Способ получения прозрачной сцинтилляционной zno керамики и сцинтиллятор

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, а именно к изготовлению материалов, входящих в состав сцинтилляционных детекторов, предназначенных для регистрации ионизирующих излучений, и может быть использовано в медицинской диагностике, устройствах таможенного контроля и космической технике. Технический результат - получение прозрачной сцинтилляционной ZnO керамики с улучшенными характеристиками по прозрачности и световыходу и создание устройства сцинтиллятора. Способ получения прозрачной сцинтилляционной ZnO керамики включает одноосное горячее прессование исходного материала в виде порошка оксида цинка с размером частиц от 0.1 до 1.0 мкм при давлении 100-200 МПа, в котором предварительно проводят обработку исходного материала путем холодного прессования при давлении 12-25 МПа, а горячее прессование осуществляют при температуре 900-1100°С. Сцинтиллятор включает рабочее тело, выполненное на основе нелегированной прозрачной ZnO-керамики в форме диска, одно из оснований которого служит для приема ионизирующего излучения, а другое - для соединения с фотоприемником, при этом рабочее тело обеспечивает повышение световыхода до 120% относительно монокристаллического NaI:Tl и смещение максимума полосы излучения в длинноволновую область спектра 515-520 нм. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, а именно к изготовлению материалов, входящих в состав сцинтилляционных детекторов, предназначенных для регистрации ионизирующих излучений, и может быть использовано в медицине, в устройствах, обеспечивающих антитеррористический контроль, в промышленности, в космической технике.

Сцинтилляторы - вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (рентгеновских и гамма-квантов, электронов и т.д.). Это свойство сцинтилляторов используют для детектирования ионизирующих излучений в различных областях техники. Современное развитие науки и техники предъявляет повышенные требования к характеристикам сцинтилляторов, в том числе к наиболее важным из них - к световому выходу (световыходу) и времени высвечивания. Создание сцинтилляционных материалов, обладающих сочетанием высокого световыхода, малых времен высвечивания и прозрачности к собственному излучению, является одной из важнейших, нереализованных в полной мере, задач материаловедения.

Для регистрации гамма и рентгеновских квантов необходимы материалы, обладающие высокой плотностью и размерами, достаточными для поглощения падающих квантов или частиц, а также высокой прозрачностью в спектральной области собственного излучения; как правило, это монокристаллы и оптические керамики. Порошкообразные и тонкопленочные сцинтилляционные материалы применимы лишь для детектирования нейтронов и альфа частиц.

Традиционно в качестве сцинтилляционных материалов использовались монокристаллы (NaI, CsI, BaF₂ и т.д.), в последнее время наметилась тенденция применения в сцинтилляционной технике оптических керамик. Керамики обладают рядом преимуществ: высокая механическая прочность и отсутствие плоскостей спайности, высокая термическая устойчивость, более дешевый процесс получения материала, возможность получения образцов необходимых размеров и формы. Кроме того, в некоторых случаях выращивание монокристаллов необходимых размеров крайне затруднено. В частности, получение монокристаллического оксида цинка - сложный, длительный и дорогостоящий технологический процесс. К настоящему времени известны лишь единичные попытки выращивания монокристаллов на основе ZnO.

В публикациях, посвященных получению сцинтилляционной керамики на основе оксида цинка, обладающего гексагональной структурой кристаллической решетки, как правило, отсутствует информация о прозрачности, поскольку предлагаемые способы не обеспечивают получение прозрачной керамики с плотностью более 99%. Это относится к способу получения ZnO и ZnО:Аl-керамики (L.Grigorjeva, D.Millers et.al. Luminescence properties of ZnO nanocrystals and ceramics. IEEE Transaction on Nuclear Science,Vol.55, No3, 2008, p.1551-1555), который заключается в спекании порошков при 1400°С на воздухе в течение 48 часов или в их холодном прессовании при 1,0 МПа и последующем спекании при 1150°С на воздухе в течение 2 часов.

Известен способ получения поликристаллического керамического сцинтиллятора на основе ZnO, который осуществляется по методу одноосного горячего прессования исходных порошков в интервале температур 900-1100°С и давлений 28-35(42) МПа (J.S.Neal, D.M.DeVito, B.L.Armstrong et.al. Investigation of ZnO-based Polycrystalline Ceramic Scintillators for Use as α-Particle Detectors.// IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.56, No3, 2009, pp.892-898). Получаемые в указанных условиях керамические образцы имеют плотность около 98%, что и является причиной их «ограниченной», как утверждают авторы, прозрачности. По существу же при такой плотности керамика и не может быть прозрачной.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются способ получения прозрачной керамики и сцинтиллятор на основе этой керамики (Патент РФ №2328755, опубликованный 10.07.2008 по индексам МПК G01T 1/20; С04В 35/453). Известный способ заключается в горячем прессовании порошкообразного оксида цинка при температуре 1150-1250°С и давлении 100-200 МПа.

Указанным способом получают прозрачные в видимой области спектра сцинтилляционные керамики на основе ZnO (ZnO, ZnO:Ga, ZnO:In, ZnO:Al) с плотностью более 0.99 от рентгеноструктурной. В соответствии с данными рассматриваемого патента предпочтительными для использования в качестве сцинтилляторов являются керамики ZnO:Ga и ZnO:In, поскольку их световыход составляет 20-30% от такового для NaI:Tl, в отличие от керамики ZnO, световыход которой существенно ниже.

Задачей настоящего изобретения является получение прозрачной сцинтилляционной ZnO керамики с улучшенными характеристиками по прозрачности и световыходу и создание устройства сцинтиллятора, в котором используется нелегированная ZnO керамика, изготовленная данным способом, обладающая высокой прозрачностью, обеспечивающая повышение световыхода до 120% относительно монокристаллического NaI:Tl и смещение максимума полосы излучения в длинноволновую область спектра 515-520 нм.

Технический результат достигается за счет организации процесса двухстадийной обработки исходного материала, подобранного экспериментальным путем, а также изготовления сцинтиллятора, в котором используется сцинтилляционный материал с высокой прозрачностью и повышенным световыходом, изготовленный предлагаемым способом.

Представляемая группа изобретений объединена изобретательским замыслом.

Поставленная задача реализуется в способе получения прозрачной сцинтилляционной ZnO-керамики, включающем одноосное горячее прессование исходного материала в виде порошка оксида цинка с размером частиц от 0.1 до 1.0 мкм при давлении 100-200 МПа, в котором в отличие от прототипа проводят двухстадийную обработку исходного материала путем холодного прессования при давлении 12-25 МПа и последующего одноосного горячего прессования при температуре 900-1100°С.

Данный способ может использоваться также для получения ZnO керамики, легированной примесями Ga, In или Аl.

Предлагаемый способ отличается от прототипа предварительной стадией холодного прессования и используемым диапазоном температур горячего прессования. Это позволяет осуществлять технологический процесс в более мягких условиях, предпочтительных для формирования поликристаллического материала со стехиометрическим составом.

Сцинтилляционный материал, получаемый по данному способу, в отличие от прототипа предпочтительно не содержит легирующих примесей, обладает способностью излучения в более длинноволновой области спектра - 515-520 нм, высокой прозрачностью (порядка 40%) в области собственного излучения и относительным световыходом до 120% по отношению к монокристаллу NaI:Tl, принимаемому специалистами за эталон сравнения, как наилучший по данному параметру.

Поставленная задача решается в сцинтилляторе, включающем рабочее тело на основе прозрачной ZnO-керамики в форме диска, одно из оснований которого служит для приема ионизирующего излучения, а другое - для соединения с фотоприемником, в котором в отличие от прототипа рабочее тело выполнено из прозрачной нелегированной керамики ZnO, обеспечивающей повышение световыхода до 120% относительно монокристаллического NaI:Tl и смещение максимума полосы излучения в длинноволновую область спектра 515-520 нм.

На фиг.1 приведена кривая полного пропускания заявляемой ZnO керамики толщиной 1.05 мм.

На фиг.2 представлены спектры излучения, где 1 - спектр излучения заявляемой ZnO керамики, 2 - спектр излучения стандартного кристаллического сцинтиллятора, использующего рабочее тело из YAlO₃:Се.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходный порошок оксида цинка высокой степени чистоты с размером частиц от 0.1 до 1.0 мкм подвергают холодному прессованию на воздухе при давлении 12-25 МПа и последующему горячему прессованию в вакууме при температуре 900-1100°С и давлении 100-200 МПа.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 7 г исходного ZnO порошка высокой степени чистоты с размером частиц 0.1-0.2 мкм и подвергают его холодному прессованию на воздухе при давлении 12 МПа в течение 20 минут и последующему горячему прессованию в вакууме при температуре 900°С и давлении 200 МПа в течение 60 минут. В результате получают прозрачный керамический ZnO сцинтилляционный материал в виде диска диаметром 20-25 мм и толщиной 1-1.5 мм, обладающего световыходом, составляющим 90% от такого для NaI:Tl.

Пример 2. Берут 7 г исходного ZnO порошка высокой степени чистоты с размером частиц 0.3-0.6 мкм и подвергают его холодному прессованию на воздухе при давлении 25 МПа в течение 15 минут и последующему горячему прессованию в вакууме при температуре 1000°С и давлении 150 МПа в течение 60 минут. В результате получают прозрачный керамический ZnO сцинтилляционный материал в виде диска диаметром 20-25 мм и толщиной 1-1.5 мм, обладающий световыходом, составляющим 120% от такого для NaI:Tl.

Пример 3. Берут 7 г исходного ZnO порошка высокой степени чистоты с размером частиц 0.8-1.0 мкм и подвергают его холодному прессованию на воздухе при давлении 20 МПа в течение 20 минут и последующему горячему прессованию в вакууме при температуре 1100°С и давлении 100 МПа в течение 50 минут. В результате получают прозрачный керамический ZnO сцинтилляционный материал в виде диска диаметром 20-25 мм и толщиной 1-1.5 мм, обладающий световыходом, составляющим 100% от такого для NaI:Tl.

При необходимости толщина образцов может быть увеличена до 5-10 мм.

Полученная ZnO керамика пригодна для использования в известных конструкциях - сцинтилляционных детекторах, что позволит работать этой конструкции с большей эффективностью, за счет высокого световыхода ZnO керамики.

Для реализации устройства - сцинтиллятора керамическую заготовку ZnO в виде диска диаметром 20-25 мм толщиной 1-1.5 мм, полученного по заявляемому способу, устанавливают на фотоприемнике. Оптический контакт между сцинтиллятором и фотоприемником обеспечивается тонким слоем силиконовой смазки. Поток ионизирующего излучения воздействует на сцинтилляционный материал; сцинтиллятор преобразует это излучение в световой импульс, который регистрируется с помощью фотоприемника. В отличие от прототипа в качестве сцинтилляционного материала используют нелегированный ZnO, что обеспечивает смещение максимума полосы излучения в длинноволновую область спектра - 515-520 нм, наиболее близкую к области чувствительности фотоприемника (например, Si), а также увеличение световыхода в 4-5 раз.

Данные, представленные на фиг.1, демонстрируют более высокую прозрачность ZnO керамики, полученной заявляемым способом по сравнению с прототипом практически во всей области спектра и, что особенно важно, в области собственного излучения - 515-520 нм. В этой области прозрачность сцинтиллятора на основе ZnO керамики выше прозрачности прототипа в 1.34 раза.

Для сравнения световыхода полученной сцинтилляционной ZnO керамики и стандартного YAlO₃:Се сцинтиллятора (световыход которого известен: 25000 фотонов/МэВ) были измерены спектры излучения образцов при рентгеновском возбуждении (фиг.2). Выбирались образцы одинакового размера и формы, и измерения проводились в идентичных условиях. Интегральная интенсивность рентгенолюминесценции (площадь под спектральной кривой) в случае ZnO керамики оказалась в 1,88 раза выше таковой для стандартного YAlO₃:Се сцинтиллятора. Интегральная интенсивность рентгенолюминесценции соответствует сцинтилляционному световыходу материала.

Подобное сравнение со сцинтиллятором NaI:Tl провести трудно в силу высокой гигроскопичности материала, поэтому значения световыхода, приведенные в примерах, пересчитывались с учетом известного световыхода NaI:Tl: 38000 фотонов/МэВ. Лучший из образцов ZnO керамики (пример 2) показал световыход, составляющий 120% такового от стандартного сцинтиллятора NaI:Tl.

Керамические сцинтилляторы на основе оксида цинка с улучшенными параметрами востребованы в позитрон-эмиссионной и компьютерной томографии, в устройствах, использующихся при таможенном контроле, в радиационном мониторинге, дефектоскопии.

1. Способ получения прозрачной сцинтилляционной ZnO керамики, включающий одноосное горячее прессование исходного материала в виде порошка оксида цинка с размером частиц от 0,1 до 1,0 мкм при давлении 100-200 МПа, отличающийся тем, что предварительно проводят обработку исходного материала путем холодного прессования при давлении 12-25 МПа, а горячее прессование осуществляют при температуре 900-1100°С.

2. Сцинтиллятор, включающий рабочее тело на основе прозрачной ZnO-керамики в форме диска, одно из оснований которого служит для приема ионизирующего излучения, а другое - для соединения с фотоприемником, отличающийся тем, что рабочее тело выполнено из прозрачной нелегированной керамики ZnO, обеспечивающей повышение световыхода до 120% относительно монокристаллического NaI:Tl и смещение максимума полосы излучения в длинноволновую область спектра 515-520 нм.