Сцинтилляционное вещество



Сцинтилляционное вещество
Сцинтилляционное вещество
Сцинтилляционное вещество
Сцинтилляционное вещество
Сцинтилляционное вещество
Сцинтилляционное вещество
Сцинтилляционное вещество
Сцинтилляционное вещество

 


Владельцы патента RU 2564038:

Общество с ограниченной ответственностью"НеоСцинт" (RU)

Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционных неорганических материалов для измерения ионизирующего изучения на основе силикатных стекол и стеклокомпозитов, активированных ионами церия, в частности к материалам для регистрации нейтронов. Техническим результатом изобретения является увеличение выхода сцинтилляций силикатных стекол, содержащих литий и активированных ионами редкоземельных активаторов. Присутствие в стекле нанокристаллитов дисиликата лития приводит к смещению суммарного спектра люминесценции ионов трехвалентного церия в длинноволновую область и увеличению суммарного выхода сцинтилляций. Исходное стекло и композит из стекла и нанокристаллитов включают в состав природный Li или Li, обогащенный изотопом Li-6 для более высокой чувствительности к тепловым нейтронам, а также другие легкие элементы из числа Si, Al, Mg и редкоземельный активатор из числа Ce, Pr, Eu, Tb, Dy, Yb. 2 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционных неорганических материалов для измерения ионизирующего изучения на основе силикатных стекол и стеклокомпозитов, активированных ионами церия, в частности к материалам для регистрации нейтронов.

Известны фосфатные сцинтилляционные стекла [1] для регистрации нейтронов, однако спектр люминесценции в таких стелах лежит в ультрафиолетовой области спектра, что требует применения фотоприемников с улучшенной спектральной чувствительностью в ультрафиолете.

Известны сцинтилляционные стекла, полученные в системе Li2O-MgO-SiO2-Ce [2, 3]. Спектр люминесценции в таких стеклах сдвинут в голубую область спектра по отношению к фосфатным стеклам, однако максимум полосы остается в диапазоне короче 400 нм и лежит в ближнем ультрафиолетовом диапазоне.

Известны сцинтилляционные стекла, содержащие Si, Al и Li, и активированные ионами церия. В таких стеклах выход сцинтилляций увеличивается с увеличением содержания алюминия [4]. Описан широкий ряд составов стекол в системе Li2O-Al2O3-Ce2O3-SiO2, в интервале составов: Li2O - 17,5-35,0 мол.% (8,5-20,5 вес.%), Al2O3 - 0-18,0 мол.% (0-29,7 вес.%), Се2О3 - 0,59-0,63 мол.% (3,18-3,85 вес.%), SiO2 - 54,9-79,3 мол.% (55,8-84,0 вес.%), для которых установлен эффект повышения световыхода сцинтилляций при термообработке в течение 1-6 часов при температуре 400°С. Недостатком указанных стекол является понижение содержания ионов лития в материале, что негативно сказывается на эффективности регистрации нейтронов.

Известны сцинтилляционные силикатные стекла, содержащие литий для поглощения нейтронов с природным соотношением изотопов, или обогащенные изотопом 6Li.Комбинация в активированном церием стекле только ионов Si и Li позволяет создавать сцинтилляционные вещества с наибольшей эффективностью регистрации тепловых нейтронов за счет повышенного содержания лития [5-7]. В Таблице 1 приведено сравнение содержания лития в различных сцинтилляционных стеклах, доступных на рынке. Недостатком стекол с максимальным содержанием лития является пониженный выход сцинтилляций по отношению к сцинтилляционным стеклам, активированным ионами Се и полученных в системах Si-Al-Li, Si-Mg-Li и Si-Al-Mg-Li.

Целью настоящего изобретения является увеличение выхода сцинтилляций силикатных стекол, содержащих литий и активированных ионами редкоземельных активаторов. В качестве прототипа принято стекло KG2 [8]. По сравнению со стеклами, содержащими Mg и Al, выход сцинтилляций в таком стекле в 2 раза меньше [5-7]. Использование для приготовления стекла реактивов высокой чистоты позволяет увеличить выход сцинтилляций до уровня 70% от выхода стекол, содержащих Mg и Al, однако это существенно удорожает стоимость такого стекла. Вместе с тем, повышенное содержание лития в таком стекле позволяет делать тоньше детекторные элементы, сохраняя высокую эффективность регистрации, что уменьшает эффект перепоглощения люминесценции.

Для решения поставленной задачи предлагается в стеклах, содержащих высокое количество Li-Si, создать наноразмерные включения дисиликата лития путем термической обработки стекла в указанном температурном диапазоне и заданном времени.

Известно, что стекло с составом, соответствующим стехиометрическому соотношению Li2O*2SiO2, кристаллизуется при дополнительной термической обработке с образованием стеклокерамики [9]. Образование кристаллических зародышей происходит гомогенно по всему объему стекла [10]. Такая стеклокерамика нашла широкое применение в технике и медицинском протезировании, содержит кристаллические включения дисиликата лития с размерами более 1 мкм и является непрозрачной. На рисунке 1 приведена термограмма стекла, полученного из смеси Li2O*2SiO2, измеренная методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и отображающая процессы, проходящие в стекле при нагреве. Точка 475°С соответствует температуре стеклования (Tg). Тепловой эффект с началом в районе 710°С и максимумом в районе 770°С соответствует кристаллизации дисиликата лития Li2Si2O5. Добавление ионов Се в систему сдвигает тепловой эффект кристаллизации в сторону больших температур.

Стекло, изготовленное в системе Li2O - SiO2 со стехиометрическим составом Li2O*2SiO2, позволяет сохранить высокое содержание ионов 1 л при добавочном введении в шихту окиси церия Се2О3 вплоть до 10 вес.%. На рисунках 2-4 приведены спектры фотолюминесценции и ее возбуждения в зависимости от температуры отжига при одинаковой длительности отжига. В образцах до отжига наблюдается характерная для таких стекол люминесценция ионов Се3+, имеющая максимумы полос вблизи 400 нм. Отжиг при температуре 550°С вблизи Tg не приводит к изменению спектров люминесценции и ее возбуждения. Отжиг при температуре 650°С в течение 1 часа приводит к сдвигу максимумов длинноволновых полос фотовозбуждения и фотолюминесценции на 12 нм и 25 нм соответственно. Изменение формы и структуры полос возбуждения указывает на образование новых центров свечения на основе ионов Се3+. На рисунке 5 приведены спектры рентгеновской дифракции образца стекла Li2O*2SiO2, активированного ионами церия, после термической обработки в течение 1 ч при 650°С и соответствующие линии кристаллического соединения дисиликата лития Li2Si2O5. Появление новых полос люминесценции коррелирует с появлением кристаллической фазы дисиликата лития, что позволяет соотнести новые полосы люминесценции с ионами Се3+ в кристаллитах дисиликата лития.

Размер кристаллитов дисиликата лития Li2Si2O5 в стекле определяется температурой отжига и его длительностью. Термическую обработку стекла проводят в условиях, препятствующих появлению кристаллитов с размерами более 100 нм. При большем размере частиц для длин волн видимого диапазона происходит существенное рассеяние света на таких частицах, что приводит к уменьшению регистрируемого выхода люминесценции. Люминесценция ионов Се3+ в стекле и в кристаллитах складывается, обеспечивая спектральный сдвиг суммарной полосы люминесценции. В случае, когда люминесценция является сцинтилляцией, ее выход увеличивается в кристаллических соединениях по сравнению с аналогичными по составу соединениями в стеклообразном состоянии, поэтому преобразование части стекла в кристаллическую фазу с тем же элементным составом приводит к увеличению суммарного выхода сцинтилляций.

Процесс приготовления материала включает в себя приготовление шихты из смеси исходных компонентов, возможную промежуточную термообработку шихты, возможное введение дополнительных компонентов в смесь, загрузку шихты в тигель (в зависимости от точного состава возможно использование корундового, платинового тиглей, или любого другого, распространенного в стекольной промышленности оборудования), варку стекла с использованием электрической либо газовой печи, выработку стекла в виде готового изделия либо в виде фритты. Варку ведут при температуре 1300-1400°С. Фритта может быть использована для формования конечного изделия методом горячего прессования, методом вакуумного спекания, либо путем повторного проплавления. Li2O вводится карбонатом лития 6Li2CO3, что обеспечивает присутствие атомов лития-6 (6Li) в матрице стекла.

Для приготовления шихты используются химические реактивы с содержанием основных компонентов не менее 99%. Полученное стекло отжигается на воздухе, либо в атмосфере инертного газа, либо в вакууме в диапазоне температур 500-750°С в течение интервалов времени от 1 мин до 100 часов. В таблице 2 приведены составы стекол и результат их термической обработки. Для сравнения дано содержание лития в прототипе.

Кристаллиты дисиликата лития Li2Si2O5 могут быть получены при термической обработке стекол, содержащих дополнительно Mg и/или Al. Однако в таких системах наблюдается конкуренция по кристаллизации различных соединений. На рисунке 6 приведены кристаллические соединения, которые могут быть получены в системе Li-Al-Si [11].

Предложенный материал отличается от описанных в [12, 13] нанокомпозитных сцинтилляторов, состоящих из матрицы (полимерной или стеклообразной) и наночастиц сцинтиллирующего вещества широкого ряда составов, поскольку наночастицы сцинтиллирующего вещества дисиликата лития в описываемом случае образуются непосредственно из атомов, входящих в состав стекла путем кристаллизации стекла при термической обработке, а сцинтилляционный эффект обусловлен сложением эффекта сцинтилляций как в стекле, так и в нанокристаллитах.

В зависимости от решаемых задач при детектировании нейтронов в качестве активатора могут быть использованы и другие трехвалентные ионы активаторов, такие как Pr, Eu, Tb, Dy, Yb. Ионы трехвалентного празеодима являются известным активатором для получения быстрых сцинтилляций в УФ области спектра за счет межконфигурационной люминесценции d→f в кислородных соединениях [14]. Ионы двухвалентного европия также обеспечивают сцинтилляции зелено-голубой области спектра за счет d→f люминесцентных переходов, однако время релаксации такой люминесценции выше более чем на порядок, чем в соединениях, активированных ионами трехвалентного церия. Ионы трехвалентных Eu, Tb, Dy, Yb перекрывают широкий диапазон спектра от 350 до 950 нм за счет f→f люминесцентных переходов с характерным временем затухания в диапазоне миллисекунд и могут использоваться для получения сцинтилляционного вещества, используемого при регистрации малоинтенсивных потоков термализованных нейтронов.

Литература

1. US Patent 201/0111487 A1.

2. V.I. Arbusovetal, Radiation Measurements 25(1-4), 1995, pp. 475-476.

3. Б.В. Шульгин и др., Физика твердого тела, т. 45, вып. 6, 2005, 1364-1367.

4. M. Blissetal., Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A, 342 (1994) 357-363.

5. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATINGGLASSES: PARTI. Activation by external charged particles and thermal neutrons, Nucl. Inst. & Meth. 135 (1976) 441-453

6. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATINGGLASSES: PARTIT The effect of temperature on pulse height and conductivity, Nucl. Inst. & Meth. 140 (1977) 19-28.

7. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATINGGLASSES: PARTIII. Pulse decay time measurements at room temperature ", Nucl. Inst. & Meth. 150 (1978) 159-163.

8. http://www.crystals.saint-gobain.com/uploadedFiles/SG Crvstals/Documents/Glass%20Scintillators.pdf.

9. W. Holand, G.H. Beall, Glass ceramics technology, Second edition, Wiley, 2012.

10. J. Deubener. Configurational entropy and crystal nucleation of silicate glasses. Phys. Chem. Glass. 45 (2004) 61.

11. A.E. Dosovitskiy, G.A. Dosovitskiy, M.V. Korjik, "Development of the new generation of glass-based neutron detection materials", SPIE Optics+Photonics, San Diego CA, USA, 12-16 Aug. 2012, in Proc. of SPIE 8507, 2012, 85070Q-1 - 9.

12. US Patent 2008/0128624 A1, D.W. Cooke, E.A. McKigney, R.E. Muenchausen, B.L. Bennett, K.C. Ott, R.E. Del Sesto, T.M. McCleskey, A.K. Burrell, "Nanocomposite scintillator and detector", опубликован 05.06.2008, приоритет 21.12.2005.

13. WO 2013/022492 A2, Ζ. Kang, B.K. Wagner, J.H. Nadler, R. Rosson, B. Kahn, M.B. Barta, "Transparent glass scintillators, methods of making same and devices using same", опубликован 14.02.2013, приоритет 29.03.2011.

14. Lecoq, P., Annenkov, Α., Gektin, Α., Korzhik, M., Pedrini, Inorganic Scintillators for Detector Systems // Springer. 2006. P. 251.

Сцинтилляционное вещество на основе силикатного стекла, содержащего ионы Si, Al, Mg и Li, активированного ионами Ce, Pr, Eu, Tb, Dy, Yb, отличающееся тем, что в стекле образованы наноразмерные включения дисиликата лития.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения люминесцентных стекол на основе силикатных, боросиликатных, боратных стекол и стеклокомпозитов, активированных редкоземельными ионами, в частности ионами Ce, Pr и Eu, для их использования в преобразователях энергии возбуждения в световое излучение видимого или УФ-диапазона.
(57) Изобретение относится к составам оптических стекол и может быть использовано в лазерных системах в качестве активных сред ап-конверсионных лазеров с диодной накачкой, преобразующих инфракрасное лазерное излучение в видимую область, а именно в зеленую область спектра.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу локальной нанокристаллизации легированных стекол под действием лазерного излучения.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к составам Yb-содержащих оптических стекол, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных), генерирующих в ближней инфракрасной области спектра. Техническим результатом изобретения является создание стекла, характеризующегося интенсивной широкополосной люминесценцией в ближней инфракрасной области спектра и пригодного для использования в качестве активной среды лазера.

Изобретение относится к области люминесцентных стекол для преобразования ультрафиолетового излучения в белый цвет. Техническим результатом изобретения является создание люминесцентного стекла с высокой прозрачностью в видимом диапазоне.

Изобретение относится к оптическому стеклу и может быть использовано для создания оптических усилителей в диапазоне длин волн второго окна прозрачности (1260-1360 нм) волоконных световодов на основе магнийалюмокварцевого стекла.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к плавленому алюмоборатному стеклу, активированному трехзарядными ионами церия (Се3+) и тербия (Tb3+), которое может использоваться в качестве визуализатора ультрафиолетовых изображений и светового трансформатора из ультрафиолетовой в желто-зеленую область спектра.

Изобретение относится к легированным прозрачным стеклокристаллическим материалам, которые могут использоваться в качестве активной среды лазеров и усилителей в ближней ИК области.

Изобретение относится к фторидным оптическим стеклам, обладающим способностью к люминесценции в диапазоне 1000-1700 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 400-1100 нм.

Изобретение относится к легированным стеклам, в частности к Yb-содержащему кварцевому стеклу, полученному по золь-гель процессу, которое может использоваться в качестве активного материала лазеров и усилителей инфракрасного диапазона.

Изобретение относится к способу получения радиационно-защитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для изготовления конструкционных изделий радиационной защиты.

Изобретение относится к строительству и промышленности строительных материалов, в частности к способам изготовления комплексных нанодисперсных добавок. Способ изготовления комплексной нанодисперсной добавки для высокопрочного бетона заключается в получении путем ультразвукового диспергирования при частоте ультразвука 35 кГц суспензии с концентрацией твердой фазы 3%.

Изобретение относится к области химии, биологии и молекулярной медицины. Способ относится к получению наноразмерной системы доставки трифосфата азидотимидина в клетки млекопитающих и включает модификацию носителя, в качестве которого используют коммерческие аминосодержащие наночастицы диоксида кремния размером до 20 нм, путем суспендирования последних в ДМСО, содержащем 5% триэтиламин, до конечной концентрации 50-100 мг/мл с последующей обработкой полученной суспензии равным объемом 5% N-гидроксисукцинимидного эфира 5-(пропинилокси)-5-оксопентановой кислоты или 10% пентафторфенилового эфира 6-пропинилоксигексановой кислоты в ДМСО и последующую иммобилизацию трифосфата азидотимидина на полученных алкино-модифицированных наночастицах.
Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности нанокапсулирования при получении нанокапсул аминогликозидных антибиотиков в оболочке из альгината натрия.

Изобретение относится к технологии обработки кремниевых монокристаллических пластин и может быть использовано для создания электронных структур на его основе. Способ электрической пассивации поверхности кремния тонкопленочным органическим покрытием из поликатионных молекул включает предварительную подготовку подложки для создания эффективного отрицательного электростатического заряда, приготовление водного раствора поликатионных молекул, адсорбцию поликатионных молекул на подложку в течение 10-15 минут, промывку в деионизованной воде и сушку подложки с осажденным слоем в потоке сухого воздуха, при этом в качестве подложки использован монокристаллический кремний со слоем туннельно прозрачного диоксида кремния, с шероховатостью, меньшей или сравнимой с толщиной создаваемого покрытия, предварительную подготовку кремниевой подложки проводят путем ее кипячения при 75°C в течение 10-15 минут в растворе NH4OH/H2O2/H2O в объемном соотношении 1/1/4, для приготовления водного раствора поликатионных молекул использован полиэтиленимин, а во время адсорбции поликатионных молекул на подложку осуществляют освещение подложки со стороны раствора светом с интенсивностью в диапазоне 800-1000 лк, достаточной для изменения плотности заряда поверхности полупроводниковой структуры за время адсорбции.

Изобретение относится к химической технологии. Способ предусматривает растворение в дистиллированной воде янтарной кислоты при температуре 20°C, фильтрацию нерастворившейся янтарной кислоты и добавление к полученному раствору низкомолекулярного хитозана, выдерживании при перемешивании со скоростью 200 об/мин в течение 2 часов.
Изобретение относится к полимерным пленочным материалам, модифицированным нанокомпозитными соединениями, предназначенным для применения в электронной промышленности, электротехнике, машиностроении.

Изобретение относится к фармацевтической промышленности, в частности к способу получения нанокапсул витаминов А, С, D, Е или Q10. Способ получения нанокапсул витаминов А, С, D, Е или Q10 заключается в том, что определенное количество витамина А, С, D, Е или Q10 добавляют в суспензию каррагинана в бутаноле, содержащую каррагинан в присутствии Е472с, при перемешивании, после чего приливают гексан, отфильтровывают полученную суспензию и сушат.

Изобретение относится к химии и водородной энергетике и может быть использовано в транспортном машиностроении. Водород получают в генераторе 1, направляют в приёмник 2, разделяют на два потока 3 и воздействуют на них импульсным магнитным полем с амплитудой магнитной индукции В более 100 гаусс.

Изобретение относится к технологиям получения наноструктурированного углеродного материала и может быть использовано в химической, электротехнической, машиностроительной промышленности при изготовлении усиливающих наполнителей резин и пластмасс, пигментов для типографских красок, в производстве сплавов, специальных сортов бумаги, электродов, гальванических элементов.

Изобретение может быть использовано электронике, энергетике и медицине. Плёнку двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода получают напылением методом импульсно-плазменного испарения графитового катода. Растущую на подложке пленку, образуемую параллельными цепочками углеродных атомов, одновременно с напылением стимулируют ионами аргона и дополнительно стабилизируют ионами водорода, вводимыми в процессе конденсации углерода в плазму дугового разряда. Полученные пленки имеют толщину до нескольких микрон, высокую анизотропию электрофизических и физико-химических характеристик. 6 ил., 1 пр.
Наверх