Спосіб виготовлення сцинтиляторів з фториду барію

Предполагаемое изобретение относится к производству неорганических сцинтилляторов для детекторов ионизирующих излучений, преимущественно интенсивных потоков заряженных частиц, рентгеновских и гамма-лучей. Известно, что процесс изготовления сцинтиллятора из фторида бария включает следующие основные операции: нагревание порошка в платиновом тигле в безвоздушной фторсодержащей атмосфере ростовой камеры до температуры плавления (~1560К); кристаллизацию расплава по специальной программе со скоростью, обеспечивающей формирование монокристаллической структуры материала; выдержку полученной заготовки до остывания; механическую обработку заготовки до требуемых размеров и класса шероховатости поверхностей. Сцинтилляторы характеризуются тем, что под действием ионизирующего излучения высвечивают с максимумами интенсивностей на длинах волн ~226нм и ~325нм, причем длительность коротковолновой сцинтилляции не превышает 0,9нс. Столь малая длительность коротковолновой компоненты высвечивания обуславливает высокое быстродействие детекторов на основе сцинтилляционных монокристаллов т.е. возможность регистрации в счетном режиме потоков радиации с интенсивностью вплоть до 109 квантов (частиц) в секунду. Кроме того, монокристалл негигроскопичен. Однако процесс изготовления монокристаллического сцинтиллятора из фторида бария имеет ряд недостатков: низкая производительность, высокая материало- и энергоемкость, быстрый износ тиглей и ростовых камер, нестабильность функциональных свойств сцинтилляторов (световыход, энергетическое разрешение и др.). Эти недостатки обусловлены известными трудностями обеспечения условий формирования монокристаллической, т.е. строго упорядоченной структуры материала. В частности, необходимо очень медленно вести процесс выращивания в химически агрессивной фторсодержащей атмосфере. Кроме того, вследствие кубической кристаллической структуры монокристалла он обладает совершенной спайностью по нескольким кристаллографическим плоскостям, что определяет сравнительно низкие трещиностойкость, термостойкость и другие физико-механические характеристики. Предлагаемый способ направлен на упрощение и сокращение технологического цикла изготовления сцинтиллятора из и на повышение прочностных характеристик сцинтиллятора при сохранении основных функциональных свойств (световыход, энергетическое разрешение, послесвечение, время высвечивания). Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления сцинтиллятора из фторида бария, включающем получение заготовки, выдержку ее до остывания и последующую механическую обработку до требуемых размеров и класса шероховатости поверхностей, согласно изобретению изготавливают заготовку путем прессования порошка на воздухе в прессформе одноосным давлением 275 - 295МПа при температуре 820 - 870К в течение 30 - 60мин. Одновременное воздействие на порошок вышеуказанной температуры и давления инициирует процессы механического и диффузионного массопереноса в объеме материала, в результате чего происходит спекание частиц порошка и формирование поликристаллического керамического тела. Совокупность заявляемых режимов (температура, давление, время) обеспечивает достижение столь высокой плотности керамики, как следствие, столь малого рассеяния света на остаточных пустота х (порах), что в керамике проявляются сцинтилляционные свойства, присущие физической природе фторида бария. А совокупность высокой плотности и мелкозернистой структуры керамики обуславливает более высокие физико-механические характеристики по сравнению с монокристаллом. Если хотя бы один из режимов проведения процесса задать ниже нижнего заявляемого предела, то световыход и прочностные характеристики сцинтиллятора оказываются более низкими по причине меньшей плотности керамики вследствие большего количества и размеров остаточных пустот (пор). Если получать керамику при температуре выше верхнего заявляемого предела, то при извлечении из пресс-формы заготовка сцинтиллятора зачастую разрушается. Это вызвано недостаточно высокой механической прочностью из-за крупнозернистой структуры, которая формируется в результате более интенсивного протекания процесса спекания при повышенной температуре по сравнению с имеющим место при заявляемой температуре. Повышение давления или (и) времени спекания выше верхнего заявляемого предела практически не сказывается на свойствах керамики, но повышает энергоемкость процесса или (и) длительность технологического цикла. Внешнее давление на материал позволяет проводить заявляемый процесс при температуре минимум на 690'К меньшей, чем температура плавления фторида бария, необходимая для осуществления способа-прототипа. Вопреки распространенным представлениям о термохимической стойкости фторида бария, расчеты показали, что при температуре спекания в заявляемых пределах взаимодействие фторида бария с кислородсодержащими компонентами воздуха должно быть пренебрежимо малым, поэтому процесс получения светопрозрачной керамики можно проводить на воздухе . Это априори неочевидное предположение подтверждено экспериментами. Доказанная возможность и более низкая рабочая температура по сравнению со способом-прототипом позволяют значительно упростить процесс и сократить его длительность, снизить энергоемкость, использовать более простое и менее материалоемкое оборудование, поскольку заявляемый способ не требует проводить технологические операции по созданию и поддержанию безвоздушной фторсодержащей атмосферы, по расплавлению исходного порошка, по программированной кристаллизации расплава, и др. Вместе с тем, поскольку рабочая температура в заявляемом способе сравнительно низкая, то исключена потребность в платиновом тигле (вместо него пресс-форма из сплава на никелевой основе) и др. Способ включает следующие основные операции: нагревание порошка фторида бария на воздухе в пресс-форме до температуры 820 870К; приложение одноосного давления на нагретый порошок 275 - 295МПа и выдержка под этим давлением в течение 30 - 60мин; снятие давления и выдержка полученной заготовки до остывания; механическая обработка заготовки до требуемых размеров и класса шероховатости поверхностей. Изобретение иллюстрируется нижеследующими примерами. Пример 3. Выполняют операцию идентично примеру 1 до операции нагревания. Нагревают сбрикетированный порошок до температуры 800К (530°C), т.е. до температуры ниже нижнего заявляемого предела, а остальные операции выполняют идентично примеру 1. Большинство характеристик изготовленного керамического сцинтиллятора - диска диаметром 32мм толщиной 2мм совпадают в пределах погрешностей измерений с полученными для сцинтилляторов по примерам 1 и 2. Но световыход сцинтиллятора по примеру 3 не превышает 10% от Пример 1. Порцию 12г порошка квалификации "хч" (те хнические условия ТУ 6 - 09 - 01 - 611 - 80) загружают в цилиндрический формообразующий узел пресс-формы с разграничительными прокладками из листовой слюды, уплотняют (брикетируют) порошок одноосным давлением 50МПа (~0,5т/см 2) нагревают брикет до температуры 820К (~560°C), прикладывают одноосное давление 275МПа (~2,8т/см 2) и выдерживают 30мин. Затем снимают давление, отключают нагреватели пресс-формы, извлекают из формообразующего узла полученную керамическую заготовку - диск диаметром 32мм толщиной 3мм и выдерживают до остывания, после чего шлифуют до толщины 2мм и полируют до шероховатости плоских световыхода эталонного образца а среднее значение микротвердости по Виккерсу не выше этого значения для монокристалла фторида бария. Следовательно, снижение температуры горячего прессования порошка относительно нижнего заявляемого предела приводит (за счет меньшей плотности керамики) к ухудшению качества сцинтиллятора по сравнению с теми образцами, которые изготовлены при оптимальных режимах. Пример 4. Выполняют операции идентично примеру 1 до операции нагревания. Нагревают сбрикетированный порошок до температуры 890К (~620°C), т.е. до температуры выше вер хнего заявляемого предела, а остальные операции выполняют идентично примеру 1. При извлечении керамической заготовки из формообразующего узла нарушается ее целостность, изготовить диск диаметром 32мм не удается. Это обусловлено, по-видимому, тем, что при температуре горячего прессования выше верхнего заявляемого предела интенсифицируется процесс собирательной рекристаллизации зерен керамики, в результате чего механическая прочность керамики оказывается недостаточной для сохранения целостности диска при извлечении его из формообразующего узла пресс-формы. Пример 5. Выполняют операции идентично примеру 1 до операции прикладывания давления на нагретый брикет. Прикладывают давление 250МПа (~2,5т/см 2), т.е. меньшее, чем нижний заявляемый предел, а остальные операции выполняют идентично примеру 1. Качество изготовленного керамического сцинтиллятора - диска диаметром 32мм толщиной 2мм хуже, чем у образцов, изготовленных при оптимальных режимах: световыход равен ~11% от поверхностей При облучении гамма-квантами с энергией до 100кэВ, альфа- и бета-частицами, изготовленный диск сцинтиллирует с максимумами интенсивностей на длинах волн ~226нм и ~325нм с временем высвечивания коротковолновой компоненты ~0,8нс, длинноволновой - 0,6мкс, и послесвечением через 5мс. При облучении альфа-частицами с энергией 5,15МэВ световыход составляет 16% от световыхода эталонного образца а энергетическое разрешение - 15%. Эти характеристики идентичны тем, которые известны для монокристаллических сцинтилляторов из фторида бария [2, 3]. Наряду с этим термостойкость и трещиностойкость керамического сцинтиллятора примерно в два раза выше, чем у монокристалла, а среднее значение микротвердости по Виккерсу - примерно в 1,1 раза выше. Пример 2. Порцию 100г порошка квалификации "хч" (те хнические условия ТУ 6 - 09 - 01 - 611 - 80) загружают в цилиндрический формообразующий узел пресс-формы с разграничительными прокладками из листовой слюды, уплотняют (брикетируют) порошок одноосным давлением 50МПа (~0,5т/см 2), нагревают брикет до температуры 870К (~600°C), прикладывают одноосное давление 295МПа (~3т/см 2) и выдерживают 60мин. Затем снимают давление, отключают нагреватели пресс-формы, извлекают из формообразующего узла полученную керамическую заготовку - диск диаметром 80мм толщиной 4мм и выдерживают до остывания, после чего шлифуют до толщины 2мм и полируют до шероховатости плоских поверхностей Изготовленный керамический сцинтил-лятор имеет в пределах погрешностей измерений такие же функциональные и эксплуатационные характеристики, как и сцинтиллятор по примеру 1. световыхода эталонного образца среднее значение микротвердости по Виккерсу не превышает значения этого параметра для монокристалла Как и в случае образца по примеру 3, причиной худшего качества керамики является меньшая плотность по сравнению с достигаемой при оптимальных режимах горячего прессования. Пример 6. Выполняют операции идентично примеру 1 до операции прикладывания давления на нагретый брикет. Прикладывают давление 310МПа (~3,2т/см 2) т.е. выше верхнего заявляемого предела, а остальные операции выполняют идентично примеру 1. Сцинтилляционные и эксплуатационные характеристики изготовленного сцинтиллятора совпадают в пределах погрешностей измерений с найденными для образцов по примерам 1 и 2. Следовательно, нецелесообразно повышать давление горячего прессования выше верхнего заявляемого предела. Пример 7. Выполняют операции идентично примеру 1 до выдержки нагретого брикета под давлением. Выдерживают под давлением в течение 25мин, т.е. меньше нижнего заявляемого предела, а остальные операции выполняют идентично примеру 1. Качество изготовленного сцинтиллятора хуже, чем у образцов, изготовленных при оптимальных режимах: световыход равен 14% от световыхода эталонного образца а среднее значение микротвердости по Виккерсу не превышает значения этого параметра для монокристалла Как и в случаях образцов по примерам 3 и 5, причиной худшего качества керамического сцинтиллятора является меньшая плотность по сравнению с достигаемой при оптимальных режимах горячего прессования. Пример 8. Выполняют операции идентично примеру 2 до выдержки нагретого брикета под давлением. Выдерживают под давлением в течение 65мин, т.е. больше верхнего заявляемого предела, а остальные операции выполняют идентично примеру 2. Функциональные и эксплуатационные характеристики изготовленного сцинтиллятора совпадают в пределах погрешностей измерений с найденными для образцов по примерам 1 и 2. Следовательно, нецелесообразно увеличивать время горячего прессования выше верхнего заявляемого предела. Как следует из приведенных примеров, заявляемый способ по сравнению со способомпрототипом позволяет сократить и упростить процесс, снизить его энергоемкость за счет того, что изготовление заготовки сцинтиллятора возможно проводить не в безвоздушной фторсодержащей атмосфере, а на воздухе при температуре почти в два раза более низкой, и использовать более простое и менее материалоемкое оборудование, поскольку исключена потребность в платиновом тигле, в ростовой камере и др. В силу мелкозернистой структуры и высокой плотности керамики ее физико-механические характеристики выше, чем у монокристалла. Вместе с тем основные •функциональные свойства керамических сцинтилляторов, изготовленных предлагаемым способом, практически не уступают монокристаллам аналогичных размеров. Таким образом, сцинтилляторы, изготовленные предлагаемым способом, могут быть применены в детекторах заряженных частиц, рентгеновских и гамма-лучей, в том числе потоков радиации с интенсивностью до 109 квантов (частиц) в секунду.