Неорганический сцинтиллятор

Изобретение относится к дозиметрической технике, связанной с регистрацией бета-излучения и электронных пучков, и пригодно для создания сцинтилляционных датчиков, используемых в комплексах и системах радиационного мониторинга подконтрольных объектов и территорий, зон радиационного загрязнения, а также для целей персональной дозиметрии в рамках сцинтилляционного метода. Сущность изобретения состоит в том, что неорганический сцинтиллятор включает сульфаты калия, лития, меди и натрия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Na₂SO₄ 64,7-65,5, K₂SO₄ 33,3-31,5, LiSО₄ 1-1,5, CuSO₄·5Н₂О 1,0-1,5. Технический результат - повышение световыхода при регистрации бета-излучения и электронных пучков сцинтилляционным методом.

 

Изобретение относится к дозиметрической технике, связанной с регистрацией бета-излучения и электронных пучков, и пригодно для создания сцинтилляционных датчиков, используемых в комплексах и системах радиационного мониторинга подконтрольных объектов и территорий, зон радиационного загрязнения, а также для целей персональной дозиметрии в рамках сцинтилляционного метода.

Для регистрации бета-излучения и электронных пучков сцинтилляционным методом используют сцинтилляционные материалы с малым эффективным атомным номером

Z_эф, которые обеспечивают низкое альбедо этих видов излучения, более высокую сцинтилляционную эффективность и повышенный световыход. Сцинтилляционные материалы с большим Z_эф не эффективны для регистрации бета-излучения и электронных пучков.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристаллов LiI:Eu (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. / Ю.К.Акимов. М.: МГУ, 1963. 151 с.). Сцинтиллятор LiI:Eu пригоден для регистрации нейтронов и гамма-излучения. Однако известный неорганической сцинтиллятор с максимумом спектра свечения 480 нм имеет большой эффективный атомный номер Z_эф=52, что приводит к высокому альбедо бета-излучения и электронных пучков, и соответственно, к снижению эффективности регистрации этих видов излучения.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристаллов CsI-Т1 (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. / Ю.К.Акимов. М.: МГУ, 1963. 151 с.). Однако этот сцинтиллятор, предназначенный для регистрации гамма-излучения, обладающий свечением с максимумом при длине волны 565 нм, характеризующийся достаточной химической устойчивостью (негигроскопичен), имеет низкую эффективность регистрации бета-излучения и электронных пучков из-за большого Z_эф=54. Кроме того, из-за большого Z_эф он не пригоден для индивидуальной дозиметрии.

Известно упоминание о применении кристаллов сложного сульфата калия и натрия KNaSO₄:Cu²⁺ в качестве абсорбционного и ЭПР-детекторов рентгеновского излучения (Шаршеев К. Асимметрия окружения примесных ионов Cu в кристаллах KNaSO₄. / К.Шаршеев, Ч.Т.Ортобаева. // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: Межвуз. сб. научных трудов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999. Вып.1. С.59-62. Шаршеев К. Радиационные и примесные центры с переменной валентностью в кристаллах сложных сульфатов щелочных металлов. / К.Шаршеев. Каракол-Екатеринбург: Иссык-Кульский государственный технический университет, ОАО «Полиграфист», 1999. 209 с.). Кристаллы KNaSO₄:Cu были выращены из насыщенного водного раствора при постоянной температуре 35°С с добавлением нескольких капель серной кислоты для получения рН 4-6 при следующем соотношении ингредиентов для 100 г растворителя: 66,7 г Na₂SO₄ и 33,3 г К₂SO₄. Примесь меди входила в известный состав в виде дополнительного ингредиента CuSO₄·5Н₂О в количестве (15 г/л), т.е. в количестве 1,5 г на 100 г растворителя. Кристаллы сложного сульфата калия-натрия, активированного ионами меди, применялись в качестве абсорбционного дозиметра рентгеновского излучения. ЭПР- и абсобционно-чувствительными центрами в этом сложном сульфате были ионы Cu²⁺. Однако сцинтилляционные свойства кристаллов KNaSO₄:Cu, обеспечивающие регистрацию излучения в режиме реального времени, остались для авторов вышеуказанных работ неизвестными. В известных работах эти свойства не описаны и не упомянуты.

Наиболее близким к заявляемому является неорганический сцинтиллятор LiKSO₄:Cu (Пат. 2148837 РФ, МПК G01T 1/20, 1/202, 3/06. / Б.В.Шульгин, Д.В.Райков, М.М.Кидибаев, К.Шаршеев, М.К.Сатыбалдиева. Заявл. 19.04.1999; опубл. 10.05.2000. Бюл. №13). Кристаллы неорганического сцинтиллятора LiKSO4:Cu обладают синим свечением. Максимум спектра сцинтилляционной вспышки расположен при 435-445 нм, полуширина полосы люминесценции 75 нм. Длительность сцинтилляционной вспышки при α-возбуждении 90 нс. Известный неорганический сцинтиллятор LiKSO₄:Cu предназначен для регистрации нейтронов и α-частиц. Возможность регистрации бета-излучения и электронных пучков сцинтилляционным методом с помощью известного состава LiKSO₄:Cu в патенте РФ №2148837 не описана.

Задачей изобретения является разработка неорганического сцинтиллятора для регистрации бета-излучения и электронных пучков на основе сложных сульфатов щелочных элементов, обладающего повышенным световыходом сцинтилляций. Поставленная задача решается благодаря тому, что неорганический сцинтиллятор для регистрации бета-излучения и электронных пучков, включающий сульфаты калия, лития и сульфат меди, дополнительно содержит сульфат натрия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Na₂SO₄ 64,7-65,5, K₂SO₄ 33,3-31,5, Li₂SO₄ 1-1,5,

CuSO₄·5H₂O 1,0-1,5.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом неорганическом сцинтилляторе по сравнению с известным неорганическим сцинтиллятором изменен состав сложного сульфата щелочных металлов:

в качестве ингредиентов используют не только сульфаты калия, лития и меди, в него дополнительно введен сульфат натрия. Ионы меди в виде ионов Cu⁺ в предлагаемом составе играют роль активаторных центров свечения. При соотношении ингредиентов, мас.%: Na₂SO₄ 64,7-65,5, K₂SO₄ 33,3-31,5, Li₂SO₄ 1-1,5, CuSO₄·5H₂O 1,0-1,5 предлагаемый неорганический сцинтиллятор обладает максимальным световыходом сцинтилляций, превышающим световыход известного неорганического сцинтиллятора LiKSO₄:Cu в несколько раз.

Пример 1. Неорганический сцинтиллятор

Неорганический сцинтиллятор на основе сложных сульфатов щелочных металлов и сульфата меди, имеющий состав, мас.%,: Na₂SO₄ - 65,5, К₂SO₄ - 31,5, Li₂SO₄ - 1,5, CuSO₄·5H₂O 1,5, получают путем растворения этих исходных ингредиентов в воде в соотношении 1:1. При этом образуется насыщенный водный раствор сульфатов, который нагревают до 38°С. Синтез кристаллов ведут при этой температуре методом изотермического испарения. Для обеспечения начального зародышеобразования и стимулирования роста кристаллов сложного сульфата в раствор вводят 5-7 капель серной кислоты (для получения рН 4-6). Полученные кристаллы предлагаемого неорганического сцинтиллятора размерами 6-8 мм имели форму бипирамид.

Световыход сцинтилляций для предлагаемого неорганического сцинтиллятора на основе сложных сульфатов измеряли при комнатной температуре с использованием установки КЛАВИ-Р (разработка Института электрофизики УрО РАН), генерирующей импульсные электронные пучки с энергией 150 кэВ, длительностью 2 нс и током в пучке 1000 А. Одновременно для сравнения были проведены аналогичные измерения для кристаллов известного неорганического сцинтиллятора LiKSO₄:Cu (известного по патенту РФ №2148837). Результаты измерения приведены на чертеже. Спектр свечения предлагаемого неорганического сцинтиллятора имеет максимум при 440-450 нм, полуширина спектра ~80 нм. Быстрая по длительности компонента сцинтиимпульса предложенного сцинтиллятора имела малую амплитуду и практически не регистрировалась, длительность медленной компоненты сцинтиимпульса составляла порядка 30 мкс.

Световыход сцинтилляций для предлагаемого неорганического сцинтиллятора (Na-K-Li-сульфата, активированного медью), см. чертеж, кривая 1, в 4 раза выше, чем таковой для известного состава LiKSO₄:Cu, см. чертеж, кривая 2.

Пример 2. Неорганический сцинтиллятор

Неорганический сцинтиллятор на основе сложных сульфатов щелочных металлов и сульфата меди, имеющий состав, мас.%,: Na₂SO₄ - 64,7, K₂SO₄ - 33,3, Li₂SO₄ - 1, CuSO₄·5H₂O 1, получают путем растворения этих исходных ингредиентов в воде в соотношении 1:1. При этом образуется насыщенный водный раствор сульфатов, который нагревают до 38°С. Синтез кристаллов ведут при этой температуре методом изотермического испарения свежеприготовленного насыщенного раствора. Для обеспечения начального зародышеобразования и стимулирования роста кристаллов сложного сульфата в раствор вводят 5-6 капель серной кислоты (для получения рН 4-6). Полученные кристаллы неорганического сцинтиллятора размерами 6-8 мм имели, как и в Примере 1, форму бипирамид.

Световыход сцинтилляций для предлагаемого неорганического сцинтиллятора на основе сложных сульфатов измеряли при комнатной температуре с использованием установки КЛАВИ-Р (разработка Института электрофизики УрО РАН), генерирующей импульсные электронные пучки с энергией 150 кэВ, длительностью 2 нс и током в пучке 1000 А. Одновременно для сравнения были проведены аналогичные измерения для кристаллов неорганического сцинтиллятора LiKSO₄:Cu (известного по патенту РФ №2148837). Результаты этих сравнительных измерений очень похожи на результаты, полученные в Примере 1 и приведенные на чертеже. Спектр свечения предлагаемого неорганического сцинтиллятора имеет максимум при 440-445 нм, полуширина спектра ~85 нм. Быстрая по длительности компонента сцинтиимпульса предложенного сцинтиллятора имела малую амплитуду и практически не регистрировалась, длительность медленной компоненты сцинтиимпульса составляла порядка 30 мкс. Световыход сцинтилляций для предлагаемого неорганического сцинтиллятора (Na-K-Li-сульфата, активированного медью) в 3-4 раза выше, чем таковой для известного состава LiKSO₄:Cu.

Пример 3. Неорганический сцинтиллятор

Неорганический сцинтиллятор на основе сложных сульфатов щелочных металлов и сульфата меди, имеющий состав, мас.%,: Na₂SO₄ - 65, K₂SO₄ - 32, LiSO₄ - 1,5, CuSO₄·5Н₂О 1,5 получают путем растворения этих исходных ингредиентов в воде в соотношении 1:1. При этом образуется насыщенный водный раствор сульфатов, который нагревают до 38°С. Синтез кристаллов сложных сульфатов ведут при этой температуре методом изотермического испарения свежеприготовленного насыщенного раствора. Для обеспечения начального зародышеобразования и стимулирования роста кристаллов сложного сульфата в раствор вводят 5-7 капель серной кислоты (для получения рН 4-6). Полученные кристаллы неорганического сцинтиллятора размерами 6-7 мм имели, как и в случае Примера 1, форму бипирамид.

Световыход сцинтилляций для предлагаемого неорганического сцинтиллятора на основе сложных сульфатов измеряли с использованием установки КЛАВИ-Р (разработка Института электрофизики УрО РАН), генерирующей импульсные электронные пучки с энергией 150 кэВ, длительностью 2 нс и током в пучке 1000 А. Одновременно для сравнения были проведены аналогичные измерения для кристаллов неорганического сцинтиллятора LiKSO₄:Cu (известного по патенту РФ №2148837). Результаты измерения очень похожи на результаты, полученные в Примере 1 и приведенные на чертеже. Спектр свечения предлагаемого неорганического сцинтиллятора имеет максимум при 440-445 нм, полуширина спектра ~85 нм. Световыход сцинтилляций для предлагаемого неорганического сцинтиллятора (Na-K-Li-сульфата, активированного медью) вышеназванного состава в 3 раза выше, чем таковой для известного состава LiKSO₄:Cu. Быстрая по длительности компонента практически не регистрировалась, длительность медленной компоненты сцинтиимпульса составляла 29 мкс.

Пример 4. Неорганический сцинтиллятор

Неорганический сцинтиллятор на основе сложных сульфатов щелочных металлов и сульфата меди, имеющий состав, мас.%,: Na₂SO₄ - 64, K₂SO₄ - 28,5, Li₂SO₄ - 1,5, CuSO₄·5H₂O 6, получают путем растворения этих исходных ингредиентов в воде в соотношении 1:1. При этом образуется насыщенный водный раствор сульфатов, который нагревают до 35-38°С. Синтез кристаллов сложных сульфатов ведут при этой температуре методом изотермического испарения свежеприготовленного насыщенного раствора. Для обеспечения начального зародышеобразования и стимулирования роста кристаллов сложного сульфата в раствор вводят 5-7 капель серной кислоты (для получения рН 4-6). Полученные кристаллы неорганического сцинтиллятора размерами 3-5 мм имели форму бипирамид.

Световыход сцинтилляций для предлагаемого неорганического сцинтиллятора на основе сложных сульфатов измеряли так же, как и в Примерах 1-3. Результаты измерения отличаются от результатов, полученных в Примерах 1-3 и приведенных ранее на чертеже для Примера 1. Спектр свечения неорганического сцинтиллятора с повышенным сверх-стехиометрическим содержанием меди имеет максимум при 430-450 нм, полуширина спектра ~100 нм. Световыход сцинтилляций для этого неорганического сцинтиллятора оказался в 1,5-2 раза ниже, чем таковой для известного состава LiKSO₄-Cu.

Содержание активирующего ингредиента CuSO₄·5Н₂О, равное 1,0-1,5 мас.% (используемое в Примерах 1-3), соответствует его оптимальной концентрации, определяемой изоморфной емкостью сульфатов щелочных металлов. При большей концентрации ионов меди они не могут равномерно распределяться по узлам кристаллической решетки и вместо растворов замещения образуют различные агрегатные скопления примеси в местах внедрения. Повышенные концентрации активирующей примеси меди в местах ее агрегатных скоплений приводят к концентрационному тушению люминесценции, что существенно снижает световыход сцинтилляций, как было зарегистрировано в Примере 4.

Дополнительными преимуществами предлагаемого неорганического сцинтиллятора являются его повышенная универсальность и избирательность регистрации корпускулярного излучения. Он чувствителен не только к бета-излучению и электронным пучкам, но также к альфа-излучению и тепловым нейтронам. В соответствии с ядерной реакцией ⁶Li(n, α)³H тепловые нейтроны поглощаются ядрами изотопа ⁶Li (до 7% в естественной смеси изотопов) с последующим альфа-распадом и образованием ядер трития. Благодаря образующимся альфа-частицам тепловые нейтроны будут зарегистрированы неорганическим сцинтиллятором предлагаемого состава.

Имея невысокий эффективный атомный номер (Z_эф<15) и, соответственно, пониженный коэффициент поглощения гамма-излучения, составы неорганического сцинтиллятора на основе Na-K-Li-сульфата, активированные ионами меди, будучи изготовленными в виде кристаллических тонких пластин или пленок обеспечивают избирательную регистрацию таких видов корпускулярного излучения, как бета-излучение, электронные пучки, а также альфа-излучение на фоне электромагнитного гамма-излучения.

Неорганический сцинтиллятор для регистрации бета-излучения и электронных пучков, включающий сульфаты калия, лития и сульфат меди, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сульфат натрия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Na₂SO₄ 64,7-65,5, K₂SО₄ 33,3-31,5, Li₂SO₄ 1-1,5, CuSO₄·5H₂O 1,0-1,5.