Дозиметрический материал

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений при текущем и аварийном индивидуальном дозиметрическом контроле, а именно к дозиметрическому материалу на основе ортофосфата литий-магния, активированного эрбием и дополнительно активированного натрием. Материал имеет состав LiMgPO₄ : Er⁺³(0,25-0,4 ат.%), Na⁺¹(6,0-6,1 ат.%). Предложенный дозиметрический материал имеет высокую чувствительность к адсорбируемой дозе радиационного излучения и применим как в случае использования термолюминесценции, так и оптически стимулированной люминесценции. 6 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений при текущем и аварийном индивидуальном дозиметрическом контроле, и может быть использовано для измерения уровней радиационного воздействия на критические органы человека для обеспечения радиационной безопасности людей, работающих с источниками ионизирующих излучений, в медицинской технике.

Известен материал для радиационной дозиметрии, содержащий золь или гель, включающий соединение, обладающее свойством возбуждения светоиндуцированной флуоресценции, которое изменяется продуктом радиолиза воды, силикатную соль, водорастворимый органический полимер, имеющий структуру соли органической кислоты или анионную структуру органической кислоты и диспергатор для силикатной соли (заявка US 2020333474; МПК C09K 11/06, G01N 21/64, G01T 1/04, G01N 21/05; 2020 год).

Однако известный материал может применяться только однократно, поскольку его применение основано на изменении химического состава вещества под воздействием ионизирующего излучения. Кроме того, известный материал не может быть использован для термически стимулированной люминесценции, поскольку нагревание вызывает разложение органических веществ, входящих в его состав.

Известно рабочее вещество для термолюминесцентной дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения на основе оксинитрида алюминия, активированного трехвалентным ионами церия с концентрацией 0,05-0,2 ат. %, отвечающее формуле Al₅O₆N:C ³⁺(патент RU 2656022; МПК C09K 11/78, C09K 11/80, C01T 1/11; 2018 год).

Однако для известного вещества диапазон измеряемых доз находится в интервале 20-60 Гр, что обусловливает невозможность его использования для индивидуальной дозиметрии, в которой используются более низкие дозы облучения.

Известен термолюминесцентный материал на основе силиката магния, легированного тербием и металлом, при этом мольное процентное отношение тербия к силикату магния составляет 0,5-7 мол.%, мольное процентное отношение металла к силикату магния составляет 1-20 мол.%., при этом металл предпочтительно представляет собой натрий, кальций или алюминий (патент CN 109652068; МПК С09K 11/59; 2020 год).

Однако известный материал получают с использованием высокой температуры, равной 1650°С, что увеличивает затраты на оборудование и электроэнергию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является дозиметрический материал на основе ортофосфата литий-магния состава LiMgPO₄, который допирован 3⁺ионами эрбия с концентрацией, равной 0,1-0,25 ат.% (патент RU 2724763; МПК C09 11/08, C09K 11/55, C09K 11/70, C01T 1/10; 2020 год).

Однако известный дозиметрический материал характеризуется невысокой чувствительностью к адсорбируемой дозе радиационного излучения.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать состав дозиметрического материала, обладающего высокой степенью чувствительности к адсорбируемой дозе радиационного излучения с возможностью использования как в случае термолюминесценции, так оптически стимулированной люминесценции.

Поставленная задача решена в предлагаемом дозиметрическом материале на основе ортофосфата литий-магния, активированного эрбием, который дополнительно активирован натрием и имеет состав LiMgPO₄ : Er⁺³(0,25÷0,4 ат.%), Na⁺¹(6,0÷6,1 ат.%).

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен дозиметрический материал на основе ортофосфата литий-магния предлагаемого состава.

Исследования, проведенные авторами, позволили установить эффект активации матрицы, в частности усиление ее свечения в случае термолюминесценции при замещении части атомов в кристаллической структуре матрицы на ионы натрия¹⁺ и ионы эрбия³⁺. Как показали исследования, введение ионов натрия позволяет расширить границу растворимости ионов эрбия³⁺ в матрице ортофосфата лития магния. Это объясняется, по-видимому, тем, что ион натрия¹⁺ имеет больший ионный радиус по сравнению с ионом лития¹⁺, что приводит к расширению объема элементарной ячейки и, следовательно к повышению растворимости иона эрбия³⁺. При этом чувствительность к адсорбируемой дозе радиационного излучения предлагаемого материала увеличивается до 2 раз по сравнению с чувствительностью известного люминофора LiMgPO₄:Er. Причем существенным является количественное содержание активирующих элементов. Так при содержании Na⁺¹ менее 6,0 ат.% и содержании Er⁺³ менее 0,25 ат.%, наблюдается снижение интенсивности термически и оптически стимулированной люминесценции. При содержании Na⁺¹ более 6,1 ат.% и содержании Er⁺³ более 0,40 ат.%, наблюдается также снижение интенсивности термически и оптически стимулированной люминесценции за счет получения неоднофазного продукта. Кроме того, предлагаемый материал может быть применим как в случае использования термолюминесценции, так оптически стимулированной люминесценции.

Предлагаемый дозиметрический материал на основе ортофосфата литий-магния состава LiMgPO₄ : Er⁺³(0,25÷0,4 ат%), Na⁺¹(6,0÷6,1 ат.%) был получен путем твердофазного синтеза с использованием в качестве исходных реагентов Li₂CO₃(карбонат лития), MgCO₃⋅Mg(OH)₂⋅3H₂O(карбонат магния основной трехводный), NH₄H₂PO₄(дигитроортофосфат аммония), Na₂CO₃ (карбонат натрия) Er₂O₃(оксид эрбия). Все реагенты имели квалификацию осч. При этом реагенты были взяты в стехиометрическом соотношении. Способ получения предлагаемого материала включает четыре стадии, причем перед первой и второй стадиями смесь реагентов тщательно перетирают, а перед третьей и четвертой стадией после перетирания прессуют в диски. Отжиг осуществляют: на первой стадии – при температуре 300-310°С в течение 12 часов, на второй стадии – при температуре 500-510°С в течение 12 часов, на третьей стадии – при температуре 900-910°С в течение 12 часов, на четвертой стадии – при температуре 950-960°С в течение 12 часов. Полученный материал хранили в герметичных пластиковых пакетах в эксикаторе. Полученный материал был аттестован методом рентгенофазового анализа. Наличие примесных фаз не выявлено, материал является однофазным. Дозиметрические характеристики материалов были исследованы методом оптически стимулированной люминесценции и термически стимулированной люминесценции. Для предварительного облучения образца была использована рентгеновская трубка Eclipse, U=30 кВ, I=30 мкА. Для регистрации оптически стимулированной люминесценции была использована установка собственного производства, оснащенная фотоумножителем ФЭУ-130 и светофильтром УФС 2 для дополнительного возбуждения, был использован светодиод типа FYLP-1W-PGB с длиной волны излучения 520 нм. Для регистрации термолюминесценции была использована установка собственного производства, оснащенная фотоумножителем ФЭУ-130 с пониженной чувствительностью к тепловому излучению нагревателя, нагрев производился с постоянной скоростью 2 °С/сек.

На фиг. 1, 4 изображена зависимость интенсивности оптически стимулированной люминесценции от времени при облучении светодиодом с длинной волны 520 нм с предварительным облучением дозой 3 Гр.

На фиг. 2, 5 изображена зависимость интенсивности термолюминесценции от температуры нагрева образца при предварительном облучении дозой 3 Гр.

На фиг. 3, 6 изображена дозовая зависимость интенсивности термолюминесценции при обучении различными дозами.

Пример 1. Берут 0.2698 г Li₂CO₃(карбонат лития), 0.7159 г MgCO₃⋅Mg(OH)₂⋅3H₂O (карбонат магния основной трехводный), 0.9017 г NH₄H₂PO₄ (дигитроортофосфат аммония), 0.0253.г Na₂CO₃ (карбонат натрия), 0.0038 г Er₂O₃(оксид эрбия), что соответствует стехиометрическому соотношению. Все реагенты имели квалификацию осч. Способ получения предлагаемого материала включает четыре стадии, причем перед первой и второй стадиями смесь реагентов тщательно перетирают, а перед третьей и четвертой стадией после перетирания прессуют в диски. Отжиг осуществляют: на первой стадии – при температуре 300°С в течение 12 часов, на второй стадии – при температуре 500°С в течение 12 часов, на третьей стадии – при температуре 900°С в течение 12 часов, на четвертой стадии – при температуре 950°С в течение 12 часов. Полученный материал хранили в герметичных пластиковых пакетах в эксикаторе. Наличие примесных фаз не выявлено, материал является однофазным. Полученный материал имеет состав LiMgPO₄ : Er⁺³(0,25 ат%), Na⁺¹(6,1 ат.%) На фиг. 4 изображена зависимость оптически стимулированной люминесценции от времени. При введении 1⁺ ионов натрия с концентрацией 6,1 ат.% и 3⁺ионов эрбия с концентрацией 0,25 ат.% интенсивность оптически стимулированной люминесценции возрастает в 0,3 раза по сравнению с ортофосфатом литий-магния состава LiMgPO₄ допированного 3⁺ионами эрбия. На фиг. 5 изображена зависимость интенсивности термолюминесценции от температуры нагрева образца. При введении 1⁺ ионов натрия с концентрацией 6,1 ат.% и 3⁺ионов эрбия с концентрацией 0,25 ат.% интенсивность термолюминесценции возрастает в 0,3 раза по сравнению с ортофосфатом литий-магния состава LiMgPO₄ допированного 3⁺ионами эрбия. На фиг. 6 изображена дозовая зависимость интенсивности термолюминесценции при различных дозах облучения. При низких дозах облучения LiMgPO₄ допированный 1⁺ ионами натрия с концентрацией 6,1 ат.% и 3⁺ионами эрбия с концентрацией 0,25 ат. проявляет активность, и ход зависимости является линейным.

Пример 2. Берут 0.2683 г Li₂CO₃(карбонат лития), 0.7148 г MgCO₃⋅Mg(OH)₂⋅3H₂O (карбонат магния основной трехводный), 0.9003 г NH₄H₂PO₄ (дигитроортофосфат аммония), 0.0249 г Na₂CO₃ (карбонат натрия), 0.0060 г Er₂O₃(оксид эрбия), что соответствует стехиометрическому соотношению. Все реагенты имели квалификацию осч. Способ получения предлагаемого материала включает четыре стадии, причем перед первой и второй стадиями смесь реагентов тщательно перетирают, а перед третьей и четвертой стадией после перетирания прессуют в диски. Отжиг осуществляют: на первой стадии – при температуре 310°С в течение 12 часов, на второй стадии – при температуре 510°С в течение 12 часов, на третьей стадии – при температуре 910°С в течение 12 часов, на четвертой стадии – при температуре 960°С в течение 12 часов. Полученный материал хранили в герметичных пластиковых пакетах в эксикаторе. Наличие примесных фаз не выявлено, материал является однофазным. Полученный материал имеет состав LiMgPO₄ : Er⁺³(0,4 ат%), Na⁺¹(6,0 ат.%) На фиг. 1 изображена зависимость оптически стимулированной люминесценции от времени. При введении 1⁺ ионов натрия с концентрацией 6,0 ат.% и 3⁺ионов эрбия с концентрацией 0,4 ат.% интенсивность оптически стимулированной люминесценции возрастает в 2 раза по сравнению с ортофосфатом литий-магния состава LiMgPO₄ допированного 3⁺ионами эрбия. На фиг. 2 изображена зависимость интенсивности термолюминесценции от температуры нагрева образца. При введении 1⁺ ионов натрия с концентрацией 6,0 ат.% и 3⁺ионов эрбия с концентрацией 0,4 ат.% интенсивность термолюминесценции возрастает в 2 раза по сравнению с ортофосфатом литий-магния состава LiMgPO₄ допированного 3⁺ионами эрбия. На фиг. 3 изображена дозовая зависимость интенсивности термолюминесценции при различных дозах облучения. При низких дозах облучения LiMgPO₄ допированный 1⁺ ионами натрия с концентрацией 6,0 ат.% и 3⁺ионами эрбия с концентрацией 0,4 ат. проявляет активность, и ход зависимости является линейным.

Таким образом, авторами предлагается дозиметрический материал, имеющий высокую чувствительность к адсорбируемой дозе радиационного излучения, который применим как в случае использования термолюминесценции, так и оптически стимулированной люминесценции.

Дозиметрический материал на основе ортофосфата литий-магния, активированного эрбием, отличающийся тем, что дополнительно активирован натрием и имеет состав LiMgPO₄ : Er⁺³(0,25-0,4 ат.%), Na⁺¹(6,0-6,1 ат.%).