Сцинтиляційний матеріал

Сцинтиляційний матеріал, що містить кристал K2LaX5-Ce, де Х - або Сl, або Вr, або І, який відрізняється тим, що кристал утворений і розміщений у матриці КХ, за наступного співвідношення компонентів у вихідній ши хті (мол. %): LaX3 0,05-2,0 СеХ3 0,05-0,1 КХ решта. (19) (21) u200806594 (22) 15.05.2008 (24) 10.11.2008 (46) 10.11.2008, Бюл.№ 21, 2008 р. (72) СТРИГАНЮК ГРИГОРІЙ БОГДАНОВИЧ, UA, ВОЛОШИНОВСЬКИЙ АНАТОЛІЙ СТЕПАНОВИЧ, UA, С АВЧИН ПАВЛО ВОЛОДИМИРОВИЧ, U A, ХАПКО ЗЕНОН АНДРІЙОВИЧ, U A, АНТОНЯК ОЛЕГ ТАРАСОВИЧ, UA, ВІСТОВСЬКИЙ ВІТАЛІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA 3 36828 Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Research A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 537, No. 1-2, P. 232-236, 2005]. Сцинтиляційний кристал K2LaX5-Ce (Х=С l, Вr, І) є особливо корисним у складі сцинтиляційних детекторів для геофізичних досліджень та ядерної медичної апаратури, наприклад, позитронних емісійних томографів, де важливим є високий світловихід [Заявка US 20060226368, 12 жовтня, 2006]. Кристали K2LaX5:Ce вирощують із компонент KХ та LaХ3, взятих в еквімолярному співвідношенні, з домішкою СеХ3 до 5моль% з розплаву методом Стокбаргера. Отримані таким чином сцинтиляційні кристали є гігроскопічними. Низька симетрія їх кристалічної гратки створює додаткові труднощі для вирощування кристалів великого розміру. Вихідна сировина для вирощування кристала K2LaX5 :Ce є дорогою через великий вміст лантану. Усе це призводить до звуження кола можливого використання даного сцинтиляційного кристала. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити сцинтиляційний матеріал шляхом вкраплення гігроскопічних мікро- чи нанокристалів у негігроскопічну матрицю, що забезпечить негігроскопічність отриманого матеріалу, спрощення вирощування сцинтиляційних кристалів великих розмірів, здешевлення вартості сцинтилятора. Поставлена задача досягається тим, що сцинтиляційний матеріал, що містить кристал K2LaX5:Ce, де Х або Сl або Вr або І, утворений і розміщений у матриці KХ, за наступного співвідношення компонентів у вихідній ши хті (мол.%): LаХ3 - 0,1-1,5; СеХ3 - 0,005-0,05, решта - KХ. З літературних джерел невідомо захищеного негігроскопічною матрицею гігроскопічного люмінесцентного матеріалу K2LaX5-Ce у вигляді мікрочи нанокрис-талів. З метою захисту гігроскопічного люмінесцентного матеріалу K2LаХ5-Се від атмосферної вологи та покращення його люмінесцентних характеристик, автори вперше помістили його у негігроскопічний матеріал KХ, що має кубічну симетрію кристалічної ґратки на відміну від низько симетричної гратки K2LаХ5-Се. Для цього, після вирощування кристалів KХ з домішками LаХ3 та СеХ3 методом Бріджмена-Стокбаргера, їх відпалювали при температурі 200°С протягом 100 годин. Відпал активізує процес агрегатування іонів La3+ та Се3+ з утворенням мікро- чи нанокрис-талів K2LaX5-Ce. Унаслідок цього отримують мікро- чи нанокристали K2LаХ5-Се, дисперговані у матрицях KХ. Авторами вперше використано високотемпературний довготривалий відпал для отримання мікро- та нанокристалів K2LаХ5-Се дисперованих у негігроскопічній матриці KХ. Запропоновані матеріали усувають недоліки об'ємних кристалів K2LaX5-Ce. Кристали KХ з диспергованими мікрокристалами K2LaX5-Ce позбавляють їх гігроскопічності, яка характерна для монокристалів K2LаХ3-Се. Кристали КХ (Х=С 1, Вr, I) забезпечують захист мікровключень від впливу атмосфери. Він визначається гігроскопічністю матриць KХ, яка є значно меншою у порівнянні із K2LаХ5-Се. Препарування сцинтиляторів на основі KХ із диспергованими мікрокристалами K2LaX5-Ce 4 не вимагає роботи у сухих боксах, як це є у випадку кристалів K2LaX5-Ce. Технологія отримання кристалів KХ кубічної симетрії є значно простішою, ніж технологія отримання низькосиметричних кристалів K2LaX5. Це дозволяє отримувати великорозмірні сцинтилятори на основі KХ із вкрапленими мікрокристалами K2LaX5-Ce. У запропонованих матеріалах концентрація дорогого компонента - лантану є на один-два порядки меншою у порівнянні з об'ємними сцинтиляційними кристалами K2LаХ5-Се, що робить собівартість запропонованого матеріалу меншою за прототип. Запропоновані матеріали зберігають сцинтиляційні характеристики прототипів - світловий вихід залишається на такому ж рівні, спектральні характеристики люмінесценції KХ з диспергованими мікрокристалами K2LaX5-Ce є такими ж як і у об'ємних кристалах K2LaX5-Ce - одночасно забезпечуючи негігроскопічність отриманого матеріалу, спрощення вирощування сцинтиляційних кристалів великих розмірів, здешевлення вартості сцинтилятора. Фіг.1. Мікрофотографія сколу поверхні кристала KСl-LаСl3 (1моль%) - СеСl3 (0,1моль%) із збільшенням х100 (а), х500 (б). Фіг.2. Спектри рентгенолюмінесценції, де крива 1 - KСl-LаСL3(1моль%) - СеСl3(0,1моль%), крива 2 - КВr-LаВr3(1моль%) - СеВr3(0,1моль%), крива 3 - КІ-LаI3(1моль%)-СеCl3(0,1моль%). Отримання запропонованого матеріалу можна проілюструвати прикладом. Приклад 1. Для отримання кристалів KСI з диспергованими мікрокристалами K2LаСl5-Се за вихідні сполуки використовують KСl (марки "осч"), LаСl3×6H2О (марки "ч") та СеСl3×6Н2О (марки "ч"). Сполуки LаСl3×6Н2О та СеСl3×6H2O обезводнюють у декілька етапів, нагріваючи у вакуумі суміш відповідної солі з NH4Cl (марки "осч") взяті у співвідношенні 2:1. Спочатку обезводнюють при температурі 90°С протягом 12год., далі при 180°С протягом 12год. і, нарешті, доводять температуру до 400°С, щоб позбутись залишків аміаку. Обезводнені LaCl3 та СеСl3 перекриста-лізовують 3 рази з розплаву методом Стокбаргера. Суміш KСl-LаСl3 (1моль%) - СеСl3(0,1моль%) додатково обезводнюють в кварцеввій ампулі при температурі 400°С протягом 6год. у вакуумі 10-4мм. рт. ст. З отриманих сполук за технологією Бріджмена-Стокбаргера вирощують кристал KCl-LaCl3 (1моль%) - СеСl3 (0,1моль%). Вакуумована кварцева ампула поміщається в піч з температурою в зоні розплаву 860°С. Швидкість опускання ампули - 4мм/год. Вирощені за таких умов кристали відпалюють при температурі 200°С протягом 100год. Після проведеної процедури отримують монокристалічні булі діаметром 2см та довжиною 5см. Зондовий електронний аналіз та люмінесцентні дослідження підтверджують отримання мікрофаз K2LaCl5-Ce, диспергованих у матриці KCL Розміри мікрофаз K2LаСl5-Се у матриці KСl, визначені за допомогою електронно-скануючої мікроскопія, становлять від 5 до 50 мікрон (Фіг.1). 5 36828 Вирощування монокристалів KВr з диспергованими мікрочастинками K2LаВr5-Се проводять згідно прикладу 1. Розміри частинок K2LаВr5-Се вкраплених в KВr є в межах від 5 до 50 мікрон. Вирощування монокристалів KІ з диспергованими мікрочастинками K2LаВr5-Се проводять згідно прикладу 1, однак LаI3 отримують шляхом високотемпературного синтезу між лантаном та йодом. Розміри вкраплених частинок є у межах від 5 до 50 мікрон. Отримані сцинтиляційні матеріали KХ із диспергованими мікрокристалами K2LаХ5-Се повністю відтворюють спектральні характеристики кристалів K2LаХ5-Се (Фіг.2). Сцинтиляційні матеріали KХ із диспергованими мікрокристалами K2LaX5-Ce мають світлові виходи порівняльні із світловиходами сцинтиляторів на основі кристалів K2LаХ5-Се. Світлові виходи кристалів KХ із диспергованими мікрокристалами K2LаХ5-Се визначались на основі порівняння із світловиходом кристалів K2LaCl5-Се(0,7%) у випадку рентгенівського збудження. Якщо взяти до уваги, що світловий вихід при збудженні гамаквантами з енергією 662кеВ для K2LаСl5 - Се(0,7%) складає 21000фотонів/МеВ [E.V.D. van Loef, P. Dorenbos, C.W.E. van Eijk, K.W. Kramer, H.U. Gudel Scintillation properties of K2LаX5:Ce3+ (X=Cl, Br, I) Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 6 Nucl. Instr. and Meth. in Ph ys. Research A Vol. 537, P. 232-236, 2005], то отримані за таким способом величини світловиходу становитимуть відповідно: KСl-LаСІ3 (1моль%) СеСl3 (0,1моль%) 18000±2000фотонів/МеВ; KВr-LаВr3 (1моль%) СеВr3 (0,1моль%) – 24000±2000фотонів/МеВ; KILal3 (1моль%) СеI3 (0,1моль%) 48000±2000фотонів/МеВ. Використання вкраплених мікро- чи нанокристалів забезпечує негігроскопічність отриманого сцинтилятора і визначається гігроскопічністю матриці KХ. Поверхня монокристалів K2LаХ5-Се під дією атмосферної вологи руйнується протягом декількох годин. KХ із вкрапленими нанокристалами зберігається без видимого руйнування поверхні протягом року. Об'єм монокристалічних сцинтиляторів K2LaX5-Ce, головним чином, не перевищує 10мм 3, в окремих випадках він є більшим 10см 3. У випадку ж KХ із вкрапленими кристалами K2LaX5Ce навіть об'єм 100см 3 є досяжним. У KХ із вкрапленими кристалами K2LаХ5-Се вміст компоненти LаХ3 є на два порядки меншою ніж в прототипі, що обумовлює меншу ціну запропонованого сцинтилятора. Наведені факти підтверджують передбачуваний технічний результат. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601