Неорганический сцинтиллятор

 

Использование: регистрация альфа- и нейтронного излучения. Сущность: применение кристаллов LiKSO₄-Cu²⁺ в качестве неорганического сцинтиллятора. Технический результат: обеспечение выполнения метрологических требований для индивидуальной дозиметрии, высокая химическая стойкость (негигроскопичность), избирательность к альфа-излучению и нейтронному излучению на фоне гамма-излучения.

Изобретение относится к области регистрации альфа- и нейтронного излучений и пригодно для использования в комплексах и системах радиоэкологического мониторинга для установления зон радиационного загрязнения, а также для целей персональной дозиметрии.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристаллов LiI-Eu [1], пригодный для регистрации нейтронов. Однако этот известный сцинтиллятор с максимумом спектра свечения 480 нм обладает низкой химической стойкостью, - он гигроскопичен. Кроме того, он обладает большой длительностью сцинтилляционной вспышки 1400 нс, вследствие чего он не пригоден для использования в сцинтилляционных трактах с повышенной загрузочной способностью. Известный сцинтиллятор LiI-Eu имеет высокий эффективный атомный номер, Z_эф = 52, намного превышающий эффективный атомный номер костной биологической ткани (Z_эф = 12), что не позволяет, строго говоря, использовать его для персональной дозиметрии, из-за "хода с жесткостью" [1].

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристаллов CsI-Tl [1]. Однако сцинтиллятор на основе кристаллов CsI-Tl с максимумом свечения 565 нм, будучи достаточно химически устойчивым (негигроскопичен), не пригоден для регистрации нейтронов. Кроме того, при регистрации альфа-излучения он имеет весьма большую длительность сцинтилляционной вспышки от 450 до 1000 нс, что не позволяет его использовать в сцинтилляционных трактах с повышенной загрузочной способностью. Из-за высокого Z_эф = 54 этот сцинтиллятор не пригоден для индивидуальной дозиметрии.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристаллов Bi₄De₃O₁₂ [2]. Однако сцинтиллятор на основе кристаллов Bi₄Ge₃O₁₂, с максимумом свечения при 480-510 нм, обладая повышенной химической и термической стойкостью и будучи чувствительным к альфа-излучению, не чувствителен к нейтронам. Кроме того, он обладает большой длительностью сцинтилляций, 300 нс, а его эффективный атомный номер Z_эф = 74, сильно отличается от эффективного атомного номера биологической ткани и поэтому он не пригоден для персональной дозиметрии.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристаллов NaI-Tl [2], обладающий самым высоким световыходом сцинтилляций с максимумом спектра свечения при 410 нм, но большой длительностью световых вспышек 250 нс.

Однако данный сцинтиллятор непригоден для регистрации нейтронов. Кроме того, сцинтиллятор NaI-Tl имеет высокий Z_эф = 50, что не позволяет использовать данный кристалл для индивидуальной сцинтилляционной дозиметрии. Дополнительным недостатком известного сцинтиллятора NaI-Tl является его гигроскопичность, что усложняет условия его технической эксплуатации.

Известен состав LiKSO₄-Cu²⁺ [3, 4]. Известно использование этого состава в качестве пиро- или сегнетоэлектриков, а также в качестве датчика электронного паромагнитного резонанса, т.е. ЭПР-датчика. Состав LiKSO₄ кристаллизуется в гексагональной сингонии, пространственная группа C₆⁶-P6₃, постоянная решетки равна a = 5,13 , с = 6,82 . Кристаллы LiKSO₄ обладают аномальными пироэлектрическими и диэлектрическими свойствами, связанными с фазовым переходом при температуре 196К. Однако применение кристаллов LiKSO₄-Cu²⁺ в качестве неорганического сцинтиллятора для регистрации альфа-излучения и нейтронов неизвестно и в литературе не описано.

Сущность изобретения заключается в применении состава LiKSO₄-Cu²⁺ в качестве сцинтиллятора для регистрации альфа-излучения и нейтронов. Поскольку какие-либо данные по сцинтилляционным свойствам LiKSO₄-Cu²⁺ в литературе отсутствуют, предложенный неорганический сцинтиллятор соответствует критерию существенные отличия и критерию новизны.

Кристаллы LiKSO₄-Cu²⁺ были выращены при температуре 40^oC из водного раствора LiSO₄, KSO₄ и H₂O в соотношении 1:1:1 при добавлении в исходный раствор сульфата меди CuSO₄ · 5H₂O в количестве, соответствующем изоморфной емкости кристалла LiKSO₄, т.е. в количестве 8-10 г/л. Для выращенных кристаллов характерна слабая бледно-голубая окраска. Кристаллы имели форму бипирамиды. Для применения в сцинтиблоке (в сочетании с фотоэлектронным умножителем) из кристалла вырезали пластинки толщиной 5 мм и диаметром 10-15 мм.

Применение известных кристаллов LiKSO₄ в качестве неорганических сцинтилляторов стало возможным благодаря обнаруженному для них авторами сцинтилляционному эффекту с повышенным быстродействием и близости эффективного атомного номера Z_эф = 14,5 этих кристаллов к эффективному атомному номеру биологической костной ткани Z_эф = 12. Последнее снимает проблему "хода с жесткостью" и обеспечивает выполнение метрологических требований для индивидуальной дозиметрии.

Предлагаемый сцинтиллятор обладает ярко-голубым свечением, максимум сцинтилляционной вспышки расположен при 435 - 445 нм (вся полоса свечения расположена в области 370 - 510 нм, полуширина полосы ≈ 75 нм). Длительность сцинтилляционной вспышки ≈ 90 нс.

Световыход сцинтилляций C_отн для кристаллов LiKSO₄-Cu²⁺ составляет 30% относительно световыхода кристаллов LiI-Eu, однако предложенный сцинтиллятор обладает в 15 раз меньшей длительностью сцинтилляций и обеспечивает соответственно в 10-15 раз более высокую загрузочную способность. Сцинтиллятор на основе LiKSO₄-Cu²⁺ обладает более высокой химической стойкостью (негигроскопичен) по сравнению с LiI-Eu.

Предлагаемый сцинтиллятор регистрирует, как и кристалл LiI-Eu, тепловые нейтроны в соответствии с реакцией ⁶Li(n, α)³H, т.е. тепловые нейтроны поглощаются ядрами изотопа ⁶Li (до 7% в естественной смеси изотопов или обогащенные по ⁶Li составы до 10²¹ - 10²² см^-3) с последующим альфа-распадом и образованием ядер трития ³Н.

Световыход сцинтилляций C_отн для кристаллов LiKSO₄-Cu²⁺ составляет ≈ 10-12% относительно световыхода кристаллов CsI-Tl, однако предложенный сцинтиллятор обладает в 11 раз более короткой длительностью сцинтилляций, нежели кристалл CsI-Tl.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтиллятора является его определенная избирательность к альфа-излучению и нейтронному излучению на фоне гамма-излучения. Эта избирательность обусловлена низким эффективным атомным номером кристаллов LiKSO₄-Cu²⁺, что, особенно при малых толщинах кристаллов делает их слабо чувствительными к гамма-излучению. Низкий Z_эф кристаллов LiKSO₄ обеспечивает меньшую энергетическую зависимость чувствительности изготавливаемых на их основе детекторов.

Литература 1. Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации альфа-частиц больших энергий. М., МГУ, 1963.

2. Викторов Л.В., Шульгин Б.В. и др. /Обзор: Неорганические сцинтилляционные материалы. // Неорганические материалы, 1991, т. 27, N 10, с. 2005-2029.

3. Alybakov A.A., Gubahova V.A., Sharsheev K. / Optical absorption and EPR spectra of Cu²⁺ ions in LiKSO₄ Single Crystals // Phys. Stat. Sol. 1988, v. 146, р. K135-К139.

4. Breczewski T, Krajevski T, Mroz B. / Anomalous changes in the pyroelectric and dielectric properties of LiKSO₄ crystals. // Ferroelectrics, 1981. v.33, p. 9-12.

Формула изобретения

Применение кристаллов LiKSO₄-Cu²⁺ в качестве неорганического сцинтиллятора.