Сцинтилятор

Винахід відноситься до області матеріалознавства і може бути використаний в радіоелектронному, напівпровідниковому та оптоелектронному приладобудуванні, зокрема, в області сцинтиляційної і радіометричної техніки для реєстрації a-, b-, g-та рентгенівського випромінювання. Розроблений сцинтилятор може бути застосований в рентгенографії, медичній та технічній томографії, для радіометрії і дозиметрії потоків іонізуючих випромінювань, для діагностики неоднорідностей, мікропор та мікротріщин непрозорих виробів з високою густиною (метали, кераміка, композити). Відомо, що дослідження дискретної системи сцинтилятор-напівпровідниковий фотоприймач являють собою значний науковий та прикладний інтерес. Дослідження цих систем пов'язані з загальною проблемою створення не охолоджуваних комбінованих детекторів іонізуючого випромінювання на основі широкозонних шаруватих кристалів CdІ 2 і кремнієвих фотодіодів промислового виробництва. Такі комбіновані детектори є прогресивнішими від детекторів типу: сцинтилятор-ФЕУ. Комбіновані детектори на основі CdІ 2 - кремнієвий фотодіод є перспективними для використання в пристроях технічної радіаційної діагностики, обчислювальної рентгенівської томографії, цифрової рентгенодіагностики, рентгеноекспонометрії і т.п. Однією з проблем при розробці і удосконаленні комбінованих детекторів є обмежений вибір сцинтиляторів, спектрально узгоджених з основним фотоприймачем сучасної фотоелектроніки - кремнієвим фотодіодом. Тому залишається актуальним пошук і дослідження нових матеріалів з покращеним спектральним узгодженням в системі сцинтилятор-фотоприймач. Відомий сцинтилятор на основі CdІ 2: CdCl2 (A.C. СССР №822648, кл. G01T1/202, 1983р.), який має високу часову роздільну здатність, хороші механічні та оптичні властивості. Недоліком сцинтилятора на основі CdІ 2:CdCl2 є низьке значення світловиходу. Відомий сцинтилятор на основі CdІ 2:Cd (A.C. СССР №1568748, кл. G01T1/202, 1988р) з підвищеним значенням світловиходу. Кристалічний матеріал сцинтилятора має густину 5,6г/см3, ефективний атомарний номер 52 і характеризується випромінюванням з максимумом в області 680-690нм. Недоліком описаного сцинтилятора є низький світловихід при кімнатній температурі і незадовільне оптичне узгодження з кремнієвим фотодіодом. Найбільш близьким за технічною суттю до сцинтилятора, що заявляється є сцинтилятор, описаний в A.C. СССР №1642863, кл. G01T1/202, 1989р., в якому для підвищення світловиходу та зміщення максимуму випромінювання в довгохвильову область до матеріалу матриці CdІ2 при вирощуванні додають (0.1-3)мол. % домішки МnСl2. Кристали з даною домішкою мають в 2-3 рази вищий світловихід, ніж кристали CdІ 2:Cd, а максимум випромінювання знаходиться в області 700нм. Встановлено, що коефіцієнт оптичного узгодження фотоприймач-сцинтилятор для різних типів кремнієвих фотодіодів складає 0.75-0.93. Описаний винахід може бути прототипом запропонованого сцинтилятора. Відомо, що до перетворювачів випромінювання в системі сцинтилятор-фотоприймач ставиться ряд вимог. Сцинтилятори повинні мати великий світловихід, добре оптичне узгодження з фотоприймачем, мале самопоглинання світлового випромінювання, задовільну кінетику, мале післясвічення, високу радіаційну стійкість і незалежність чутливості від інтенсивності збудження в широкому динамічному діапазоні. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення сцинтилятора шляхом введення в матеріал додаткової легуючої домішки, що дозволить підвищити світловихід сцинтилятора при збереженні положення максимуму випромінювання. Поставлена задача вирішується так, що відомий сцинтилятор, на основі монокристалічного йодистого кадмію, легованого МnСl2, додатково містить активуючу домішку ЕuСl3 з концентрацією (0.1-1.0мол.%), а домішку МnСl2 з концентрацією (0.1-1.5мол.%) Суттєвість відмінних ознак підтверджується тим, що авторам невідомі сцинтилятори, які використовують ці ознаки для вказаної задачі. У пропонованому технічному рішенні додавання домішки ЕuСl3 до кристалу CdI 2:MnCl2 приводить до сенсибілізованого свічення домішки Mn2+ і тим самим до активації процесу випромінювання з максимумом в області 700нм. На фіг.1 наведено спектр рентгенолюмінесценції пропонованого CdI 2:(ЕuСl3, MnCl2 сцинтилятора з оптимальною концентрацією домішки. Спектр рентгенолюмінесценції вимірювався при кімнатній температурі з допомогою монохроматора спектрофотометра СФ-4А і ФЭУ-51. Широкозонні кристали CdI 2 базового матеріалу мають шарувату структуру з непрямою структурою енергетичної зони. В прикладному відношенні вказані кристали мають значні величини густини і ефективного атомного номера, характеризуються високою ефективністю перетворення випромінювання, мають добру вібро- і ударостійкість, високу радіаційну стійкість. Добра спайність кристалів перпендикулярно оптичній осі забезпечує можливість отримання якісних поверхонь методом сколювання, які не потребують наступної обробки. Техніко-економічна ефективність пропонованого сцинтилятора, в порівнянні з прототипом полягає в підвищенні світловиходу при збереженні положення максимуму випромінювання. Докази цього полягають в наступному: - завдяки легуванню кристалу CdI 2 домішками ЕuСl3 і МnСl3 відбувається підвищення світловиходу на 15-30% в порівнянні з сцинтилятором на основі CdI 2:МnСl2. - максимум випромінювання знаходиться в тому ж спектральному діапазоні, що і в прототипу (~700нм). Отримання сцинтилятора можна проілюструвати прикладами. Приклад 1. Методом Стокбаргера (Физика и химия соединений А2B6 /Под.ред. Медведева С.А. -М.:Мир. 1970. -624С.) з додатково очищеної шихти марки "чда" в запаяних кварцевих ампулах вирощують кристали CdI 2:[MnCl2(0.1мол. %), ЕuСl3(0.15мол. %)] і досліджують їх спектри рентгено- та фотолюмінесценції. Світловихід сцинтилятора на 15% вищий ніж у прототипу. Максимум випромінювання сцинтилятора знаходиться в області 700нм. Приклад 2. Аналогічно до прикладу 1 вирощено кристали CdI2:[MnCl2(0.5мол.%), ЕuСl3(0.5мол. %)]. Світловихід сцинтилятора на 20% вищий ніж у прототипу. Максимум випромінювання сцинтилятора знаходиться в області 700нм. Приклад 3. Аналогічно до прикладу 1 вирощено кристали CdI2:[MnCl2(1.5мол.%), ЕuСl3(1.0мол. %)]. Світловихід сцинтилятора на 30% вищий ніж у прототипу. Максимум випромінювання сцинтилятора знаходиться в області 700нм. Результати досліджень вказують на те, що для виготовлення комбінованого сцинтиляційного детектора можуть бути застосовані кристали CdI 2:(MnCl2, ЕuСl3) з вмістом домішки (0.1-1.5)мол. % і (0.1-1.0)мол. % відповідно. Ці кристали характеризуються на 15-30% більшим світловиходом, ніж кристали прототипу , причому максимум спектрального випромінювання знаходиться в області 700нм, що дозволяє провести добре оптичне узгодження сцинтилятора з фотодіодом. При зменшенні концентрації активатора ЕuСl3 нижче 0.1мол. % світловихід рентгенолюмінесценції стає співмірним зі світловиходом сцинтилятора CdI 2:(MnCl2), що зумовлене зменшенням концентрації активаторних центрів. Збільшення концентрації ЕuСІ 3 вище 1.0мол. % при наявності співактиватора MnCl2 приводить до втрати енергії збудження і люмінесценції на дефектах кристала і відповідно до зменшення свічення. В присутності додаткової домішки Еu2+ зростає імовірність передачі енергії від сенсибілізатора Eu2+ до Мn2+ центрів безвипромінювальним резонансним механізмом. Як видно з наведених результатів, застосування (0.1-1.0)мол. % домішки ЕuСl3 при вирощуванні кристалів CdI 2:(MnCl2) приводить до зростання світловиходу сцинтилятора і збереженні його оптичного діапазону випромінювання, що дозволяє ефективно узгоджувати його з кремнієвим фотодіодом в комбінованому детекторі. Пропонований сцинтилятор можна застосовувати не тільки в лабораторних, а також в промислових масштабах для індикації і дозиметрії іонізуючого випромінювання при стаціонарному і низькочастотному режимах збудження.