Преобразователь высокоэнергетических частиц и способ получения пленки

Изобретение относится к области выращивания эпитаксиальных монокристаллических пленок для измерения рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного и космического излучений и промышленно применимо при изготовлении детекторов ядерных частиц, нейтронов, α- и β-частиц, γ-квантов, сцинтилляционных и рентгеновских экранов. Технический результат изобретения: повышение, эффективности преобразования высокоэнергетических частиц в излучение люминесценции видимого диапазона. Сущность: преобразователь высокоэнергетических частиц содержит монокристаллическую подложку 1, эпитаксиальную пленку 2, а также дополнительные пленки 3, 4 и 5. Эпитаксиальная пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем эпитаксиальная пленка содержит также, по меньшей мере, и один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb. Способ получения пленки предполагает размещение изоморфной монокристаллической подложки в переохлажденный раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин. Шихта для приготовления раствора-расплава содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области выращивания эпитаксиальных монокристаллических пленок для измерения рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного и космического излучений и промышленно применимо при изготовлении детекторов ядерных частиц, нейтронов, α- и β-частиц, γ-квантов, сцинтиляционных и рентгеновских экранов.

Известен преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде пластины из оксидного монокристалла [Yu.Zorenko, V.Gorbenko, I.Konstankevych, a.Voloshinovskii, G.Strygayuk, V.Mikhailin, V.Kolobanov, D.Spassky. Single-crystalline films of Ce-doped YAG and LuAG phosphors: advantages over bulk crystals analogues. Journal of Luminescence, 2003, 3 B 2 v8.06 a/w (Dec 5 2003), p.1-11]. Недостатками этого преобразователя являются низкое пространственное разрешение вследствие относительно большой толщины пластины и недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в преобразователе.

Наиболее близким к заявляемому является известный преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла [Yu.Zorenko, V.Gorbenko, I.Konstankevych, a.Voloshinovskii, G.Strygayuk, V.Mikhailin, V.Kolobanov, D.Spassky. Single-crystalline films of Ce-doped YAG and LuAG phosphors: advantages over bulk crystals analogues. Journal of Luminescence, 2003, 3 B 2 v8.06 a/w (Dec 5 2003), p.1-11].

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в преобразователе.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, [Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах: Справочник / Под ред. Н.Н.Евтихиева, Б.Н.Наумова. М.: Радио и связь. 1987, с.86-94].

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в пленке.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения эффективности преобразования высокоэнергетических частиц в излучение люминесценции видимого диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе высокоэнергетических частиц, выполненном в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла, пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем концентрация этих ионов составляет от 0,1 до 90 ат.%.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать разновалентные ионы свинца в соотношении, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать кислородные вакансии в количестве, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один ион из группы Mg2+, Са2+, Sr2+, Ge4+, Si4+, Sn4+, Zr4+, Hf4+, Sb5+, Nb45+ и Та5+.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один ион из группы Sc3+, La3+, Y3+, Lu3+, Al3+, Ga3+, In34+.

В частности, преобразователь может содержать, по меньшей мере, одну дополнительную пленку. При этом дополнительная пленка может быть нанесена на эпитаксиальную пленку или подложку. При этом дополнительная пленка может содержать, по меньшей мере, один химический элемент из группы Pb, Bi, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Cd. Sn и Sb.

В частности, подложка может быть выполнена из оксидного монокристалла из групп берилла, вольфрамита, граната, кальцита, пироксена, шпинели, хантита, оливина, танталата, фианита, корунда, рутила, титаната, молибдата, ниобата, галлата и германата. При этом подложка может быть выполнена из монокристалла граната одного из составов из группы Gd3Ga5O12, Nd3Ga5O12, Sm3Ga5O12, (Gd, Ca)3(Zr, Mg, Ga)5O12, Ca3(Nb, Ga)5O12 или Ca3(Nb, Ge, Ga)5O12 с ориентацией (111), или (110), или (100), или (210), или (211), или (311), или (411), или (511). При этом подложка может быть выполнена из монокристалла граната состава CaxDyMzMeqO12, где D - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, М - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, Me - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не менее 3, входящий в тетраэдрическую подрешетку структуры граната, 2,90<х<3,10; 0,05<у<1,80; 3,11<z+q<4,91; р<0,04.

В частности, рассогласование параметров кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки может составлять от -0,0020 до +0,0040 nm.

В частности, содержание ионов висмута не превышает 75 ат.%.

Поставленная задача решается также тем, что в известном способе получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин, причем компоненты шихты содержатся в следующем отношении (в мол. %.):

Pb+Bi2O340,0-90,0,
В2O30,5-15,0,
кристаллообразующие оксидыостальное.

В частности, шихта дополнительно может содержать, по меньшей мере, один из оксидов из группы Li2СО3, К2СО3, Na2CO3, Ва2СО3, СаСО3, BaO, CaO, MgO, GeO2, SiO2, В2O3, V2O5, Nb2O5, Li2O, K2O, Na2О, Rb2O, В2О3, Li2MoO4, K2MoO4, Na2MoO4, Li2WO4, K2WO4, Li2Mo2O7, К2Мо2O7, Na2Mo2O7, Na2WO4, Li2W2O7.

В частности, шихта дополнительно может содержать, по меньшей мере, один из оксидов из группы К2O, Li2O, CaO, MgO, GeO2 и SiO2 в концентрации не более 10 мол. %.

В частности, шихта может содержать кристаллообразующие оксиды в мольном соотношении, обратно пропорциональном коэффициентам распределения кристаллообразующих элементов.

В частности, раствор-расплав может находиться при температуре от 600 до 1100°С.

Заявляемые технические решения, представляющие собой устройство и способ получения материала для него, связаны единым изобретательским замыслом.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен преобразователь высокоэнергетических частиц. Он содержит монокристаллическую подложку 1, эпитаксиальную пленку 2, а также дополнительные пленки 3, 4 и 5, которые, например, представляют собой наноструктуры.

Суть изобретения состоит в следующем. Преобразователи высокоэнергетических частиц, изготовленные из монокристаллов, выращенные, например, по методу Чохральского, не могут содержать в своем составе в достаточно большой концентрации химических элементов, коэффициенты распределения которых существенно меньше 1. К их числу относятся, как правило, тяжелые элементы, определяющие эффективность преобразования высокоэнергетических частиц в видимое излучения (например, свинец и близкий к нему по свойствам висмут). От этого недостатка свободен метод жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава. Более того, нестационарность заключительной стадии эпитаксиального роста приводит к тому, что в переходном поверхностном слое концентрация химических элементов, коэффициенты распределения которых существенно меньше 1, на порядок и выше, чем в основном объеме пленки. Толщину этого слоя можно увеличить, многократно погружая на короткое время в раствор-расплав и извлекая из него растущую эпитаксиальную пленку. В частности, таким образом получают пленки 3, 4 и 5.

Преобразователь работает следующим образом. Высокоэнергетические частицы падают на преобразователь со стороны пленки 5 и создают в нем нарушения кристаллической структуры (различного рода дефекты). Затем эти нарушения релаксируют (самопроизвольно «залечиваются»), вследствие чего возникает излучение люминесценции в видимом диапазоне, выходящее, в том числе, и через прозрачную подложку 1. Излучение люминесценции регистрируют визуально или каким-либо иным известным способом. Опыт показал, что интенсивность этого излучения (эффективность преобразования) тем выше, чем больше Pb или Bi содержится в эпитаксиальной пленке 2 и дополнительных пленках 3, 4 и 5.

Пример 1. На подложке из Y3Al5О12 методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе PbO-В2О3 вырастили эпитаксиальную пленку Y3Al5О12, легированную Се в концентрации 0,08 ат.%. Оказалось, что в эпитаксиальной пленке интенсивность излучения люминесценции на длине волны λ=515 нм в три раза выше, чем в монокристалле того же состава, выращенном по методу Чохральского.

Пример 2. На подложке, выполненной в виде пластины из монокристалла Gd3Ga5O12 с ориентацией (111), из раствора-расплава, содержащем 85,4 мол. % PbO и 5,1 мол. % В2O3, при двукратном погружении в раствор-расплав при температуре 910°С вырастили эпитаксиальную пленку Gd3Ga5O12. Оказалось, что по сравнению с подложкой интенсивность люминесценции эпитаксиальной пленки в области спектра λ>360 нм возросла на полтора порядка величины.

1. Преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем эпитаксиальная пленка содержит, по меньшей мере, и один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит разновалентные ионы свинца в соотношении, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит кислородные вакансии в количестве, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка дополнительно содержит, по меньшей мере, один ион из группы Mg2+, Са2+, Sr2+, Ge4+, Si4+, Sn4+, Zr4+, Hf4+, Sb5+, Nb45+ и Та5+.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка дополнительно содержит, по меньшей мере, один ион из группы Sc3+, La3+, Y3+, Lu3+, Al3+, Ga3+, In34+.

6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку, нанесенную на эпитаксиальную пленку.

7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку, нанесенную на подложку.

8. Преобразователь по п.6 или 7, отличающийся тем, что дополнительная пленка содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Pb, Bi, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.

9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из оксидного монокристалла из групп берилла, вольфрамита, граната, кальцита, пироксена, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку пинели, хантита, оливина, танталата, фианита, корунда, рутила, титаната, молибдата, ниобата, галлата и германата.

10. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла граната одного из составов из группы Gd3Ga5O12, Nd3Ga5O12, Sm3Ga5O12, (Gd, Ca)3(Zr, Mg, Ga)5O12, Ca3(Nb, Ga)5O12 или Ca3(Nb, Ge, Ga)5O12 с ориентацией (111) или (110) или (100) или (210) или (211) или (311) или (411) или (511).

11. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла граната состава CaxDyMzMeqO12, где D - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, М - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, Me - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не менее 3, входящий в тетраэдрическую подрешетку структуры граната, 2,90<х<3,10; 0,05<у<1,80; 3,11<z+q<4,91.

12. Преобразователь по п.11, отличающийся тем, что подложка в качестве химического элемента D содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Nb, Zr, Та и V, в качестве химического элемента М содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Ga, Al, Li и Mg, а в качестве химического элемента Me содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Ga, Al, Ge и Si.

13. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что рассогласование параметров кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки составляет от -0,0020 до +0,0040 nm.

14. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что содержание ионов висмута не превышает 75 ат.%.

15. Способ получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi2O3, В2О3 и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин, причем компоненты шихты содержатся в следующем отношении, мол.%.:

Pb и/или Bi2O340,0-90,0
В2O30,5-15,0
кристаллообразующие оксидыостальное

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит, по меньшей мере, один из оксидов из группы Li2СО3, К2СО3, Na2СО3, Ва2СО3, СаСО3, BaO, CaO, MgO, GeO2, SiO2, В2O3, V2O5, Nb2O5, Li2O, K2O, Na2O, Rb2O, В2O3,Li2MoO4,К2MoO4,Na2MoO4, Li2WO4,K2WO4,Li2Mo2O7,K2Mo2O7, Na2Mo2O7, Na2WO4, Li2W2O7.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что шихта содержит кристаллообразующие оксиды в мольном соотношении, обратно пропорциональном коэффициентам распределения кристаллообразующих элементов.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что раствор-расплав находится при температуре от 600 до 1100°С.

19. Способ по п.15, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав на глубину меньше толщины подложки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ядерной физики, астрофизики и физики высоких энергий, конкретно к области технологии регистрации нейтрино и антинейтрино (далее нейтрино), включая солнечные, космические, реакторные нейтрино, нейтрино, получаемые с помощью ускорителей; оно пригодно для создания нейтринных телескопов, нейтринных детекторов и нейтринных детекторных комплексов наземного и космического базирования, пригодных для удаленного, включая трансземное, обнаружения стационарных и мобильных ядерных реакторных и ускорительных установок и для астрофизических исследований.

Изобретение относится к технологии получения алмаза для использования в электронике. .

Изобретение относится к неорганическим кристаллическим сцинтилляторам, чувствительным к пучкам рентгеновского и электронного излучения и применяемым для визуализации излучений в системах радиационного мониторинга, таможенного контроля, в системах томографии и неразрушающего контроля, использующих фотоприемные устройства, чувствительные в красном диапазоне спектра, в том числе компактные устройства на базе PIN-фотодиодов.

Изобретение относится к области физической и интегральной оптики, связанной с разработкой гетероструктур, пригодных для создания оптоэлектронных блоков и систем многоцелевого назначения, в частности, таких как сцинтилляционные и термолюминесцентные детекторы ионизирующих излучений для индивидуальной и космической медицины, для систем радиационного мониторинга, систем неразрушающего контроля и томографических медицинских систем, совместимых с волоконными линиями связи и пригодных для использования в качестве терминальных датчиков для оптических волоконных линий связи.
Изобретение относится к неорганическим сцинтилляционным материалам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе радиационных детекторов для радиоэкологического мониторинга территорий.
Изобретение относится к аэрогамма-спектрометрическим методам и может быть использовано в условиях техногенной аварии, сопровождающейся диспергированием плутония, а также в процессе мероприятий, связанных с ликвидацией последствий этих аварий.

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, предназначенной для регистрации -, -, - и рентгеновского излучения, и может быть использовано в радиационной технике, в дозиметрии, в ядерно-физических экспериментальных исследованиях, для контроля доз и спектрометрии -, -, - и рентгеновского излучения.

Изобретение относится к инструментальному активационному анализу. .
Изобретение относится к получению монокристаллических материалов и пленок и может использоваться в технологии полупроводниковых материалов для изготовления солнечных элементов, интегральных схем, твердотельных СВЧ-приборов.

Изобретение относится к электронной технике, конкретно к технологии материалов для создания устройств отображения и обработки информации. .

Изобретение относится к электронной технике, конкретно к технологии материалов, предназначенных для создании приборов и устройств обработки и передачи информации.

Изобретение относится к устройству для получения монокристаллических оксидных пленок путем жидкофазной эпитаксии и более конкретно, к устройству для получения путем жидкофазной эпитаксии монокристаллических оксидных пленок, таких как монокристаллические пленки магнитного граната, пригодные для применения в устройствах на магнитостатических волнах, ниобата лития, пригодные для применения в оптических устройствах.

Изобретение относится к магнитной микроэлектронике, радиационной физике твердого тела и может быть использовано при конструировании элементов памяти и логики на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), применяющихся в полях g-излучений.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне 0,59-0,87 мкм.

Изобретение относится к монокристаллическим материалам, в частности к эпитаксиальным феррит-гранатовым структурам (ЭФГС) на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ), и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных планарных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ).

Изобретение относится к объемному монокристаллу нитрида, в частности предназначенному для использования в качестве подложки для эпитаксии, пригодной для использования в оптоэлектронике для производства оптоэлектронных полупроводниковых устройств на основе нитридов, в частности для изготовления полупроводниковых лазерных диодов и лазерных устройств
Наверх