Керамічний сцинтиляційний матеріал на основі фториду літію

Данное техническое решение относится к неорганическим сцинтилляционным керамическим материалам и может быть использовано при изготовлении датчиков детекторов ионизирующи х излучений, преимущественно медленных ("тепловых") нейтронов. Если коэффициент поглощения "тепловых" нейтронов в материале датчика достаточно велик, то датчик может быть небольшой толщины. Тогда целесообразно использовать соответствующий керамический сцинтилляционный материал. Такие материалы имеют ряд потенциальных преимуществ перед традиционными сцинтилляционными монокристаллами, пленками и др. Керамические сцинтилляционные материалы известны на основе оксидов, халькогенидов и фторидов металлов. На основе фторида лития известен керамический сцинтилляционный материал, содержащий в качестве активирующи х допантов анионы кислорода и катионы титана, LiF : (Ti4+, O2-) (Патент РФ, №2014373, кл. C30B17/00, C30B29/12, опубл. 15.06.94). Данный материал-прототип имеет максимум интенсивности основной компоненты сцинтилляции на длине волны ~390нм с временем 150мкс и световыходом ~2% от световыхода монокристалла NaJ : Ti (~4,4% от световы хода монокристалла CsJ : Ti). Преимущества прототипа перед другими керамическими сцинтилляционными материалами заключаются в том, что: 1) даже без изотопного обогащения, т.е. при естественном содержании ядер 6Li, он имеет большой коэффициент поглощения "тепловых" нейтронов - 4,4см-1; 2) обладая небольшим эффективным атомным номером (Zэфф » 8), он близок к радиологическому эквиваленту биоткани. Недостатком керамического сцинтилляционного материала LiF : (Ti4+ , O 2-) является низкий световыход. Этот недостаток обусловлен физической природой активирующих катионов титана, спецификой их связей с анионами кислорода и с ионами кристаллической решетки фторида лития. Предлагаемое техническое решение направлено на повышение световыхода керамического сцинтилляционного материала на основе фторида лития. Поставленная задача решается тем, что керамический сцинтилляционный материал на основе фторида лития, содержащий активирующие допанты - анионы кислорода и катионы, содержит в качестве активирующих катионов ионы урана и азота в количестве 0,01 - 0,05мас.% в пересчете на безводный нитрат урана UO2(NO3)2 . Положительный эффект обусловлен спецификой связей катионов урана и азота друг с другом, с анионами кислорода и с ионами кристаллический решетки фторида лития. Эксперименты показали, что активирующее действие катионов урана и азота в присутствии анионов кислорода более сильное, чем катионов титана в присутствии таких же анионов. При этом оптическая прозрачность заявляемого материала достаточно высока для проявления сцинтилляционных свойств при воздействии ионизирующего излучения. Но если суммарное содержание Ca активирующих катионов урана и азота больше верхнего заявляемого предела, то сцинтилляционные характеристики материала хуже из-за концентрационного тушения. Если же Ca меньше нижнего заявляемого предела, то световы ход сцинтилляций меньше из-за меньшего числа центров высвечивания. Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Керамический сцинтилляционный материал представляет собой поликристаллическое твердое тело в форме диска диаметром 15мм и толщиной 1,5мм из LiF : (U8+, N4+, O2-). Оно получено путем спекания на воздухе порошка фторида лития, активированного ионами урана, азота и кислорода, при температуре 500°C под одноосным давлением 335МПа (~3,4т/см 2) в течение 20мин, с последующей шлифовкой и полировкой плоских поверхностей диска. Исходный порошок приготовлен путем размалывания кристаллизата после быстрого охлаждения на воздухе расплава смеси фторида лития и 0,05мас.% безводного нитрата урана UO2(NO3)2. Сцинтилляционные характеристики материала приведены в таблице (поз.1). В спектре поглощения имеются полосы с максимумами на длинах волн ~503нм и ~521нм, а спектр гамма-люминесценции (Eg = 60кэВ) содержит максимумы на ~486, 497, 510, 525 и 544нм. Основные компоненты сцинтилляций имеют длительности 5мкс и 300мкс, а их вклад в световыход при облучении альфа-частицами с энергией 5,5МэВ от источника 241Am равен 7,2% от световы хода сцинтиллятора NaJ : Ti, т.е. ~16% от световы хода CsJ : Ti. Это в 3,6 раза выше, чем световы ход у прототипа (поз.7 таблицы). Пример 2. Керамический сцинтилляционный материал представляет собой поликристаллическое твердое тело в форме диска диаметром 15мм и толщиной 1,5мм, полученное аналогично указанному в примере 1. Исходный порошок приготовлен путем размалывания кристаллизата после быстрого охлаждения на воздухе расплава смеси фторида лития и 0,01мас.% безводного нитрата урана. В пределах погрешностей измерений сцинтилляционные характеристики данного материала (поз.2 таблицы) совпадают с таковыми для материала по примеру 1. В частности, световы ход основных компонент сцинтилляций примерно в 3,4 раза выше, чем световыход у материала-прототипа. Характеристики керамических материалов на основе фторида лития, содержащих активирующие ионы урана, азота и кислорода в количествах больше верхнего и меньше нижнего заявляемых пределов, приведены соответственно в поз.3 - 4 и 5 - 6 таблицы. Как следует из этих данных, вы ход за пределы заявляемого диапазона концентраций приводит к существенному снижению световыхода материала. Полученный результаты показывают, что предложенное решение обеспечивает повышение световыхода керамического сцинтилляционного материала на основе фторида лития более чем в три раза при сохранении большого коэффициента поглощения "тепловых" нейтронов и малого эффективного атомного номера. Этим доказывается перспективность использования данного материала для изготовления датчиков сцинтилляционных детекторов "тепловых" нейтронов.