Композиционный материал нейтронного сцинтиллятора, способ его изготовления и включающее его изделие
Изобретение относится к композиционному материалу нейтронного сцинтиллятора. Материал включает нейтронный сцинтиллятор формулы Li6Mg1-xCexBr8, где 0<х<1, и связующее, имеющее показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора. При этом композиционный материал нейтронного сцинтиллятора получен горячим прессованием смеси сцинтиллятора и связующего. Также предложены способ изготовления композиционного материала и изделие. Изобретение позволяет минимизировать рассеяние на поверхности(ях) раздела между сцинтиллятором и связующим, получая эффективность пропускания, которая приближается к одиночным кристаллам. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл., 2 пр.
Настоящее изобретение в основном связано со сцинтилляторами и, более конкретно, со сцинтилляторными композициями для обнаружения нейтронов и способами их изготовления.
Сцинтилляторные материалы (далее сцинтилляторы) широко используют в детекторах излучения высокой энергии, например, гамма-излучения, рентгеновского излучения, космических лучей, нейтронов и других частиц, отличающихся уровнем энергии, большим или равным примерно 1 кэВ. Сцинтиллятор соединяют с устройствами обнаружения света, такими, например, как фоточувствительный элемент. Когда излучение воздействует на сцинтиллятор, сцинтиллятор излучает свет. Фоточувствительный элемент производит электрический сигнал, пропорциональный количеству и интенсивности полученных световых импульсов. Сцинтилляторы широко используют во многих применениях. Примеры включают медицинское оборудование для создания изображений, например устройства позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ), каротаж скважин для нефтяной и газовой промышленности, портативные и переносные детекторы для национальной безопасности и различные применения в цифровых изображениях.
При обнаружении нейтронов путем твердотельной сцинтилляции, возможно наиболее используемый материал разработан на основе гранулированной смеси 6-LiF и ZnS:Ag. Каждый компонент в этой смеси представляет «наилучшую в данном классе» производительность (то есть, соответственно, поглощение нейтронов и люминесценцию). В случае поглощения нейтронов структура кристалла LiF предлагает одну из наивысших плотностей активных центров Li в твердом состоянии и поэтому максимизирует вероятность взаимодействия с нейтроном, когда она обогащена 6-Li. В случае люминесценции ZnS:Ag является одним из наиболее ярких известных люминофоров и остается непревзойденным в его эмиссии под воздействием альфа-частиц и тритонов (то есть побочных продуктов захвата нейтрона 6-Li). Таким образом, сочетание 6-LiF и ZnS:Ag, удерживаемых друг с другом оптически прозрачным связующим материалом (связующим), образует композиционный материал нейтронного сцинтиллятора (КМНС), обладающий исключительной эффективностью.
К сожалению, композиционный материал нейтронного сцинтиллятора, когда он состоит из таких гранулированных смесей (например, 6-LiF/ZnS:Ag, 10-B2O3/ZnS:Ag и т.п.), подвержен оптическим потерям вследствие рассеяния света на внутренних поверхностях раздела и поглощения света в течение его прохождения. Последнему способствует ZnS:Ag, который может сам поглощать свою собственную люминесценцию. Эти механизмы потерь вызывают ограничения по толщине: увеличение толщины КМНС выше определенного порогового значения (например, примерно 1,0 мм для смесей 6-LiF/ZnS:Ag) не обеспечивает дополнительного светового выхода, несмотря на дополнительную способность к поглощению нейтронов. Таким образом, недоступны большие непрерывные объемы, и, что не менее важно, многие подходящие формы нельзя применить без применения значительных обходных приемов.
Краткое описание изобретения
В изобретении решают проблему оптической прозрачности путем: (1) объединения функциональной возможности поглощения нейтронов и люминесценции в одной композиции сцинтиллятора и (2) согласования показателей преломления связующего материала с материалом нейтронного сцинтиллятора. Эти характеристики значительно уменьшают внутреннее поглощение и рассеяние, усиливая таким образом световой выход массы КМНС. В результате возрастает количество и интенсивность оптических импульсов, достигающих фоточувствительного элемента, что, в свою очередь, существенно улучшает эффективность обнаружения нейтронов.
Величина внутреннего поглощения и рассеяния зависит от типа и площади поверхности оптических поверхностей раздела в КМНС. Для традиционных КМНС, включающих гранулированные смеси (например, 6-LiF/ZnS:Ag), количество возможных оптических поверхностей раздела составляет пять (например, 6-LiF/связующее, ZnS:Ag/связующее, 6-LiF/ZnS:Ag, 6-UF/LiF и ZnS:Ag/ZnS:Ag). В отличие от этого, количество возможных поверхностей раздела по изобретению равно двум: сцинтиллятор-связующее и сцинтиллятор-сцинтиллятор. В последнем случае, представляющем контакт одинакового материала, уже осуществлено согласование по показателю преломления, так что количество поверхностей раздела фактически равно одному. Поэтому внедрение одинарной композиции уменьшает оптическую запутанность и увеличивает прозрачность.
Помимо этого нейтронные сцинтилляторы по изобретению показывают показатели преломления (n~1,3-1,7), которые перекрывают показатели преломления известных эпоксидных материалов, термопластических материалов, легкоплавких неорганических стекол и т.п. (n~1,4-1,6). Поэтому данные композиции допускают согласование по показателю преломления, что применяют для устранения оптических потерь на поверхности раздела сцинтиллятор-связующее. Это улучшение прозрачности делает возможным использование больших непрерывных объемов подходящих форм, что позволяет отказаться от более дорогих воплощений с использованием монокристаллов. В противоположность этому, традиционные КМНС часто содержат ZnS:Ag, чей высокий показатель преломления (n~2,2) препятствует согласованию по показателю преломления с известными связующими. Поэтому массы обычных КМНС являются непрозрачными и ограничивают толщину величиной, составляющей 1 мм.
К тому же композиционные материалы нейтронного сцинтиллятора по изобретению, например материалы, в которых связующее представляет собой поликарбонатную смолу или подобное соединение, обладают высокой ударной прочностью. Эта прочность делает возможным изготовление больших детекторов нейтронов.
Сущность изобретения
Следовательно, в одном аспекте изобретение относится к композиционному материалу нейтронного сцинтиллятора, включающему содержащий церий нейтронный сцинтиллятор, имеющий отличные от нуля концентрации лития (Li), магния (Mg) и брома (Br), и связующее, имеющее показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора. В некоторых воплощениях Li в содержащем церий нейтронном сцинтилляторе обогащен 6Li.
В связанном аспекте изобретение относится к композиционному материалу нейтронного сцинтиллятора, включающему содержащий церий нейтронный сцинтиллятор формулы:
LiyMgBry+2, где y=2, 4 или 6, и
связующий материал, имеющий показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора.
В другом аспекте изобретение относится к композиционному материалу нейтронного сцинтиллятора, включающему содержащий церий нейтронный сцинтиллятор формулы:
LiyMg1-xCexBry+2, где 0≤x<1, и y=2, 4 или 6, и связующий материал, имеющий показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора.
В еще одном воплощении изобретение относится к композиционному материалу нейтронного сцинтиллятора, включающему содержащий церий нейтронный сцинтиллятор формулы:
Li6Mg1-xCexBr8, где 0≤x<1, и связующий материал, имеющий показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора.
В еще одном связанном аспекте настоящее изобретение относится к детектору нейтронов, включающему композиционный материал нейтронного сцинтиллятора, описанный в данном документе.
В еще одном связанном аспекте настоящее изобретение относится к способу изготовления композиционного материала нейтронного сцинтиллятора, причем данный способ включает смешивание содержащего церий нейтронного сцинтиллятора, имеющего отличные от нуля концентрации Li, Mg и Br, со связующим, имеющим показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора. В некоторых воплощениях связующее придает смеси достаточную текучесть так, что из композиционного материала нейтронного сцинтиллятора можно образовать формованное изделие.
В еще одном воплощении настоящее изобретение относится к способу изготовления композиционного материала нейтронного сцинтиллятора, причем данный способ включает смешивание содержащего церий нейтронного сцинтиллятора формулы
LiyMg1-xCexBry+2, где 0≤x<1, и y=2, 4 или 6
со связующим материалом, имеющим показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора.
В связанном аспекте связующее можно выбрать из термопластичной смолы или термореактивной смолы, включающей, но не ограничивающейся перечисленным, смолу, выбранную из группы, состоящей из полиацеталя, полиакрила, полиамида, полиамидимида, полиангидрида, полиарилата, полиарилсульфона, полибензимизадола, полибензотиазинофенотиазина, полибензотиазола, полибензоксазола, поликарбоната, поликарборана, полидибензофурана, полидиоксоизоиндолина, полиэстера, полиэфирэфиркетона, полиэфиркетонкетона, полиэфиримида, полиэфиркетона, полиэфирсульфона, полиимида, полиоксабициклонана, полиоксадиазола, полиоксиндола, полиоксоизоиндолина, полифениленсульфида, полифосфазена, полифталида, полипиперазина, полипиперидина, полипиразинохиноксалина, полипиразола, полипиридазина, полипиридина, полипиромеллитимида, полипирролидина, полихиноксалина, полисилазана, полистирола, полисульфида, полисульфонамида, полисульфоната, полисульфона, политетрафторэтилена, политиоэстера, политриазина, политриазола, полимочевины, поливинилового спирта, поливинилэстера, поливинилэфира, поливинилгалогенида, поливинилкетона, поливинилнитрила, поливинилтиоэфира и их сочетаний.
В еще одном аспекте изобретение относится к способу изготовления нейтронного сцинтиллятора, включающему: смешивание определенных количеств LiBr, MgBr2 и CeBr3, измельчение смеси до мелкого порошка, и нагревание смеси до температуры, составляющей от примерно 600°C до примерно 800°C с получением нейтронного сцинтиллятора формулы LiyMgBry+2, где y=2, 4 или 6. Композиционный материал нейтронного сцинтиллятора по изобретению затем изготавливают путем смешивания нейтронного сцинтиллятора со связующим, имеющим показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора. Из композиционного материала нейтронного сцинтиллятора можно образовать сформованное изделие, такое как детектор нейтронов.
Графические материалы
Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны при прочтении следующего подробного описания со ссылкой на приложенные чертежи.
На Фиг.1 показана схема устройства для создания потока нейтронов для оценки композиционного материала нейтронного сцинтиллятора по изобретению.
На Фиг.2 показано световое излучение (число отсчетов на канал) от воплощения сцинтиллятора по изобретению при облучении потоком нейтронов, составляющим (1) 12 n/см2/с и (2) 24,5 n/см2/с.
На Фиг.3 показано световое излучение (число отсчетов на канал) от диска, содержащего композиционный материал нейтронного сцинтиллятора по изобретению, включающего Li6Mg0,99Cex=0.01Br8, и прессованного при температуре 210°C.
На Фиг.4 показано световое излучение (число отсчетов на канал) от диска, содержащего композиционный материал нейтронного сцинтиллятора по изобретению, включающего Li6Mg0,99Cex=0.01Br8, и прессованного при температуре 230°C.
На Фиг.5 показано световое излучение (число отсчетов на канал) от диска, содержащего композиционный материал нейтронного сцинтиллятора по изобретению, включающего Li6Mg0,99Cex=0.01Br8 и прессованного при температуре 250°C.
На Фиг.6 показано, что нейтронный сцинтиллятор на основе лития по изобретению сравним с промышленным нейтронным экраном (AST).
Подробное описание изобретения
Все ссылки, включая патенты и опубликованные заявки на изобретение, процитированные в данном документе, включены путем ссылки во всей их полноте в объект заявки на изобретение.
Ниже описаны подробности композиционного материала нейтронного сцинтиллятора (КМНС) по изобретению, включающего нейтронный сцинтиллятор и связующее.
1. Нейтронный сцинтиллятор
В общем, способность нейтронного сцинтиллятора к обнаружению нейтронного излучения обуславливается присутствием 6-Li, который имеет большое сечение поглощения тепловых нейтронов. Процесс поглощения приводит к распаду 6-Li с получением заряженных альфа-частицы и тритона, как показано в реакции 6-Li(n,α) ниже:
6Li+1n→4α+3Н (Q=4,78 МэВ)
Кинетическая энергия заряженных альфа-частицы и тритона (то есть Q), составляющая 4,78 МэВ, является высокой и обеспечивает значительный перенос энергии «за одно событие» в люминесцентное вещество на основе 6-Li. Таким образом, внедряя 6-Li, создают материалы, которые обладают исключительной способностью к поглощению нейтронов. В данном изобретении 6-Li включают в состав материала нейтронного сцинтиллятора, чьи кристаллические решетки являются высокоэффективными при переносе энергии к активаторам сцинтилляции. Эти активаторы, после возбуждения, переходят обратно в их основные состоянии, излучая фотоны, характерные для явления сцинтилляции.
Содержание 6-Li в материале нейтронного сцинтиллятора может изменяться в пределах 0%<6-Li≤100% (то есть содержание 6-Li должно быть ненулевым). Относительное содержание 6-Li в природе составляет 7,59% и наивысшее содержание в промышленном источнике в настоящее время составляет 95%. В последующих описаниях композиционных материалов в ссылках на «Li» предполагают отличное от нуля содержание 6-Li.
В одном аспекте изобретения нейтронный сцинтиллятор по изобретению в качестве активатора сцинтилляции включает церий. Включение иона церия в нейтронный сцинтиллятор формулы (I) ниже увеличивает световой выход материала нейтронного сцинтиллятора по сравнению с нейтронным сцинтиллятором, который не включает ион церия. Включение церия в качестве активатора сцинтилляции описано в патентной заявке US 2008/0131347 A1 (Srivastava et al.), полное содержание которой включено в данный документ путем ссылки.
В одном воплощении нейтронный сцинтиллятор включает соединение формулы
LiyMg1-xCexBry+2, где y=2, 4 или 6 (I)
и Li включает нуклиды одного из 6-Li и 7-Li, и x может иметь значения от 0 до 1, но не включая 1.
Вышеупомянутые включающие церий нейтронные сцинтилляторы формулы (I) являются самоактивирующимися. Другими словами, в композициях нейтронных сцинтилляторов по изобретению не используют отдельного соединения активатора, так как церий действует как активатор (то есть источник нейтронного излучения, измеряемого детектором сцинтилляции), и как основа люминесцентного вещества.
В одном воплощении ионы церия включают в нейтронный сцинтиллятор формулы (I), используя бромид церия. В примере воплощения бромид церия одновременно добавляют к нейтронному сцинтиллятору формулы
LiyMgBry+2, где y=2, 4 или 6
с образованием твердого раствора. Способы приготовления таких твердых растворов описывают в патентной заявке US 2008/0131347 A1 (Srivastava et al.), полное содержание которой включено в данный документ путем ссылки.
В другом воплощении стехиометрические количества бромида церия, бромида лития и бромида магния смешивают, измельчают до мелкого порошка и затем нагревают до температур от примерно 600°C до примерно 800°C. Стадию нагревания выполняют в среде, по существу не содержащей влаги и воздуха, например, в печи, расположенной в откачанной перчаточной камере.
Также нужно понимать, что вышеупомянутые нейтронные сцинтилляторы могут содержать небольшие количества примесей. Эти примеси обычно происходят от исходных материалов и обычно составляют менее примерно 0,1 масс.% материала нейтронного сцинтиллятора, и обычно составляют менее примерно 0,01 масс.% материала нейтронного сцинтиллятора.
Нейтронные сцинтилляторы также могут содержать паразитные фазы, чье объемное процентное содержание обычно составляет менее примерно 1%. К тому же в композиции сцинтилляторов можно целенаправленно включить небольшие количества других материалов, как описано в патенте US 6585913 (Lyons et al.), полное содержание которого включено в данный документ путем ссылки. Например, для уменьшения послесвечения можно добавить небольшие количества других редкоземельных галогенидов. Кальций и/или диспрозий можно добавить для уменьшения возможности возникновения радиационного разрушения.
Данные нейтронные сцинтилляторы обеспечивают преимущества по сравнению с другими промышленно поставляемыми материалами нейтронных сцинтилляторов. Например, нейтронный сцинтиллятор по изобретению может одновременно показывать короткое время затухания, пониженное послесвечение, высокую скорость поглощения нейтронов и высокий световой выход на акт поглощения нейтрона. Дополнительно, нейтронные сцинтилляторы можно изготовить экономичным способом и, когда они находятся в форме порошка, объединить со связующими материалами с образованием больших прозрачных и непрерывных объемов подходящих форм. Помимо этого композиционные материалы нейтронных сцинтилляторов по изобретению, например те, в которых связующее является поликарбонатной смолой или подобным соединением, имеют высокую ударную прочность, что делает их подходящими для изготовления больших детекторов нейтронов.
Во всех композициях содержание 6-Li может изменяться в пределах 0%<6-Li≤100% (то есть содержание 6-Li должно быть ненулевым). Относительное содержание 6-Li в природе составляет 7,59% и наивысшее содержание в промышленном источнике в настоящее время составляет 95%.
2. Прозрачное связующее
Один аспект изобретения состоит в том, что заявители открыли, что показатели преломления описанного выше нейтронного сцинтиллятора попадают в диапазон, перекрывающий диапазон показателей преломления известных эпоксидных материалов, термопластических материалов и легкоплавких неорганических стекол (то есть 1,3-1,6 против 1,4-1,6, соответственно). Это перекрывание можно использовать для выбора связующего, такого как эпоксидный материал, термопластичный материал, легкоплавкое неорганическое стекло и т.п., которое имеет показатель преломления, по существу идентичный показателю преломления описанных выше нейтронных сцинтилляторов. Другими словами, связующее является прозрачным в диапазоне длин волн фотонов, излученных описанными выше сцинтилляторами нейтронов, и позволяет фотонам эффективно проходить через композиционный материал нейтронного сцинтиллятора (КМНС) по изобретению. В результате КМНС по изобретению имеет пропускающую способность для излученных фотонов, которая приближается к пропускающей способности одиночного кристалла. Таким образом, КМНС по изобретению может действовать как световод для сбора и канализирования фотонов внутри самого КМНС, сильно увеличивая таким образом светосилу любого детектора излучения, в который можно поместить КМНС по изобретению.
В некоторых воплощениях связующее, используемое в КМНС по изобретению содержит одну или более термопластичных смол или термореактивных смол. Термопластичные и термореактивные смолы известны специалистам в данном уровне техники. В некоторых воплощениях связующее содержит одну или более смол, выбранных из группы, состоящей из смолы на основе акрилата, эпоксидной смолы, силоксановой смолы и их сочетаний. При выборе термопластичной смолы ее можно выбрать из группы, состоящей из полиацеталя, полиакрила, полиамида, полиамидимида, полиангидрида, полиарилата, полиарилсульфона, полибензимизадола, полибензотиазинофенотиазина, полибензотиазола, полибензоксазола, поликарбоната, поликарборана, полидибензофурана, полидиоксоизоиндолина, полиэстера, полиэфирэфиркетона, полиэфиркетонкетона, полиэфиримида, полиэфиркетона, полиэфирсульфона, полиимида, полиоксабициклонана, полиоксадиазола, полиоксиндола, полиоксоизоиндолина, полифениленсульфида, полифосфазена, полифталида, полипиперазина, полипиперидина, полипиразинохиноксалина, полипиразола, полипиридазина, полипиридина, полипиромеллитимида, полипирролидина, полихиноксалина, полисилазана, полистирола, полисульфида, полисульфонамида, полисульфоната, полисульфона, политетрафторэтилена, политиоэстера, политриазина, политриазола, полимочевины, поливинилового спирта, поливинилэстера, поливинилэфира, поливинилгалогенида, поливинилкетона, поливинилнитрила, поливинилтиоэфира и их сочетаний, содержащих одну или более из вышеперечисленных термопластичных смол.
Связующее по изобретению также может содержать одну или более традиционных добавок, например, в том числе, антиоксиданты, поглотители УФ-излучения, стабилизаторы, дезактиваторы металла, акцепторы пероксида, наполнители, армирующие наполнители, пластифицирующие добавки, лубриканты, эмульгаторы, красители, оптические отбеливатели, огнестойкие агенты, антистатические агенты, порообразователи. Когда это требуется или желательно, эти добавки выбирают так, чтобы поддерживать необходимую интенсивность гамма-излучения, оптическую прозрачность и формуемость. Связующее также может преимущественно по существу не флуоресцировать под воздействием облучения гамма-лучами и также может преимущественно быть нечувствительным к разложению под воздействием облучения гамма-лучами.
Предпочтительным является обеспечение того, чтобы выбранное связующее являлось оптически чистой формовочной композицией. Для использования в оптоэлектронных применениях промышленно поставляют множество таких композиций, и выбор зависит от требуемой интенсивности гамма-лучей и оптической прозрачности материала. Некоторые такие формовочные композиции включают оптически чистые эпоксидные смолы, неограничивающие примеры которых включают ЕРОТЕК 310-2 (поставляемый Ероху Technology, Биллерика, Миннесота) и поликарбонаты, например, те, которые промышленно поставляют под торговым наименованием LEXAN®.
В некоторых воплощениях изобретение может включать приготовление передаточной композиции формуемой смолы. В случаях, когда композиция формуемой смолы уже обладает достаточным качеством для придания требуемых характеристик текучести конечной композиции, ее можно использовать по существу в состоянии поставки. Некоторые кремнийорганические смолы (например, полидиметилсилоксан) могут обладать достаточной пластичностью. Также можно использовать вулканизацию при комнатной температуре (ВКТ) кремнийорганического соединения, ВКТ кремнийорганического каучука и т.п. Альтернативно, смола может быть многокомпонентным реакционным продуктом, который необходимо приготовить до его использования. Это может потребоваться для определенных эпоксидных смол, например, при объединении отвердителя и смолы-предшественника.
3. Композиционный материал нейтронного сцинтиллятора (КМНС)
Вообще КМНС изготавливают путем смешивания некоторого количества связующего с нейтронным сцинтиллятором в форме порошка или частиц с созданием текучей массы. Обычно количество нейтронного сцинтиллятора составляет от примерно 10 масс.% до примерно 60 масс.% от используемой массы. Более подходящим является количество нейтронного сцинтиллятора, составляющее от 10 масс.% до 30 масс.%, и наиболее подходящим является количество нейтронного сцинтиллятора, составляющее от примерно 15 масс.% до примерно 20 масс.%.
Затем перед отверждением (если используют эпоксидное связующее) или превращением в твердое состояние (если используют термопластический материал, стекло и т.п.) текучую массу формуют, отливают, экструдируют и т.п. в формованное изделие, подходящее для обнаружения нейтронов. Например, текучую массу можно сформовать в цельный массив, лист, волокно, цилиндрическую оболочку, трубку и т.п., образуя формованное изделие.
КМНС отличается тем, что из него легко можно изготавливать формованные изделия. Используемый в данном документе термин «формованные изделия» включает, но не ограничивается перечисленным: слои, листы, бруски, блоки, провода, сети, линзообразные приспособления, волокна и т.п. (посредством способа, включающего пленочное литье и экструзию), сложные объекты и т.п. (посредством способа, включающего машинную обработку или литье) и конформные покрытия и т.п. (посредством способа, включающего напыление, обработку погружением или обкатку). Все эти вышеупомянутые «формованные изделия» составляют «изделия» по настоящему изобретению и формуле изобретения.
Как отмечено выше, для изготовления КМНС нейтронный сцинтиллятор смешивают со связующим, таким как смола. В некоторых воплощениях это требует примешивания к смоле гранулированного материала нейтронного сцинтиллятора в форме порошка или частиц. В таком воплощении гранулированный материал добавляют в смолу при эффективных условиях, таких как перемешивание, фильтрация, фильтрация под давлением, прессование, измельчение, деагломерирование и т.п. Данные условия являются эффективными для достижения или поддержания хорошо перемешанной смеси или дисперсии и для образования формуемой, чувствительной к нейтронам композиции в твердой или полутвердой форме с текучестью, достаточной для формования в формованное изделие. Любые остающиеся агрегаты гранулированного исходного материала можно удалить или разложить путем разделения по размерам, фильтрации под давлением, просеивания или другого дополнительного деагломерирования смеси. Такая стадия деагломерирования может устранить любые захваченные пузырьки, а также разрушить агрегаты. Это желательно, хотя и не обязательно, для достижения равномерной и/или густой смеси. В некоторых воплощениях равномерная и/или густая хорошо перемешанная дисперсия материала нейтронного сцинтиллятора в смоле предоставляет преимущества, возможно включая преимущественное уменьшение образование полос в течение отливки в изделие.
Стадия формования требуется для изготовления из формуемого КМНС формованного изделия. Специалисту известно широкое многообразие стадий формования композиционных материалов, содержащих смолы. Способы, посредством которых формуемый КМНС можно сформовать в изделие, включают одну или более таких стадий, как пленочное литье, шликерное литье, экструзия, пултрузия, литьевое формование, компрессионное формование, формование с раздувом, обкатка, горячее формование, вакуумное формование, пластикация, прессование, обкладка, напыление, набивка и их сочетания, и т.п. Конкретный выбранный способ не является особенно критическим, однако зависит от требуемой конечной формы. В некоторых воплощениях составляющие и/или степень густоты формуемой чувствительной к нейтронам композиции могут оказывать влияние на выбор параметров, при которых проводят стадию формования. Например, если содержание твердых веществ в формуемой чувствительной к нейтронам композиции слишком высокое, композиция может быть слишком вязкой для эффективного использования. С другой стороны, если содержание твердых веществ в формуемой чувствительной к нейтронам композиции слишком низкое, тогда может происходить осаждение твердых веществ.
В некоторых воплощениях композиция формуемой смолы способна к формованию в свежеприготовленном состоянии, по существу при условиях окружающей среды. В некоторых воплощениях для облегчения формования можно добавить разбавители, разжижители или пластификаторы. В других воплощениях можно применять давление и/или температуру выше условий окружающей среды также для того, чтобы облегчить или сделать возможным формование.
4. Детектор нейтронного излучения
Формованные изделия, изготовленные из описанного в данном документе КМНС, можно использовать в нейтронном счетном детекторе, включающем: (1) композиционный материал нейтронного сцинтиллятора (КМНС) на основе Li, описанный в данном документе, (2) оптическую связывающую среду (например, оптическое смазочное вещество, оптические волокна и т.п.) и (3) оптический датчик (например, фотоэлектронный умножитель, полупроводниковый диод, ряд диодов и т.п.). Под действием облучения замедленными до тепловой скорости нейтронами изотоп Li поглощает нейтроны, распадаясь на альфа-частицы и тритоны с повышенной энергией. Эти частицы вызывают излучение фотонов в композиционном материале нейтронного сцинтиллятора. Фотоны канализируют посредством оптической связывающей среды в датчик, где их подсчитывают.
Ряд иллюстративных, но неограничивающих, схематических воплощений, показывающих формованное чувствительное к нейтронам изделие в детекторе излучения, показан на Фиг.1-4.
На Фиг.1 показано простейшее воплощение детектора 10 излучения по изобретению, в котором композиционный материал нейтронного сцинтиллятора (КМНС) на основе Li сформован в прозрачное тело 12, служащее чувствительным к нейтронам элементом, который подогнан по поперечному размеру к светочувствительной области оптического датчика 14. Используемый в данном документе термин «прозрачный» определяет материал, который имеет показатель преломления, позволяющий фотонам с требуемой длиной волны проходить через материал с небольшим ослаблением или без ослабления. В этом воплощении используют только тонкий слой оптической связывающей среды 16 (оптический смазочный материал, эпоксидный материал, ВКТ кремнийорганический материал, ВКТ кремнийорганический каучук и т.п.) на границе раздела между прозрачным телом 12 из КМНС и оптическим датчиком 14 для оптимизации прохождения световых фотонов из прозрачного тела 12 в активную область оптического датчика 14. Следует понимать, что изобретение можно реализовать на практике с любым подходящим оптическим датчиком, действующим как фоточувствительный элемент, и что использование в данном документе конкретной формы прозрачного тела 12 из КМНС и оптического датчика 14 является лишь иллюстративным и неограничивающим.
На Фиг.2 показано воплощение детектора 20 излучения по изобретению, в котором композиционный материал нейтронного сцинтиллятора (КМНС) на основе Li сформован в большое прозрачное тело 22, служащее чувствительным к нейтронам элементом, который больше светочувствительной области оптического датчика 24. В этом воплощении оптическая связывающая среда 26 состоит из формованного световода, например, множества световодов, для сбора света от КМНС тела 22 и прохождения света в оптический датчик(и) 24 с минимальной потерей света. Специалисту очевидно, что воплощение изобретения, показанное на Фиг.2, можно реализовать с любым подходящим оптическим датчиком(ами) 24 и световодом(ами) 26, и что использование конкретной формы прозрачного тела 22 из КМНС и оптического датчика(ов) 24 является иллюстративным и неограничивающим.
Аналогично, на Фиг.3 показано воплощение детектора 30 излучения по изобретению, в котором несовпадение размеров выходной площади света прозрачного тела 32 из КМНС и входной площади одиночного оптического датчика 34 компенсируют путем совокупности множества оптических датчиков 34, непосредственно оптически соединенных с помощью тонкого слоя 36 оптической среды (оптический смазочный материал, эпоксидный материал, ВКТ кремнийорганический материал, ВКТ кремнийорганический каучук и т.п.). Следует понимать, что изобретение можно реализовать на практике с любым подходящим оптическим датчиком 34, таким как полупроводниковые диоды, ряд кремнийорганических фотоэлектронных умножителей, фотоэлектронных умножителей и т.п., и что использование в данном документе конкретной формы тела 32 из КМНС и оптического датчика(ов) 34 является лишь иллюстративным и неограничивающим и может быть адаптировано специалистом к любой форме тела из КМНС и/или активной области оптического датчика.
На Фиг.4 показано воплощение детектора 40 излучения по изобретению, в котором оптическая связывающая среда распределена по всему телу 42 из композиционного материала нейтронного сцинтиллятора (КМНС) на основе Li по изобретению, чтобы собирать свет от сцинтилляции и канализировать фотоны в светочувствительную область оптического датчика 44. Специалисту ясно, что, как описано, можно использовать пучок оптических волокон 46 для сбора и передачи света. Также следует понимать, что тип оптических волокон, их количество, размеры, композиция, показатель преломления и другие физические свойства, такие как способность к сдвигу длины волны света от сцинтилляции, можно подходящим образом согласовать с размером тела 42 из КМНС и оптического датчика 44, распределением светового излучения и показателем преломления КМНС по изобретению, и спектральными характеристиками чувствительности оптического датчика 44. По этой причине использование в данном документе конкретной формы тела 42 из КМНС и оптического датчика 44 на Фиг.4 является лишь иллюстративным и неограничивающим.
Как описано выше, композиционный материал нейтронного сцинтиллятора по изобретению включает (1) содержащий Li сыпучий материал нейтронного сцинтиллятора (то есть порошок, крупные частицы и т.п.) и (2) связующее, имеющее показатель преломления по существу идентичный показателю преломления сыпучего материала нейтронного сцинтиллятора.
Прозрачный КМНС по изобретению обладает несколькими преимуществами. Во-первых, прозрачный КМНС по изобретению одновременно объединяет в себе функцию сцинтиллятора и функцию световода. Показатели преломления как сыпучего материала сцинтиллятора, так и связующего по существу идентичны, что минимизирует рассеяние на поверхности(ях) раздела сцинтиллятора и связующего. Эта особенность обеспечивает эффективности пропускания, которые приближаются к воплощениям с использованием одиночного кристалла, однако без их высокой стоимости.
Во-вторых, связующее обеспечивает легкое изготовление (то есть посредством формования, литья, экструдирования и т.п.) форм, подходящих для обнаружения нейтронов в больших промышленных объемах. Это преимущество отсутствует в воплощениях с использованием одиночного кристалла, в которых низкие скорости роста уменьшают выработку. В последнем случае машинная обработка для получения требуемых форм (например, отрезание, полирование и т.п.) также значительно увеличивает времена производственных циклов и стоимость.
В последующем описании используют примеры для раскрытия изобретения, включая наилучший способ его реализации, а также для того, чтобы сделать возможным для специалиста изготовление и использование изобретения. Патентоспособную область защиты изобретения определяют посредством формулы изобретения, и она может включать другие примеры, которые очевидны специалисту. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в области защиты формулы изобретения, если они обладают структурными элементами, которые не отличаются от буквальной формулировки формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквальной формулировки формулы изобретения.
Примеры
Пример 1
Для приготовления одного воплощения композиционного материала нейтронного сцинтиллятора по изобретению, в котором нейтронный сцинтиллятор имеет формулу Li6Mg0,99Cex0.01Br8, стехиометрические количества LiBr, MgBr2 и CeBr3 измельчали до мелкого порошка и нагревали до температуры 600-800°C в печи, которая была расположена в перчаточной камере, по существу не содержащей влаги и воздуха. Альтернативно, измельченный материал можно переместить в кварцевую или серебряную трубку, которую затем откачивают и закупоривают. Трубку нагревают до температуры 600-800°C. После тепловой обработки образцы повторно измельчают до мелкого порошка перед оценкой их способности к обнаружению нейтронов.
Для генерации нейтронов использовали камеру нейтронного потока, аналогичную показанной на Фиг.1, содержащую компоненты, известные специалисту в данной области техники. Образец композиционного материала прикрепляли к фотоэлектронному умножителю. Внутренняя часть полиэтиленовых стенок камеры нейтронного потока превращала «быстрые нейтроны» от источника нейтронов в «тепловые нейтроны». Спектр света сцинтилляции от сцинтиллятора Li6MgBr8:Ce в порошковой форме показан на Фиг.2.
Пример 2. Смешивание нейтронного сцинтиллятора со связующим с образованием композиционного материала
Получали нейтронный сцинтиллятор, как описано в примере 1, и затем объединяли его с поликарбонатным термопластичным связующим с концентрацией 16 масс.% (6 об.%) с образованием композиционной смеси. Вкратце, 0,056 г порошка Li6MgBr8:Ce смешивали с 2,87 г поликарбоната и смесь подвергали горячему прессованию при температурах 210°C, 230°C и 250°C в диски с диаметром 38 мм (1,5 дюйма) и с толщиной 2,3 мм (0,09 дюйма). Диски затем прикрепляли к фотоэлектронному умножителю устройства для излучения нейтронов (см. Фиг.1) для оценки их способности к сцинтилляции.
Оценивали световое излучение, испущенное каждым диском из композиционного материала в ответ на два различных потока нейтронов. Скорость счета для каждого диска для каждой из температур показана в таблице 1. Гистограммы амплитуд импульсов (спектры) для каждого диска показаны на Фиг.3 (Т=210°C), Фиг.4 (Т=230°C) и Фиг.5 (Т=250°C).
| Таблица 1 | |||
| Поток нейтронов (n/см2/сек) | Полная скорость счета (отсчетов/сек) | ||
| Т=210°С | Т=230°C | Т=250°С | |
| 12,0 | 7,2 | 4,2 | 1,8 |
| 24,5 | 16,9 | 9,8 | 4,7 |
Композиционные диски, образованные при 210°C показывали пик излучения при приблизительно 1100 и 2500 отсчетах на канал, когда их подвергали воздействию нейтронного потока, образованного при 70 кВ и токе мишени, составлявшем либо 40 мкА, либо 80 мкА, соответственно. Поэтому, излученный свет был пропорционален количеству/числу падающих нейтронов. Хотя пики были более низкими, диски, прессованные при 230°C и 250°C, показывали такую же пропорциональную связь между двумя скоростями нейтронного потока, как и диск, прессованный при 210°C.
На Фиг.6 показано, что способность описанного в данном документе композиционного материала нейтронного сцинтиллятора к обнаружению нейтронов сравнима с промышленно поставляемым нейтронным экраном.
1. Композиционный материал нейтронного сцинтиллятора, включающий:
нейтронный сцинтиллятор формулы Li6Mg1-xCexBr8, где 0<х<1, и
связующее, имеющее показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора;
где композиционный материал нейтронного сцинтиллятора получен горячим прессованием смеси сцинтиллятора и связующего.
2. Композиционный материал по п.1, в котором связующее выбрано из термопластичной смолы и термореактивной смолы.
3. Композиционный материал по п.1, в котором связующее выбрано из группы, состоящей из смолы на основе акрилата, эпоксидной смолы, поликарбонатной смолы и их сочетаний.
4. Композиционный материал по п.1, в котором композиционный материал нейтронного сцинтиллятора обладает текучестью, достаточной для его формования в формованное изделие.
5. Способ изготовления композиционного материала нейтронного сцинтиллятора, включающий:
смешивание (а) нейтронного сцинтиллятора формулы Li6Mg1-xCexBr8, где 0<х<1, и (б) связующего, причем связующее имеет показатель преломления, который по существу идентичен показателю преломления нейтронного сцинтиллятора; и
горячее прессование смеси сцинтиллятора и связующего.
6. Способ по п.5, в котором связующее содержит термопластичную смолу или термореактивную смолу.
7. Способ по п.5, в котором связующее выбирают из группы, состоящей из смолы на основе акрилата, эпоксидной смолы, поликарбонатной смолы и их сочетаний.
8. Способ по п.5, в котором связующее обеспечивает композиционный материал нейтронного сцинтиллятора текучестью, достаточной для его формования в формованное изделие.
9. Способ по п.5, в котором количество нейтронного сцинтиллятора, присутствующего в композиционном материале, составляет от примерно 5 масс. % до примерно 60 масс. %.
10. Способ по п.5, в котором количество нейтронного сцинтиллятора, присутствующего в композиционном материале, составляет от примерно 10 масс. % до примерно 30 масс. %.
11. Способ по п.5, в котором количество нейтронного сцинтиллятора, присутствующего в композиционном материале, составляет от примерно 15 масс. % до примерно 20 масс. %.
12. Способ по п.5, в котором количество нейтронного сцинтиллятора, присутствующего в композиционном материале, составляет от примерно 5 об. % до примерно 30 об. %.
13. Способ по п.5, в котором содержащий церий нейтронный сцинтиллятор формулы Li6Mg1-xCexBr8, где 0<х<1, приготавливают путем:
(а) объединения стехиометрических количеств LiBr, MgBr2 и CeBr3 с получением смеси,
(б) измельчения смеси с получением мелкого порошка,
(в) нагревания порошка до температуры от примерно 600°С до примерно 800°С с получением нейтронного сцинтиллятора.
14. Способ по п.13, в котором указанную стадию нагревания выполняют в среде, по существу не содержащей влаги и воздуха.
15. Изделие, включающее композиционный материал нейтронного сцинтиллятора по п.1.
16. Изделие по п.15, в котором изделие является детектором излучения, включающим композиционный материал нейтронного сцинтиллятора по п.1, оптически соединенный с оптическим датчиком.
17. Изделие по п.16, в котором композиционный материал нейтронного сцинтиллятора образует чувствительный к нейтронам элемент детектора излучения, при этом фотоны, излученные в чувствительном к нейтронам элементе, собирают и канализируют посредством чувствительного к нейтронам элемента в фоточувствительный элемент.
