Термолюминофор

Изобретение относится к области низкотемпературной термолюминесцентной дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения. Термолюминофор для низкотемпературной ТСЛ-дозиметрии на основе алона Al5O6N, синтезированного из химически чистого α-Al2O3 и нитрида алюминия, содержащего ряд примесей, при этом имеет состав, в котором содержание основного вещества Al5O6N - не менее 96%; причем в исходном AlN содержание N2 - не менее 33.0 мас. %, О2 - не более 1.2%, Fe - не более 0,08-0.1%, С - не более 0.05%, а содержание европия Eu2+ в исходном AlN и в конечном продукте алоне Al5O6N составляет 0,3-0,5 ат % (отн. Al). Технический результат – определение дозозатрат элементов и устройств, изготовленных на основе высокотемпературных сверхпроводников, работающих в полях ионизирующих излучений при температуре жидкого азота, а также других устройств, функционирующих при сверхнизких температурах. 2 ил.

 

Изобретение относится к области низкотемпературной термолюминесцентной дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения, пригодно для определения дозовой нагрузки/дозозатрат элементов и устройств, работающих в полях ионизирующих излучений при пониженной температуре, включая устройства космического базирования, например, для определения дозозатрат солнечных батарей или других элементов космического базирования, работающих в открытом космосе и подверженных воздействию космической радиации. Предлагаемый термолюминофор пригоден для создания компактных ТСЛ-фотосенсорных датчиков с фотодиодной PIN-регистрацией.

Известен термолюминофор на основе фтористого кальция (В.И. Иванов. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1970. 320 с.) для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения, для которого кривые термо-стимулированной люминесценции (ТСЛ) имеют три рабочих максимума при 70-100, 150-190 и 250-300°C. Известный термолюминофор пригоден для регистрации экспозиционных доз рентгеновского и гамма-излучения от 1 мР до 5000 Р с погрешностью ±2%. Однако известный термолюминофор набирает информацию о дозе облучения только при комнатной температуре. Использование термолюминофора на основе фтористого кальция для определения дозовой нагрузки на объекты облучения при низких температурах 25-180 K неизвестно.

Известен термолюминофор на основе фторида лития LiF-Mg (ТЛД-100) (Cooke D.W., Rhodes J.F. J. Appl. Phys 1981, v. 52(6), p. 4244-4247) для регистрации рентгеновского и гамма-излучения, который имеет низкотемпературные пики термолюминесценции при 20, 40, 60 и 138 K. Однако интенсивность этих низкотемпературных пиков невысока, их использование неэффективно для низкотемпературной дозиметрии. Кроме того, известный термолюминофор обладает синим спектром свечения и не пригоден для разработки устройств, использующих в качестве фотосенсорных датчиков компактные PIN-фотодиоды.

Достаточно близким по составу к заявляемому термолюминофору является известный люминесцентный светосостав на основе алона Al5O6N, активированного ионами церия Се3+ и ионами Eu2+, сведения о котором опубликованы в статье «Effect of Dopant Concentration on the Phase Composition and Luminescence Properties of Eu2+ - and Ce3+ - Doped ALONs». Авторы N.S. Akhmadullina, A.S. Lysenkov, A.A. Ashmarin, Yu.F. Kargin, A.V. Ishchenko and B.V. Shulgin. (ISSN 0020-1685, Inorganic Materials, 2015, Vol. 51, №5, pp. 473-481). Однако этот известный светосостав на основе «of Eu2+ - and Се3+ - Doped ALONs» близок к заявляемому только по входящим в него компонентам, а не по исполняемым функциям, поскольку он представлен в статье (и в Abstract, строки 7-8 и на стр. 474, левая колонка, строки 10-13) только как люминесцентный состав, только как люминофор, обладающий импульсной катодолюминесценцией при соответствующем возбуждении (pulsed cathodoluminescence (PSL)spectra). О термолюминесцентных свойствах светосостава на основе алона Al5O6N, активированного ионами церия Се3+ и ионами Eu2+, в указанной статье (ни в Abstract, строки 7-8; ни на стр. 474, левая колонка, строки 10-13) даже упоминания нет.

Наиболее близким по составу к заявляемому термолюминофору является термолюминофор на основе алона Al5O6N, активированного ионами Eu2+. Сведения о его термолюминесцентных свойствах опубликованы в статье «Thermoluminescence of Aluminium Oxynitride Doped with Ce3+ and Eu2+ Ions». V.V. Yagodin, G.F. Gilyazetdinova, A.V. Ishchenko, B.V. Shulgin, Yu.F. Kargin, N.S. Akhmadullina, A.S. Lysenkov. AIP Conference Proceedings 1886, 020077-1 - 020077-4. Published by the American Institute of Physics. Physics, Technologies and Innovation (PTI-2017). AIP Conf. Proc. 1886, 020077-1 - 020077-4; doi: 10.1063/1.5002974. Однако светосостав на основе алона Al5O6N, допированного ионами Се3+ и Eu2+, известен только как высокотемпературный термолюминофор с максимумами ТСЛ при 350 -360 K. О его возможной ТСЛ-активности в области низких температур, близких к гелиевым температурам в указанной выше статье информации нет.

Техническая проблема, решаемая в настоящем изобретении, связана с разработкой низкотемпературного термолюминофора, для которого максимумы рабочих пиков ТСЛ лежат в области низких температур при 75 K и 170 K (второй пик). Такой термолюминофор (как детектор сопровождения) при определении дозозатрат элементов и устройств, работающих при низких температурах в полях ионизирующих излучений, в том числе в условиях их космического базирования, требует нагрева всего до 120-220 K и обеспечивает более оперативное получение дозиметрической информации при гораздо меньших энергозатратах на работу дозиметрического тракта, поскольку необходимость нагревать ТСЛ-датчик до температур 350-360 K отпадает.

Для решения вышеуказанной технической проблемы предложен термолюминофор, основным рабочим веществом которого является алон Al5O6N, включающий особо чистый оксид алюминия Al2O3, а также технический нитрид алюминия AlN, содержащий примесь европия Eu2+ (0,3-0,5 ат. % отн. Al), а также содержащий N2 - не менее 33,0 мас. %, О2 - не более 1,2 мас %, Fe - 0,08-1 мас %, С - не более 0,05 мас %, с содержанием в термолюминофоре основного вещества Al5O6N не менее 96 мас. %. Для предлагаемого термолюминофора пики ТСЛ расположены низкотемпературный области: первый пик в области 50-100 K (максимум при 75 K), а второй - в области 130-230 K (максимум при 170 K).

Примеры кривых ТСЛ для различных составов ALON : Eu2+ (примеры 1 и 2) приведены на Фиг. 1 и Фиг. 2.

Пример 1. Термолюминофор на основе Al5O6N, активированного ионами европия с концентрацией (относительно алюминия) 0,3 ат % Eu2, получали по известным методикам посредством восстановительного отжига смесей α-Al2O3 и AlN с Eu2O3, или смесей α-Al2O3 и AlN с соответствующим ацетилацетонатным комплексом Eu(асас)3. В качестве исходных компонентов использовали изопропоксид алюминия Al(OiPr)3 марки «х.ч.» (Fluka), оксид европия Eu2O3 марки «х.ч.»,), ацетилацетон марки «х.ч.», лимонную кислоту марки «х.ч.», ацетилацетонат европия Eu(асас)3 и нитрид алюминия AlN, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в ИСМ РАН (г. Черноголовка). Использовали химически чистый α-Al2O3. Однако, используемый нитрид алюминия AlN содержал ряд примесей: использовали технический порошок нитрида алюминия для клеев герметиков, имеющий состав: N2 - не менее 33.0 мас. %, O2 - не более 1.2 мас %, Fe - не более 0,08-0.1 мас %, углерод С - не более 0.05%; содержание Al5O6N как основного вещества в конечном продукте составляло не менее 96%. В качестве растворителей использовали дистиллированную воду, метанол марки «х.ч.», этанол марки «х.ч.» и изопропанол марки «х.ч.» без дополнительной очистки. Фазовый состав исходных порошков и полученных порошкообразных образцов Al5O6N : Eu2+ (Fe, С) был подтвержден результатами рентгеновского фазового анализа (РФА, дифрактометр XRD 6000 «Shimadzu», CuKα излучение, графитовый монохроматор, ).

В качестве держателя образцов при измерениях ТСЛ использовали медную подложку размером 1,2×1,2 см, которую предварительно покрывали специальным лаком, не обладающим люминесцентными свойствами. Содержащий вышеуказанные примеси исследуемый порошок Al5O6N, массой до 0,5 г насыпали на эту покрытую лаком подложку (расположенную в процессе приготовления пробы горизонтально) в количестве достаточном для обеспечения достаточной толщины образца с сохранением адгезии после высыхания лака. После этого медная подложка с готовым исследуемым образцом, закреплялась вертикально в криопальце RDK - 2050 измерительной установки. В измерительной установке для охлаждения образца термолюминофора до температуры 8 K использовали оптический криостат с системой охлаждения, работающей по замкнутому циклу Гиффорда - Мак-Магона. Термолюминофор при температуре 8 K был облучен рентгеновским излучением, доза 1 кГр (флюенс 3*1012 см-2). Регистрация кривых ТСЛ выполнена в интегральном режиме в диапазоне длин волн от ультрафиолетовых (от 200 нм, - кварцевые входные окна криостата позволяли это делать) до красных, - до 650 нм с использованием ФЭУ-130 при линейном нагреве со скоростью 6 K/мин в диапазоне температур 8 -250 K.

Кривые ТСЛ термолюминофора на основе алона ALON : Eu2+, Fe, С (с концентрацией ионов европия 0,3 ат % Eu2+) приведены на Фиг. 1. Самый низкотемпературный пик ТСЛ предложенного термолюминофора расположен при температуре 70-80 K. Более интенсивный основной рабочий пик для низкотемпературного диапазона измерений имеет максимум при 160-170 K, он полностью показан на Фиг. 1 в диапазоне температур 100-250 K. Основной рабочий пик пригоден для определения дозозатрат элементов и устройств, изготовленных на основе высокотемпературных сверхпроводников, функционирующих в этой области температур, а также для определения дозозатрат других устройств, работающих в полях ионизирующих излучений при температуре от жидкого гелия до жидкого азота.

Для предложенного термолюминофора спектр свечения, имея максимумом при 500 нм, захватывает и красную область. Последнее позволяет применять предложенный темолюминофор для создания дозиметрических систем с компактной фотодиодной PIN-регистрацией, поскольку сенсорные PIN-структуры характеризуются повышенной чувствительностью в оранжево-красном (и инфракрасном) диапазонах спектра.

Пример 2.

Термолюминофор на основе Al5O6N, активированного ионами европия с концентрацией (относительно алюминия) 0,5 ат % Eu2 получали по известным методикам, как и в Примере 1, посредством восстановительного отжига смесей α-Al2O3 и AlN с Eu2O3, а также с соответствующим ацетилацетонатным комплексом Eu(асас)3. В качестве исходных компонентов использовали изопропоксид алюминия Al(OiPr)3 марки «х.ч.» (Fluka), оксид европия Eu2O3 марки «х.ч.», ацетилацетон марки «х.ч.», лимонную кислоту марки «х.ч.», ацетилацетонат европия Eu(асас)3 и нитрид алюминия AlN, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в ИСМ РАН (г.Черноголовка). Нитрид алюминия AlN (использовали технический порошок нитрида алюминия для клеев герметиков) в отличие от химически чистого α-Al2O3, содержал ряд примесей и имел состав: N2 - не менее 33.0 мас. %, О2 - не более 1.2%, Fe - не более 0,08-0.1%, С - не более 0.05%; содержание основного вещества Al5O6N в конечном продукте - не менее 96%. В качестве растворителей использовали дистиллированную воду, метанол марки «х.ч.», этанол марки «х.ч.» и изопропанол марки «х.ч.» без дополнительной очистки. Фазовый состав исходных порошков и полученных порошкообразных образцов Al5O6N : Eu2+ был подтвержден результатами рентгеновского фазового анализа (РФА, дифрактометр XRD 6000 «Shimadzu», CuKα излучение, графитовый монохроматор .

В качестве держателя образцов, как и в Примере 1, использовали медную подложку размером 1,2×1,2 см, которую предварительно покрывали специальным лаком, не обладающим люминесцентными свойствами. Исследуемый (имеющий вышеуказанные примеси) порошок Al5O6N массой до 0,5 г насыпали на эту покрытую лаком подложку, расположенную в процессе приготовления пробы горизонтально, в количестве необходимом для обеспечения достаточной толщины образца с сохранением адгезии после высыхания лака. Затем медную подложку с исследуемым образцом, закрепляли вертикально в криопальце измерительной установки.

В используемой измерительной установке для охлаждения образца термолюминофора до температуры 8 K применяли оптический криостат с системой охлаждения, работающей по замкнутому циклу Гиффорда - Мак-Магона. Термолюминофор при температуре 8 K был облучен рентгеновским излучением, с той же дозой, что и Примере 1, то есть 1 кГр (флюенс 3*1012 см-2). Регистрация кривых ТСЛ выполнена в интегральном режиме в диапазоне длин волн от ультрафиолетовых до красных, - до 650 нм, с использованием ФЭУ-130, при линейном нагреве со скоростью 6 K/мин в диапазоне температур 8-250 К.

Кривые ТСЛ термолюминофора Al5O6N, активированного ионами европия с концентрацией 0,5 ат % Eu2+, с добавками примеси железа (не более 0,08-0,1 мас %) и примеси углерода (не более 0,05 мас %) приведены на Фиг. 2. Самый низкотемпературный пик ТСЛ предложенного термолюминофора расположен при температуре 70-80 K. Основной рабочий пик для низкотемпературного диапазона для предложенного термолюминофора (в области температур 100-250 K) имеет максимум при 160-170 K. Он показан на Фиг. 2. Интенсивность обеих вышеуказанных пиков пиков ТСЛ для термолюминофора с концентрацией 0,5 ат % Eu2 в два раза выше, чем для образцов с концентрацией 0,3 ат % Eu2. Как показали дополнительные измерения концентрация допанта 0,5 ат % Eu2 является оптимальной для данного типа термолюминофора. Дополнительная примесь железа, атомный номер которого (Z=26) в два раза превышает атомный номер Al (Z=13), обеспечивает при радиационном воздействии повышенное светозапасание и соответственно повышенный световыход термолюминесцеции. Для предложенного термолюминофора на основе Al5O6N с концентрацией 0,5 ат % Eu2 и с добавками примесей железа и углерода спектр свечения, имея максимумом при 500 нм, захватывает и красную область. Последнее позволяет рекомендовать предложенный темолюминофор для создания дозиметрических систем с компактной PIN-фотодиодной регистрацией.

Диапазон измеряемых доз предлагаемого термолюминофора путем дополнительных измерений определен в области 0,1-50 кГр (флюенс 3*1011 - 1,5*1014 см-2) и выше.

Термолюминофор для низкотемпературной ТСЛ-дозиметрии на основе алона Al5O6N, (не менее 96 мас. % в конечном продукте), получаемый методом восстановительного отжига смеси, состоящей из двух компонент: особо чистого оксида алюминия Al2O3 (первая компонента) и носителя активирующих примесей - технически чистого нитрида алюминия AlN (вторая компонента), отличающийся тем, что вторая компонента имеет состав: N2 - не менее 33,0 мас. %, О2 - не более 1,2 мас %, Fe - не более 0,08-0,1 мас %, С - не более 0,05 мас %, а примесь основных активирующих ионов - ионов европия Eu2+ в AlN составляет 0,3-0,5 ат. % отн. Al.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области низкотемпературной дозиметрии рентгеновского, а также смешанного электронного и гамма-излучения с использованием термолюминесцентных датчиков – термолюминофоров.

Изобретение относится к области радиоэкологического мониторинга и дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения и может быть использовано в персональных и аварийных дозиметрах для определения дозозатрат персонала рентгеновских кабинетов, мобильных комплексов радиационного контроля, зон с повышенным радиационным фоном, территорий хвостохранилищ отработанных радиоактивных материалов и отходов.

Изобретение относится к материалам дозиметрии ионизирующих излучений и может быть использовано в приборах регистрации излучений в окружающей среде, в радиологических исследованиях пищевых продуктов.

Изобретение относится к способу обработки рабочих веществ твердотельных детекторов ионизирующих излучений, основанных на явлениях термостимулированной люминесценции (ТЛ) и оптически стимулированной люминесценции (ОСЛ).

Изобретение относится к области дозиметрии ионизирующих излучений, а именно к области оптически стимулированной люминесцентной (ОСЛ) дозиметрии, связанной с разработкой и применением рабочих веществ для ОСЛ-детекторов, пригодных для регистрации рентгеновского, гамма- и электронного излучения, а также для регистрации тепловых нейтронов.

Изобретение относится к измерению высоких доз поглощенного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ термоподготовки к экспозиции термолюминесцентного детектора ионизирующих излучений на основе оксида алюминия включает термообработку, при этом после считывания высокодозной (более 2 Гр) дозиметрической информации термолюминесцентный детектор подвергают термообработке при температуре 900÷1000°C в течение 1-3 часов.

Изобретение относится к химической промышленности и дозиметрии излучений. Для получения прозрачного тканеэквивалентного детектора излучений на основе Li2B4O7 осуществляют следующие этапы: a) смешивают компоненты исходного реагента детектора, включающие деионизированную воду, борную кислоту H3BO3, примесь Mn и связующий материал двуокись кремния SiO2; b) повышают температуру смеси до 75-85°C, добавляют карбонат лития Li2CO3 и побочную примесь Be2+, которая не уменьшает прозрачность детектора в диапазоне длин волн 320-750 нм; c) осуществляют старение, сушку и предварительный обжиг полученного исходного реагента; d) измельчают, шлифуют и просеивают исходный реагент; e) формуют под давлением; f) спекают сформованные корпуса детектора.

Изобретение относится к радиационной физике, а именно к способам измерения поглощенной дозы ионизирующего γ-излучения, или β-излучения, или импульсного потока электронов в термолюминесцентном детекторе на основе анионодефектного монокристалла оксида алюминия.
Изобретение относится к технологии изготовления термолюминесцентных дозиметров и может быть использовано в исследованиях воздействия радиации на вещества и биологические объекты, а также в аппаратуре дозиметрического контроля.

Изобретение может быть использовано в дозиметрии слабого ионизирующего излучения, для контроля работы атомных энергетических установок, ускорителей заряженных частиц, рентгеновской аппаратуры.

Изобретение относится к области низкотемпературной термолюминесцентной дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения. Термолюминофор для низкотемпературной ТСЛ-дозиметрии на основе алона Al5O6N, синтезированного из химически чистого α-Al2O3 и нитрида алюминия, содержащего ряд примесей, при этом имеет состав, в котором содержание основного вещества Al5O6N - не менее 96; причем в исходном AlN содержание N2 - не менее 33.0 мас. , О2 - не более 1.2, Fe - не более 0,08-0.1, С - не более 0.05, а содержание европия Eu2+ в исходном AlN и в конечном продукте алоне Al5O6N составляет 0,3-0,5 ат . Технический результат – определение дозозатрат элементов и устройств, изготовленных на основе высокотемпературных сверхпроводников, работающих в полях ионизирующих излучений при температуре жидкого азота, а также других устройств, функционирующих при сверхнизких температурах. 2 ил.

Наверх