Застосування кристалічного матеріалу y3al5o12:сe як дозиметра з оптично стимульованою люмінесценцією

Застосування кристалічного матеріалу Y3 Аl 5О12:Се як дозиметра з оптично стимульованою люмінесценцією. (19) (21) u200704786 (22) 28.04.2007 (24) 10.10.2007 (46) 10.10.2007, Бюл. № 16, 2007 р. (72) Новосад Степан Степанович, Новосад Ірина Степанівна, Новосад Оксана Степанівна, Костик Людмила Василівна 3 26790 спектральним узгодження з фотоприймачами на основі кремнію. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити дозиметр з оптично стимульованою люмінесценцією шляхом застосування кристалічного матеріалу з підвищеною ефективністю реєстрації рентгенівського випромінювання, з більшою різницею в спектральному положенні максимумів спектрів люмінесценції і оптичної стимуляції, з більшим зміщеним спектром люмінесценції в довгохвильову область, що дозволить покращити спектральне узгодження з фотоприймачами на основі кремнію, розширити поле використання. Поставлена задача вирішується так, що застосовують кристалічний матеріал Y3 АІ5 О12:Се як дозиметр з оптично стимульованою люмінесценцією. Суттєвими відмінностями від найближчого аналога є те, що запропонований матеріал має більшу відмінність у положенні максимумів у спектрах люмінесценції і оптичної стимуляції (~400нм), краще у 2-2,5 рази спектральне узгодження з фотоприймачем на основі кремнію, оскільки максимум оптично стимульованої люмінесценції порівняно з аналогічною характеристикою прототипа зміщений на 120нм у довгохвильову область де фотоприймач характеризується більшою чутливістю. Матеріал має підвищену ефективність реєстрації рентгенівського випромінювання, оскільки Y3 АІ5 О12 :Се має більшу ніж прототип густину r=4,55г/см 3 і ефективний атомний номер Zеф =29,5. Використання матеріалу Y3 АІ 5О12:Се у парі з фотоприймачем на основі кремнію дозволяє проводити дозиметрію іонізуючого випромінювання в магнітних полях, покращити стабільність параметрів, підвищити чутли вість і зменшити габарити і вагу дозиметра. Фіг.1. Спектри рентгенолюмінесценції кристала Y3 АІ 5О 12:Се при 85К до (1) і при додатковій дії ІЧ-світла (оптичний фільтр ИКС-7) (2) і спектральний склад оптично стимульованої люмінесценції кристала при 85 К після рентгенівського збудження (3). Фіг.2. Кінетика розгорання і загасання оптично стимульованої люмінесценції кристала Y3 АІ5 О12:Се при 85К. Фіг.3. Спектр стимуляції люмінесценції кристала Y3 АІ5 О12:Се при 85К. Для доведення можливості реалізації вказаної корисної моделі проведено дослідження спектрально-кінетичних характеристик кристала Y3 АІ5 О12 :Се вирощеного за методу Чохральського в інертній атмосфері з ірідієвого тигля в атмосфері аргону та монокристалічної системи, яка складалася із плівки Y3АІ 5О 12:Се товщиною ~30мкм, вирощеної методом рідинно фазної епітаксії на підкладці з монокристала Y3 АІ5О 12 :Се. Концентрація домішки церію СеО2 у шихті при вирощуванні кристала складала приблизно 1,0мас.%. Зразки виготовлялись методом шліфовки і поліровки у вигляді пластин розміром ~15х15х1,5мм 3. Спектри люмінесценції досліджувались у вакуумі за допомогою монохроматора СФ-4А з фотоелектронним помножувачем ФЕП-51, сигнал з якого підсилювався підсилювачем постійного струму і подавався на двохкоординатний ре 4 єструючий прилад ПДА1. Для рентгенівського збудження кристалів використовувався апарат УРС55А (трубка БСВ2-Сu U=45кВ, I=2мА). Опромінення кристалів рентгенівськими квантами здійснювалось через берилієве вікно металічного кріостата. При дослідженні спектрів рентгенолюмінесценції випромінювання проходило через товщину зразка. У дослідах по дослідженню оптично стимульованої люмінесценції, впливу довгохвильового випромінювання на спектри рентгенолюмінесценції як джерело випромінювання використовувалась лампа розжарення потужністю 75Вт з оптичним фільтром ИКС-7. При вимірюванні спектрів стимуляції люмінесценції джерелом випромінювання служила малогабаритна галогенна лампа КГМ220-800-1 і оптична система монохроматора спектрофотометра СФ-4А. Для відокремлення стимулюючого світла від люмінесценції у максимумі смуги між зразком і фотоприймачем розміщався інтерференційний оптичній фільтр. Температура зразка вимірювались мідь-константановою термопарою, розміщеною на кристалотримачі біля зразка. При дослідженні спектрально-кінетичних характеристик встановлено, що спектральний склад стаціонарної рентгенолюмінесценції отриманого кристала Y3 АІ5О 12 :Се при кімнатній температурі представлений неелементарною активаторною смугою з максимумом близько 550нм. При цій температурі імпульс сцинтиляцій кристала Y3 АІ5 О12:Се формується в основному двома компонентами з t1»65нс і t2»100-130нc. Плівковий матеріал при 295К характеризувався дещо кращими параметрами кінетики активаторної РЛ (t1»55нс і t2»90120нc), ніж описаний вище монокристалічний матеріал. Отримані результати дослідження спектрально-кінетичні характеристик матеріалів при кімнатній температурі узгоджуються з аналогічними параметрами сцинтиляторів Y3 АІ 5О 12:Се, поданих в роботах [Викторов Л.В., Скориков В.М., Жуков В.М., Шульгин Б.В. Неорганические сцинтилляционные материалы // Изв. АН СССР. Неорган, матер. 1991. Т.27. №10. С.2005-2029; Зоренко Ю.В., Новосад С.С., Пашковский М.В. и др. Эпитаксиальные структуры гранатов как сцинтилляционые детекторы ионизирующи х излучений // Журнал прикладной спектроскопи. 1990. Т.57. Вып. 6. С.967-972]. З пониженням температури Y3 АІ 5О 12:Се інтенсивність випромінювання у ділянці 230-140К послаблюється приблизно на 20% і при більш низьких температурах до 85К практично не змінюється. Спектр рентгенолюмінесценції кристала Y3 АІ5 О12 :Се при 85К характеризується слабкою смугою 400нм та інтенсивною неелементарною активаторною смугою 540нм (Фіг.1, крива 1). Вперше встановлено, що значне (приблизно на 30%) підсилення активаторної рентгенолюмінесценції при 85К реєструється при додатковому опроміненні зразка довгохвильовим світлом l>700нм через світлофільтр ИКС-7 (порів. криві 1 і 2 на Фіг.1). Спектральний склад (різниця крив. 1 і 2) виявленої оптичне стимульованої люмінесценції представлений тільки смугою 540нм (Фіг.1, крива 3). 5 26790 Опромінення ІЧ-світлом попередньо збудженого рентгенівськими квантами кристала призводить до появи спалаху оптично стимульованої люмінесценції, інтенсивність якої при дії підсвітки протягом 5хв послаблюється до значення ~10% (Фіг.2) у три стадії приблизно за експоненціальним законом з постійними часами загасання t1»68с, t2»114с і t2»243с. Вихід оптично стимульованої люмінесценції Y3 АІ5 О12:Се, отриманій інтегруванням кривих затухання за 5хв, має приблизно лінійний характер від часу (дози) попереднього рентгенівського опромінення. Вперше встановлено, що спектр стимуляції люмінесценції попередньо збудженого протягом 10хв рентгенівськими квантами кристала при 85К для максимуму активаторного свічення представлений неелементарною смугою в області 940нм (Фіг.3). При рентгенівському збудженні системи плівка-підкладка, крім випромінювання плівкового матеріалу Y3 АІ5О 12 :Се, пов'язаного з іонами Се3+ у смузі з максимумом 540нм, спостерігається свічення підкладки Y3 АІ 5О12 з максимумом в області 315-320нм. Температурна залежність люмінесценції активатора Се 3+ у плівковому люмінофорі подібна до температурної залежності аналогічної люмінесценції в монокристалі Y3 АІ 5О 12:Се. Проте ця система, в зв'язку малою товщиною плівкового матеріалу Y3 АІ5О 12 :Се, характеризується приблизно у 10 разів слабшою, ніж монокристал Y3 АІ5 О12 :Се, рентгенолюмінесценцією і оптично стимульованою люмінесценцією з максимумом в області 540-550нм. На основі отриманих результатів і результатів дослідження термостимульованої люмінесценції і впливу ІЧ-випомінювання з області смуги оптичної стимуляції на криві термостимульованої люмінесценції з'ясовано, що іони Се 3+ утворюють у гратці 6 Y3 АІ5 О12 діркові центри Се 3+р і збільшують концентрацію матричних електронних F--центрів, відповідальних за смугу оптичної стимуляції 940нм. При збудженні світлом у цій смузі проходить оптична іонізація донорних F--центрів. За хоплення фотоелектронів із зони провідності на центри Се 3+р спричиняє оптично стимульовану люмінесценцію Y3 АІ5 О12 :Се з максимумом в області 540-550нм. Використання більш потужних джерел оптично стимульованого випромінювання (світлодіодів або лазерів) дасть можливість значно зменшити час повного висвічування світлосуми, яку запасає кристал у процесі рентгенівського збудження Y3 АІ5 О12 :Се і відповідно значно збільшити фотоструми. Змінюючи товщину матеріалу, можна змінювати чутливість дозиметра до того чи іншого іонізуючого випромінювання в досить значних границях. Перевагою матеріалу, що заявляється у порівнянні з прототипом є те, що він має значну відмінність положення максимумів у спектрах люмінесценції і оптичної стимуляції (~400нм), краще у 2-2,5 рази оптичне узгодження з фотоприймачем на основі кремнію та підвищену ефективність реєстрації іонізуючого випромінювання. Ці властивості у сукупності зі стійкістю дозиметра до дії температури і опромінення роблять перспективним застосування його для дозиметрії електромагнітних іонізуючих випромінювань у жорстких зовнішніх умовах. До прикладу, дозиметр на основі кристалічного матеріалу Y3 АІ 5О 12:Се можуть бути використані без якої-небудь додаткової герметизації для дозиметрії синхротронного випромінювання, вимірювання радіаційної забрудненості рідини або їх парів при низьких температурах в області 85-120К. 7 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 26790 8 Підписне Тираж 26 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