Сцинтиляційна речовина, спосіб вирощування монокристалу сцинтиляційної речовини, та її застосування

1. Неорганічна сцинтиляційна речовина загального складу М1-xCexBr3, де М є елементом або сумішшю елементів групи: La, Gd, Y, переважно є елементом або сумішшю елементів групи: La, Gd, і де х є молярним рівнем заміщення М церієм, де х більше або дорівнює 0,0001 і обов'язково менше ніж 1. 2. Сцинтиляційна речовина за п. 1, яка відрізняється тим, що М є лантаном. 3. Сцинтиляційна речовина за пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що 0,01 х≤0,9 або х≤0,5, або х дорівнює 0,3. C2 2 UA 1 3 75066 4 мінювання, космічних променів і часток, чия енеррозрізнення дають значно вищі переваги. гія становить приблизно 1 keV і вище. Наприклад, у випадку детектора, який викориСцинтиляторні кристали є кристалами, що є стовується, для аналізу різних радіоактивних ізопрозорими в сцинтиляційному спектрі довжини топів, краще енергетичне розрізнення дає можлихвиль, що є реакцією на випромінювання, що павість отримати більш ефективне виділення цих дає, шляхом випромінювання світлового імпульсу. ізотопів. На базі подібних кристалів, загалом монокрисЗростання енергетичного розрізнення зокрема талів, можуть створюватись детектори, де світло, є бажаним для медичних фотодетекторів, наприщо випромінюється кристалом, що є частиною клад, гамма-камери або пристрою позитрондетектору, з'єднано із засобами детекції світла, і випромінювальної томографії (ПВТ), оскільки це даний кристал виробляє електричний сигнал, що є дає можливість значно поліпшити контраст і якість пропорційним ряду отриманих імпульсів світла, і їх зображення, таким чином дозволяючи точніше і інтенсивності. Такі детектори використовуються раніше виявляти пухлини. зокрема в сфері вимірювань товщини або ваги, в Іншим дуже важливим параметром є констанядерній медицині, фізиці, хімії і при пошуках нафта часу згасання сцинтиляції; цей параметр зазвити. чай вимірюється за методом "Початок - зупинка" Родина відомих сцинтиляторних кристалів, що або "Декількох попадань", [описаний W.W. Moses широко використовується є йодидом натрію із до(Nucl. Instr and Meth. A336 (1993)253]. мішками талію, типу Tl:NaI. Ця сцинтиляційна реЄ бажаною найменша можлива константа часу човина, відкрита Робертом Хофстадтером (Robert згасання, з тим, щоб можна було збільшити діючу Hofstadter) у 1948 році, що становить основу сучастоту детекторів. В сфері застосування для часних сцинтиляторів, досі є домінуючою речовиотримання ядерних знімків в медицині, це дозвоною в цій сфері, незважаючи на майже 50 років ляє, наприклад, значно скоротити тривалість видосліджень, які виконуються на інших речовинах. пробувань. Константа часу згасання, що не є дуже Однак, ці кристали мають певне загасання сцинвисокою, також дає можливість вдосконалити чатиляції, що не є дуже швидким. сове розрізнення пристроїв виявлення подій за Також використовується така речовина, як Csl, часовим збігом. Це стосується позитронщо, в залежності від застосування, може викорисвипромінювальних томографів (ПВТ), де зниження товуватися окремо, або з домішками талію (ТІ) або константи часу згасання сцинтилятору може бути з натрію (Na). суттєво поліпшено через вибракування невідповіОдна родина сцинтиляторних кристалів, що дних подій з більшою точністю. отримала значний розвиток представлена вісмуВзагалі, спектр згасання сцинтиляції, як функтом германату (В GO). Кристали сім'ї В GO мають ція часу, може бути зведена до суми показових високі константи згасання, що обмежує викорисфункцій, кожна з яких характеризується константання цих кристалів до використання у вимірюватою часу згасання. льних приборах не дуже великої точності. Якість сцинтилятору по суті визначається хаІнша, нещодавно винайдена родина сцинтилярактеристиками роботи найшвидшого елемента торних кристалів, була розроблена в 1990 роках і є емісії. родиною типу активованого церій лютецій оксиорСтандартні сцинтиляційні речовини, не забезтосилікату Ce:LSO. Проте дані кристали є дуже печують як хороших показників енергетичної резогетерогенними і мають дуже високу точку плавлюції, так і констант швидкого часу згасання. лення (близько 2200°С). Це є наслідком того, що речовини, як наприТемою багатьох досліджень є розробка нових клад, Tl:NaI мають хороше енергетичне розрізненречовин з більш досконалими характеристиками. ня при гамма збудженні - приблизно 7%, константа Одним з параметрів, що бажано поліпшити, є часу згасання - близько 230 не. Так само, TLCsI і енергетична резолюція . Na:CsI мають значні показники константи згасання, Це є важливим через те, що для більшості зазокрема значно більше більший, ніж 500 не. стосувань в ядерних детекторах, гарна енергетичМожна досягти не настільки високих показнина резолюція є бажаною. Енергетичне розрізнення ків константи часу згасання із Ce:LSO, зокрема ядерного детектора випромінювання в дійсності близько 40 не, але енергетичне розрізнення при визначає його здатність відокремлювати енергії гамма збудженні в 662 keV цієї речовини загалом випромінювання, які є дуже близькими. Воно забільше за 10%. звичай визначається для даного детектора при Нещодавно були відкриті сцинтиляційні речоданій енергії, як, наприклад, ширина в серединній вини О. Guillot-Noel ma iншi. ["Optical and висоти піка, що досліджується, в спектрі енергії, scintillation properties of cerium doped ЬаСіз ЬиВгз отриманої від цього детектора, відносно енергії в and ЬиСіз" в "Journal of Luminescence" 85 (1999) центроїді піка [див. зокрема: G.F. Knoll, "Radiation 21-35]. Ця стаття описує сцинтиляційні якості суDetection and Measurement", John Wiley and Sons, мішей із домішками церію, як наприклад LuСl3, із Inc., друге видання стор. 114]. Надалі в тексті, а добавленням 0.57моль% Се; LuBr3, із добавлентакож для всіх вимірювань, що проводяться, розріням 0.021 моль%, 0.46 моль% і 0.76 моль% Се; знення визначається в 662 keV, головної гамми LuСl3, із добавленням 0,45 моль% Се. Ці сцинтиемісії 137Cs. ляційні речовини, мають цілком корисні показники Чим менше енергетичне розрізнення, тим виенергетичного розрізнення, приблизно 7%, і консще якість детектора. Вважається, що при енергетанти часу згасання швидкого елемента сцинтилятичному розрізненні близько 7% можна отримувації, що є фактично низькими, зокрема між 25 і 50 ти гарні результати. Проте, нижчі значення не. Проте, інтенсивність швидкого компонента цих 5 75066 6 речовин є досить низькою, особливо приблизно Відповідно до одного втілення, сцинтиляційна від 1000 до 2000 фотонів на MeV, що означає, що речовина згідно з винаходом, є монокристалом, вони не можуть використовуватися, як елементи який дозволяє отримувати компоненти високої високоточних детекторів. прозорості, розміри яких є достатніми, для ефекТаким чином, цей аспект винаходу стосується тивної зупинки і виявлення випромінювання, що речовини, що може мати низьку константу часу має бути виявлено, навіть при високих показниках згасання, принаймні, що є еквівалентою Ce:LSO, а енергії. Об'єм цих монокристалів зокрема приблитакож, де інтенсивність швидкого елемента сцинзно 10мм3, або навіть більше, за 1см3 і навіть бітиляції підходить для створення високоточних дельший за 10см3. текторів, зокрема більше за 4000 фотонів/MeV Відповідно до іншого втілення, сцинтиляційна (фотонів за MeV), або навіть більше за 8000 фоторечовина згідно з винаходом, є порошком або понів/MeV (фотонів за MeV), і в переважному способі лікристалом, наприклад в формі порошку, змішаматиме добре енергетичне розрізнення, принаймні ного із зв'язувальною речовиною або також - у не гірше за енергетичне розрізнення Tl:NaI. формі золь-гелю. Відповідно до даного винаходу, дана задача Винахід також стосується способу отримання вирішується завдяки неорганічній сцинтиляційній зазначеної вище сцинтиляційної речовини М1речовині, що має наступний склад М1-хСехВr3, хСехВr3, у вигляді монокристалу методом вирощуде Μ вибирається із лантанідів або сумішей вання Брідгмана, наприклад у вакуумних запечалантанідів, переважно із елементів або сумішей таних кварцових ампулах, зокрема із суміші комеелементів групи: La, Gd, Y, переважно із лантанірційних порошків MC Із і СеВr3. дів, або сумішей лантанідів групи: La, Gd, Винахід також стосується способу використані де x є молярним рівнем заміни Μ церієм, що ня сцинтиляційної речовини, яка зазначена вище, в подальшому називається як "вміст церію", де χ як компонента детектора для виявлення випромібільший, або дорівнює 0,01моль% , і обов'язково нювання, зокрема гамма і/або рентгенівськими менше 100моль%. променями. Термін "лантанід" стосується перехідних елеТакий детектор особливо переважно включає ментів із числом атома 57-71, і ітрію (Υ), що є стафотодетектор, оптично з'єднаний із сцинтилятондартним в технічній сфері даного винаходу. ром для вироблення електричного сигналу у відНеорганічна сцинтиляційна речовина згідно з повідь на випромінювання імпульсу світла, що винаходом, по суті складається з М1-хСехВr3 і може виробляється сцинтилятором. також включати певні домішки, що є звичайними в Фотодетектор даного пристрою може зокрема технічній сфері винаходу. Взагалі, звичайними бути фотопідсилювачем, фотодіодом, або іншим домішки є домішками, що походять із сировини, датчиком типу ПЗЗ. вміст якої, зокрема є меншим за 0.1%, або навіть Переважне використання цього типу детектоменше за 0.01%, і/або небажаними фазами, прора стосується вимірювання гамма або рентгенівсьцент об'єму яких є переважно меншим за 1%. кого випромінювання; така система також може Фактично, заявники виявили те, яким чином виявляти альфа і бета випромінювання і електродовести, що сполуки М1-хСехВr3, які зазначені вини. Винахід також стосується способу використанще, де міститься церій, мають необхідні характеня вище зазначеного детектора в медичних ядерристики. Сцинтиляційне випромінювання речовини них пристроях, особливо гамма камерах типу згідно з винаходом має інтенсивний швидкий комAnger і томографічних сканерах позитронного випонент (щонайменше 10000 фотонів/MeV) і низьку промінювання [див. наприклад C.W.E. Van Eijk, константу часу згасання, порядку від 20-40 не. "Inorganic Scintillator for Medical Imaging", МіжнароПереважна речовина за даним винаходом має дний семінар з нових типів детекторів, 15-19 травформулу La1-хСехВr3; фактично дана речовина має ня 1995 - Archamp, France. Опубліковано в одночасно відмінні показники енергетичного розрі"Physica Medica", Vol. XII, supplement 1, червень знення при 662 keV, зокрема менше за 5%, і навіть 96]. менше за 4%. Відповідно до іншого варіанту, винахід стосуВідповідно до одного із втілень, сцинтиляційна ється способу використання вищезазначеного деречовина за даним винаходом має енергетичне тектора в пристроях для виявлення нафти, [див. розрізнення менше за 5% при 662 keV. наприклад, "Applications of scintillation counting and Відповідно до іншого втілення, сцинтиляційна analysis", в "Photomultiplier tube, principle and речовина згідно з винаходом, має швидку констанapplication", розділ 7, Philips]. ту часу згасання - менше 40 не, або навіть менше Інші деталі і характеристики стануть зрозумініж 30 не. лими із подальшого опису переважних втілень, що Відповідно до переважного втілення, сцинтине є обмежувальними, а також даних, що отримані ляційна речовина згідно з винаходом, має як енерза допомогою зразків, що включають монокристагетичне розрізнення менше ніж 5%, так і швидку ли згідно з винаходом. константу часу згасання менше ніж 40 не, або наТаблиця 1 показує характерні результати сцивіть менше 30 не. нтиляції для прикладів згідно з винаходом (прикУ переважному способі, вміст церію χ змісту лади 1 - 5), а також - для порівняльних прикладів складається між 1 моль% і 90 моль%, і навіть зок(приклади А -G). рема, більше, або дорівнює 2 моль%, або навіть x є церієвим вмістом, що виражений в моль%, більше, або дорівнює 4 моль% і/або переважно що заміщується в атомі М. менше, або дорівнює 50 моль%, або навіть менше, Вимірювання проводяться за збудження або дорівнює 30 моль%. променя в 662 keV. Умови вимірювання більш до 7 75066 8 кладно описані O.Guillot-Noel, що цитувався вище. відмінною і має непередбачену природу, та має Емісійна інтенсивність виражається в фотонах значення між 3 і 4%, що значно краще, стосовно за MeV. Tl:NaI. Емісійна інтенсивність записується, як функція Це є результатом того, що, лантанід бромідні часу інтегрування до 0,5; 3 і 10 мікросекунд. сполуки (приклади А, В і С) не мають визначних Швидкий компонент сцинтиляції характеризусцинтиляційних характеристик. Наприклад, лютецій броміди із домішками церію (приклади В і С) ється своєю константою часу згасання, , що вимають добрі показники розрізнення R%, проте інражений в наносекундах, і інтенсивністю (виражетенсивність швидкого елементу є низькою, значно ною в фотонах/MeV) сцинтиляції, що представляє менше за 4000 фотонів/MeV. Що стосується відовплив цього компоненту на загальну кількість фомих лантанід фторидів (приклади D, Е, F, G) вони тонів, що випромінюється сцинтилятором. мають дуже низьку інтенсивність випромінювання. Зразки, що використовувались у вимірюваннях Несподівано, винахідники помітили значне прикладів, були невеликими монокристалами близбільшення інтенсивності компоненту швидкого зько 10мм3. випромінювання для La і Gd бромідів, що містять Із таблиці 1, зрозуміло, що суміші за винахоцерій. дом типу М1-хСехВr3, включають церій (Приклади 1Сцинтиляційні речовини відповідно до даного 5) всі мають дуже корисні показники константи винаходу, зокрема речовини за загальною формучасу згасання швидкого елемента випромінюванлою La1-хСехВr3 мають такі характеристики, що ня, між 20 і 40 не, а інтенсивність цього швидкого особливо підходять для збільшення експлуатаційелемента сцинтиляції є дуже визначною і значно них характеристик детекторів, як в показниках більше за 10000 фотонів/MeV: фактично досягає енергетичного розрізнення, часової резолюції, так і показника 40000 фотонів/MeV. швидкості підрахунку. Окрім цього, розрізнення, R%, цих прикладів згідно з винаходом (Приклади 1 - 4), де M=La є Таблиця 1 моль% Приклад Матриця Ce3+ x Інтенсивність випромінювання(фотони/MeV) 0.5 с ex1 ех2 ех3 ех4 ех5 А В С D Ε F G LаВr3 LаВr3 LаВr3 LаВr3 GdВr3 LаВr3 LгВr3 LаВr3 LaF3 LaF3 LaF3 CeF3 Приклад новий 0,5 2 4 10 2 0 0,46 0,76 1 10 50 100 Матриця YВr3 0,005 0,02 0,04 од 0,02 0 0,0046 0,0076 0,01 0,1 0,5 1 3 с 10 с 63000 48000 48000 45000 28000 13000 9000 10000 440 3200 4900 4400 63000 48000 48000 45000 38000 17000 14000 17000 440 3200 4900 4400 63000 48000 48000 45000 44000 17000 18000 24000 440 2200 1900 4400 Приклад: YBr3 : Се Інтенсивність випромінювання (фотони/MeV) моль% Ce3+ 0,5 Комп’ютерна верстка О.Воробєй Швидкий компонент Розрізнення (R%) 0,5 с 0,005 3 с 10 с 20000 28000 35000 Підписне 3 4 3,7 3,9 >20 15 7,8 6,5 >20 >20 >20 >20 Розрізнення (R%) >20 (нс) Інтенс. (фот/MeV) 35 23 21 24 20 365 32 32 3 3 3 3 56700 43700 44200 41400 11400 11200 1800 2400