данной исходной среде, а нагрев среды осуществляют до температуры T_н= C(λ)T_ф.п., где C(λ) - константа для данной среды, выбираемая эмпирически минимизацией удельной мощности облучающих фотонов и температуры фотоотжига, а T_ф.п. температура фазового перехода данной среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при облучении среды фотонами видимого диапазона нагрев среды производят до температуры T_н (0,70 - 0,75) T_ф.п. в случае среды органических соединений и T_н (0,45 0,50) T_ф.п. в случае среды из неорганических соединений.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что совместный одновременный фотоотжиг и термоотжиг восстанавливаемой среды производят либо во время, либо после воздействия на нее радиационного излучения.