Кристаллы на основе бромида таллия для детекторов ионизирующего излучения

Изобретение относится к области получения материалов детекторов для регистрации ионизирующего излучения, которые могут быть использованы для инфракрасной оптики, лазерной техники, акустооптики. Кристалл на основе бромида таллия дополнительно содержит бромид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: бромид таллия - 99,9972-99,99993, бромид кальция - 0,0028-0,00007 . Техническим результатом изобретения является повышение детекторных характеристик материала: подвижность носителей заряда µτе до 7,3·10-4 см2/В, µτh до 1,5·10-4 см2/В для электронов и дырок, соответственно, удельное сопротивление до 3,5·1011 Ом·см, и обеспечение стабильности свойств в процессе эксплуатации.

 

Изобретение относится к области получения материалов детекторов для регистрации ионизирующего χ- и γ-излучения, а именно кристаллов на основе бромида таллия, а также может быть использовано как оптический материал для инфракрасной оптики, лазерной техники, акустооптики.

Бромид таллия (TlBr) имеет высокие атомные номера составляющих компонентов (Тl-81, Вr-35), большую плотность - 7,56 г/см2 и, соответственно, высокую поглощающую способность χ- и γ-излучений. Широкая запрещенная зона (2,68 эВ) потенциально позволяет детекторам на его основе работать при комнатных температурах с низкими токами утечки. Невысокая температура плавления 460°С и отсутствие фазовых переходов при охлаждении от температуры кристаллизации до комнатной дают возможность выращивать из расплава монокристаллы диаметром до 100 мм на сравнительно простом оборудовании. Негигроскопичность TlBr допускает его использование без дополнительных защитных покрытий.

Однако при использовании детекторов ионизирующего излучения на основе TlBr детекторные свойства материала сохраняются не более одного-двух часов. Технической задачей изобретения является повышение детекторных характеристик материала и сохранение стабильности работы детекторов на их основе в течение всего периода эксплуатации.

Известны кристаллы TlBr, диаметром 1,4 см и длиной от 3 до 4 см, выращенные методом Бриджмена-Стокбаргера, для которых соли с исходным содержанием бромида таллия 99,999 % масс очищают зонной плавкой при 20-50-кратном проходе зоны. Однако предварительная глубокая очистка не позволяет достичь высоких транспортных свойств носителей заряда (µτе=1,3·10-5 см2/В и µτh=1,5·10-6 см2/В). Недостаточность детекторных параметров обусловлена не посторонними примесями в материале, а собственными дефектами кристаллов и отклонением от стехиометрии (Olschner F. Toledo-Quinones М, Shah K.S., Lund J.C. Charge carrier transport properties in thallium bromide crystals used as radiation detectors // IEEE Transactions of Nuclear Science. 1990. Vol.37. №3. P.1162-1164).

Известны кристаллы TlBr, полученные из солей, прошедших многократную очистку методом зоной плавки, и выращенные методом плавающей зоны при атмосферном давлении. Такой материал имеет следующие детекторные характеристики: подвижность носителей заряда µτе и µτh не более 2,6·10-4 см2/В и 3,7·10-5 см2/В для электронов и дырок, соответственно, и удельное сопротивление 3·1010 Ом·см, что не достаточно для длительного детектирования с высоким разрешением, поскольку применение для выращивания кристаллов метода плавающей зоны ведет к значительным термическим напряжениям при выращивании, структурной неоднородности получаемых кристаллов и к ухудшению свойств материала в процессе эксплуатации (Hitomi К., Muroi О., Matsumoto М., Hirabuki R., Shoji Т., Suehiro Т., Hiratate Y. Recent progress in thallium bromide detectors for x- and γ-ray spectroscopy // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2001. №458. P.365-369; принято за прототип).

Известны кристаллы бромида таллия, легированные РbВr2 и InBr, полученные путем загрузки бромида таллия в контейнер, добавления в бромид таллия легирующей примеси бромида индия или бромида свинца, откачки и запаивания ампулы, плавления материала, выдержки расплава при 500°С в течение 100 часов, роста кристаллов состава (ТlВr)0,973-(InBr)0,027 и (ТlВr)0,972-(РbВr2)0,028 перемещением расплава в температурном градиенте. Полученные кристаллы бромида таллия, легированные бромидом свинца или бромидом индия, отличаются по, цвету, прозрачности, оптическим и электронным свойствам по длине, что говорит о неоднородности по составу и нестабильности свойств материала, что в свою очередь не обеспечивает воспроизводимость детекторных характеристик (Dmitriev Y., Bennett P.R., Cirignano L.J., Gupta Т.К., Higgins W.M., Shah K.S., Wong P. Doping impact on the electro-optical properties of TlBr crystal // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2007. №578. P.510-514).

Техническим результатом изобретения является повышение детекторных характеристик материала: µτе до 7,3·10-4 см2/В, µτh до 1,5-10-4 см2/В, удельное сопротивление до 3,5·1011 Ом·см и обеспечение стабильности свойств в процессе эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что кристалл на основе бромида таллия для детекторов ионизирующего χ- и γ- излучения согласно изобретению дополнительно содержит бромид кальция при следующем соотношении компонентов (массовые %):

бромид таллия 99,9972-99,99993,

бромид кальция 0,0028-0,00007.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа, где кристаллы бромида таллия легированы соединениями двухвалентного свинца или индия, бромид таллия содержит дополнительно бромид кальция в количестве 0,0028-0,00007 % масс. Наличие в кристаллах ионов кальция на уровне примеси придает материалу детекторные свойства, так как происходит рост структурно однородных кристаллов с градиентом концентрации легирующей примеси не более 0,5·10-6 % масс/см по длине кристалла.

При концентрации примеси бромида кальция менее 0,00007 % масс не обеспечивается стабилизация детекторных характеристик во времени. При концентрации легирующей примеси более 0,0028 %масс происходит ликвация примеси по длине кристалла при выращивании, в результате нарушается структурная целостность и осевая стабильность электрофизических характеристик, что не позволяет использовать бромид таллия в качестве детекторного материала.

Примеры получения материала.

В ампулу термостойкого боросиликатного стекла, имеющую диаметр 24 мм, с коническим носиком, отливкой для вакуумирования и перетяжкой для запаивания загружают 250 г TlBr. Добавляют легирующую примесь - бромид кальция - в количестве 0,0021 г. Ампулу вакуумируют до остаточного давления воздуха 10-2 мм рт.ст. и запаивают на газовой горелке.

Запаянную ампулу с материалом помещают в вертикальную двухзонную печь сопротивления. Бромид таллия нагревают до температуры 480°С и расплавляют. Включают привод опускания ампулы и проводят кристаллизацию расплава перемещением ампулы в нижнюю низкотемпературную (350°С) зону печи со скоростью 2 мм/час. После полной кристаллизации расплава кристалл охлаждают до комнатной температуры со скоростью 30 град/час.

По данным измерения методом Ван дер Пау, при напряжении 20 В на вырезанных из кристаллов образцах размером 4·4·2 мм с нанесенными индиевыми омическими контактами легирование материала увеличивает удельное сопротивление до 3,5·1011 Ом·см. Удельное сопротивление рассчитано для температуры 18°С с учетом энергии активации темновой проводимости Еа=0,9 эВ. Рассчитанные методом Гехта значения подвижностей носителей заряда достигают µτе=7,3·10-4 см2/В и µτh=1,5-10-4 см2/В для концентрации СаВr2 0,00085 % масс. Было проведено 10 измерений в течение 12 месяцев, данные по составу и значения детекторных характеристик с учетом их изменения во времени приведены в таблице 1.

Таблица 1
Примеры состава кристаллов
№ состава Содержание компонентов, % масс ρ, Ом·см µτе, см2 µτh, см2
TlBr СаВr2
1 99,99996 0,00004 5,0·1010±3·1010 4,0·10-5±1,7·10-5 2,4·10-5±0,8·10-5
2 99,99993 0,00007 8,0·1010±0,7·1010 3,1·10-4±0,5·10-4 5,2·10-5±0,3·10-5
3 99,99915 0,00085 3,5·1011±0,2·1011 7,3·10-4±0,3·10-4 1,5·10-4±0,1·10-4
4 99,9972 0,0028 6,2·1011±0,1·1011 4,0·10-4±0,7·10-4 7,2·10-5±0,4·10-5
5 99,9958 0,0042 2,8·1011±0,2·1011 3,7·10-5±0,1·10-5 2,1·10-5±0,1·10-5

Таким образом, легирование бромида таллия примесью бромида кальция позволяет вырастить кристалл, материал которого обладает стабильными значениями транспортных свойств носителей заряда и удельного сопротивления.

Кристалл на основе бромида таллия для детекторов ионизирующего χ- и γ-излучения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бромид кальция при следующем соотношении компонентов, мас. %:

бромид таллия 99,9972-99,99993
бромид кальция 0,0028-0,00007.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в медицинских томографах, при неразрушающем контроле в промышленности, для обеспечения безопасности при осмотре личного имущества, в физике высоких энергий.
Изобретение относится к области получения материалов, прозрачных в инфракрасной области спектра, а именно кристаллов галогенидов серебра и таллия, которые могут быть использованы для изготовления оптических элементов, прозрачных в области длин волн от 0,4 до 25 мкм, а также для изготовления волоконных световодов ИК-диапазона.
Изобретение относится к области получения материалов прозрачных в инфракрасной области спектра, а именно кристаллов галогенидов серебра, которые могут быть использованы для изготовления оптических элементов прозрачных в области длин волн от 0,4 до 15 мкм, а также для изготовления волоконных световодов среднего ИК диапазона.

Изобретение относится к технологии получения оптических поликристаллических материалов, а именно фторидной керамики, имеющей наноразмерную структуру и усовершенствованные оптические, лазерные и генерационные характеристики.
Изобретение относится к технологии получения оптических поликристаллических материалов, а именно фторидной керамики, имеющей наноразмерную структуру и усовершенствованные оптические, лазерные и генерационные характеристики.

Изобретение относится к новым неорганическим сцинтилляционным материалам, к новому сцинтиллятору кристаллического типа, особенно в форме монокристалла, и может быть использовано для регистрации ионизирующего излучения в виде электромагнитных волн низких энергий, гамма-излучения, рентгеновского излучения, космических лучей и частиц в фундаментальной физике, устройствах компьютерной томографии, РЕТ-томографах, в томографах нового поколения, гамма-спектрометрах, в карго-сканерах, в системах каротажа скважин, в системах радиационного контроля и др.
Изобретение относится к области изготовления оптических монокристаллов фторидов металлов, в частности к способу их вторичного отжига. .
Изобретение относится к области выращивания из расплава монокристаллов оптических фторидов щелочноземельных металлов путем их охлаждения при температурном градиенте с использованием затравочного кристалла.

Изобретение относится к оксидным сцинтилляционным монокристаллам, предназначенным для приборов рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) и обследования просвечиванием излучением.

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики УФ-диапазона спектра.

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов из расплава, в частности к получению материалов для лазерной техники, предназначенных для модуляции добротности лазерного излучения (пассивным лазерным затворам).

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов кремния способом Чохральского или мультикристаллов кремния методом направленной кристаллизации, которые в дальнейшем служат материалом для производства солнечных элементов и батарей (модулей) с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Изобретение относится к изготовлению легированных монокристаллов или поликристаллов кремния, применяемых в производстве солнечных батарей (модулей), интегральных схем и других полупроводниковых устройств.

Изобретение относится к способу получения окрашенных кристаллов берилла для использования в ювелирной промышленности. .

Изобретение относится к области получения монокристаллических материалов методом Бриджмена для электронной техники, в частности монокристаллов марганец-цинкового феррита для магнитных головок.

Изобретение относится к способу получения твердых полупроводников, более конкретно к кремнию в форме слитков или полос, используемых для производства субстратов фотогальванических элементов. Способ получения твердых полупроводников включает в себя стадии приготовления расплава полупроводника из первой порции полупроводника, которая содержит легирующие добавки, отверждения расплавленного полупроводника, и дополнительно включает в процессе отверждения добавление в один или несколько приемов дополнительных порций полупроводника, также содержащих легирующие добавки, в расплав полупроводника. Способ, согласно изобретению, обеспечивает получение желаемой электропроводности полупроводника и предотвращает ее изменение в полупроводнике. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов и может быть использовано в лазерном приборостроении, в частности, для изготовления активных элементов перестраиваемых лазеров среднего инфракрасного (ИК) диапазона, основным применением которых является медицина, спектроскопические исследования, а также контроль загрязнения окружающей среды. Материал для активных элементов перестраиваемых лазеров на основе селенида цинка, легированного хромом, дополнительно содержит примесь магния в концентрации 0,13<х<0,6 и образует твердый раствор замещения Zn1-xMgxSe:Cr2+. Материал характеризуется высоким значением ширины запрещенной зоны ΔEg=(2,85-3,15) эВ. Максимум полосы люминесценции ZnMgSe:Cr2+ наблюдается на длине волны 2,480-2,485 мкм. 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к способам выращивания ориентированных поликристаллов кремния из расплавов методами направленной кристаллизации и рассчитано на получение материала для изготовления пластин для фотоэлектропреобразователей (солнечных батарей) из металлургического кремния. Поликристаллы кремния производятся в вертикальной установке, обеспечивающей необходимый градиент температур, двумя циклами направленной кристаллизации с добавлением на втором цикле для получения кремния p-типа за счет лигатуры кремний - бор или сильно легированного галлием германия, а для получения кремния n-типа - лигатуры в виде сильно легированного мышьяком германия. Предлагаемый способ позволяет получать значительную экономию за счет использования дешевого исходного сырья - металлургического чернового кремния. 3 пр.
Изобретение относится к области получения материалов, прозрачных в инфракрасной области спектра, которые могут быть использованы для изготовления оптических элементов, прозрачных в области длин волн от 0,4 до 25 мкм, неохлаждаемых детекторов χ- и γ - излучений для ядерно-физических методов диагностики и контроля, а также изготовления волоконных световодов ИК-диапазона. Способ получения кристаллов галогенидов таллия включает синтез соли галогенида таллия путем барботирования смеси инертного газа с парами галогена через расплав металлического таллия, очистку соли вакуумной дистилляцией расплава в контейнере и выращивание кристалла, при этом вакуумную дистилляцию проводят в контейнере, установленном под углом 30-50 град относительно горизонтальной плоскости, при вращении контейнера вокруг его продольной оси со скоростью 60-100 об/мин. Изобретение обеспечивает повышение производительности и упрощение процесса получения кристаллов. 2 пр.
Изобретение относится к области технологии оптических кристаллических материалов, используемых в качестве оптической среды повышенной радиационной стойкости, предназначенной для передачи фотонного излучения с различной частотой и мощностью оптических сигналов. Кристаллы фторидов щелочноземельных металлов получают из расплавленной шихты, содержащей примесь фторида натрия или калия и дополнительно добавку фторида лантана при весовом соотношении между добавкой фторида лантана и примесью фторида щелочного металла 0,2-0,3 и концентрации фторида лантана не более 1 мол.%. Технический результат - повышение пропускания щелочноземельных фторидов около границы вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра как в обычных условиях эксплуатации, так и в полях ионизирующих излучений высокой плотности, а также радиационной стойкости кристаллов. 6 пр.

Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционных монокристаллов и может быть использовано при изготовлении чувствительных элементов детекторов гамма- и рентгеновского излучения Сцинтилляционные монокристаллы La(1-m-n)HfnCemBr(3+n), где m - мольная доля замещения La церием (0,0005≤m≤0,3), n - мольная доля замещения La гафнием (0≤n≤0,015), получают из смеси бромидов металлов. Шихту загружают в кварцевую ампулу с затравкой, ампулу вакуумируют, запаивают, устанавливают в ростовую установку, нагревают до расплавления шихты, выдерживают до установления в расплаве равновесного состояния, выращивают монокристалл путем создания в ампуле градиентного температурного участка и охлаждают, при этом используют многозонную ростовую установку с электродинамическим перемещением температурного градиента в продольно-осевом направлении. Для расплавления шихты температуру нагревателя установки в зоне затравки t1 выбирают из интервала 685°C<t1<720°C, температуру следующего нагревателя t2 - из интервала 770°C≤t2≤790°C. После расплавления шихты ампулу выдерживают не менее 10 часов, выращивание монокристалла осуществляют перемещением температурного градиента вдоль продольной оси установки со скоростью 0,3 мм/ч≤vтг≤0,5 мм/ч, при этом пограничные значения температур так называемых холодной tхз и горячей tгз зон градиентного участка выбирают из интервалов 720°C<tхз≤740°C и 790°C≤tгз≤820°C, а охлаждение ампулы осуществляют со скоростью не более 15°C/ч. Технический результат: точность поддержания температурных полей, стабильность их перемещения на всех этапах выращивания кристалла, строгий контроль температурных и временных параметров ростового процесса, получение с высоким выходом монокристаллов с заданными оптическими характеристиками и размерами. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 9 пр.
Наверх