Сцинтиляційний матеріал на основі активованого кристала йодиду літію

1. Сцинтиляційний матеріал на основі активованого кристала йодиду літію, який відрізняється тим, що як активатор він містить сполуки європію, хімічно стійкі до розплаву йодиду літію, іонний радіус аніонів яких менше іонного радіуса йоду, при наступному співвідношенні компонентів, % мас.: сполуки європію (у перерахуванні 6,10-3 - 9,10-2 на європій) йодид літію решта. 2. Сцинтиляційний матеріал на основі активованого кристала йодиду літію за п.1, який відрізняється тим, що як активатор він містить оксид або фторид, або оксифторид, або гідроксид європію, або їхні суміші. (19) (21) 2004020846 (22) 06.02.2004 (24) 15.12.2006 (46) 15.12.2006, Бюл. № 12, 2006 р. (72) Гриньов Борис Викторович, Смирнов Микола Миколайович (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 61091, 07.11.2003 SU 1609315, 12.09.1988 GB 1131406, 23.10.1968 GB 948310, 15.06.1960 DE 10123703, 22.11.2001 3 77423 4 нейтронів в еквівалентній шкалі гама-квантів і вивикористовуються йодиди європію, талію, олова, значають терміном "гама-еквівалент". самарію. Сполуки і характеристики відомих Створення ефективного сцинтиляційного сцинтиляторів приведені в таб. 1. матеріалу для реєстрації нейтронного Як випливає з таб.1, відомі сцинтиляційні випромінювання останнім часом диктується не матеріали, що містять як активатор йодиди Тl, Sn, і тільки потребами фундаментальних фізичних Sm (приклади 1-3) [О. Смакула, Монокристали, досліджень і ядерної енергетики, але і нагальною Переклад з німецької, Київ, "Рада".-2000.-с.365], потребою народного господарства усього мають низьку сцинтиляційну ефективність (низьсвітового співтовариства по створенню на його кий світловий вихід) до гама-квантів, що припускає основі цілої галузі виявлення і моніторингу вибунизький світловий вихід і при реєстрації нейтронів. хових речовин. У цьому зв'язку, такі матеріали практичного застоВідомі сцинтиляційні матеріали на основі аксування не одержали. тивованих кристалів йодиду літію. Як активатор Таблиця 1 № пп. Сицнтилятор Активатор 1 2 3 4 5 LiI(Tl) LiI(Sn) LiI(Sm) 6 LiI(Eu) 6 LiI(Eu) ТlI SnI2 SmI3 ЕuІ2 ЕuI3 Енергетичний дозвіл, % джерело (Рu-Ве) 3,0 3,0 Гамаеквівалент Відомий сцинтиляційний матеріал на основі активованого кристалу йодиду літію, у якому активатором є йодид двовалентного європію, концентрація якого в перерахуванні на європій складає 0,056 % мас. (таб.1, приклад 4). [Каталог фірми "Harshaw Chemie BV".-80p.]. По неопублікованим даним у Росії (РНЦ «Прикладна хімія», м. Санкт Петербург) і Україні (Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України, м. Харків) виробляється йодид літію, активований йодидом тривалентного європію, концентрація якого в перерахуванні на європій складає 0,005 % мас. (приклад 5, таб. 1). Ці матеріали знайшли широке застосування, головним чином, для реєстрації нейтронів, у тому числі й у змішаних нейтронних і гама полях. Як прототип по максимальній кількості загальних ознак нами обраний аналог фірми "Harshaw Chemie BV" - йодид літію, у якому активатором є йодид двовалентного європію, концентрація якого в перерахуванні на європій складає 0,056 % мас. (таб. 1, приклад 4). Але цей матеріал має не досить високий світловий вихід при реєстрації нейтронів (гамаеквівалент дорівнює 3 МеВ у порівнянні із сумарною енергією -часток і тритонів, рівної 4,78 МеВ), що обмежує можливості матеріалу й ускладнює ідентифікацію нейтронів при наявності гама фона. Для матеріалу не приводяться значення енергетичного дозволу, що дозволяє вважати, що воно істотно гірше, ніж, наприклад, для Na(Tl). Це обставина не припускає можливість спектроскопії гама- і нейтронного випромінювань. В основу дійсного винаходу покладена задача одержання сцинтиляційного матеріалу на основі активованого кристалу йодиду літію з максимально високими світловим виходом до нейтронного випромінювання і значеннями енергетичного дозволу. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що сцинтиляційний матеріал на основі акти Енергетичний дозвіл, % джерело 137Cs 10 4 3,3 30 30 Світловихід, % від NaI (Tl) Максим. емісії, Нм Час загасання, мкс 450 530 450 470 420 1,2 0,7 0,25 1,4 1,2 вованого кристала йодиду літію, відповідно до винаходу, як активатор містить сполуки європію, хімічно стійкі до розплаву йодиду літію, іонний радіус аніонів яких значительно менше іонного радіуса йоду, при наступному співвідношенні компонентів, % мас: сполуки європію (у перерахуванні на європій) 6.10-3-9.10-2 йодид літію інше. Зокрема, як активатор зазначений матеріал може містити фторид і (чи) оксид європію, а також інші сполуки європію, що задовольняють зазначеним вимогам, наприклад, оксифторид, гідроксид і ін. Активатор у пропонованому матеріалі може міститися як індивідуальні речовини і їхні суміші. В останньому випаду склад сумішей може бути будьяким, але сумарна концентрація речовин, що активують, повинна відповідати інтервалу концентрацій, що заявляється. Стійкість використовуваних як активатор сполук європію до розплаву йодиду літію дозволяє запобігти протікання обмінних реакцій у розплаві між активатором і LiI, на відміну від прототипу, створює можливість утворення в кристалах псевдомолекулярних центрів світіння ("Eu-F" чи "Еu-O" центрів у випадку використання фториду чи оксиду європію, відповідно) і тим самим значно зменшує порушення кристалічної структури основної речовини, обумовленого значним розходженням аніонних радіусів і зарядів катіонів літію й європію. При цьому істотно міняється і структура найближчого оточення центрів люмінесценції. Зміна складу матеріалу, концентрації і структури центрів світіння при використанні розглянутих речовин, що активують, очевидно і забезпечило рішення поставленої задачі і дозволило одержати сцинтиляційний матеріал з радикально поліпшеними значеннями світлового виходу й енергетичного дозволу. При цьому склад матеріалу, що заявляється, визначається оптимальним інтервалом 5 77423 6 концентрацій добавки, що активує, 0,006-0,09 мас. таб.2), відповідно. У випадку смешенного актива%, для якого характерно найбільше значення ветора брали суміш Еu2О3 і ЕuF3 у кількості по 30 мг личини гама-еквівалента - 4,6-4,9 Мев. Енергетичкожний. При этом загальна концентрація домішок, що активують, складала 0,06 % мас., приклад 28 ний дозвіл при реєстрації -часток і тритонів у таб. 2). Навішення поміщали в кварцову ампулу. цьому випадку так само є найкращим і складає Приготовлену суміш збезводнювали під вакуумом 3,5-5,5%. У теж час у зазначеному інтервалі до температури 380°С. Потім ампулу отпаивали і концентрацій активатора можна виділити область поміщали в піч для вирощування кристалів. 0,06 - 0,08 % мас., для якої характерні найкращі Вирощування здійснювали методом Бриджмезначення величин як гамма-еквівалента - 4,8-4,9 на у двохкамерної печі з розділовою діафрагмою. Мев, так і енергетичного дозволу при реєстрації З отриманих кристалів (по їхній висоті) вирізували часток і тритонів - 3,5%. заготівлі робочих елементів сцинтиляторів Погіршення параметрів матеріалу при відповідних розмірів і упаковували в герметичні зменшенні концентрації активатора можна вважаконтейнери з вихідним склом. Розміри що виготовти наслідком зменшення числа центрів світіння. ляються сцинтиляторів складали - діаметр 13, 16, При цьому, зменшення концентрації активатора в 23 і 25 мм, висота 3, 8 і 25 мм, відповідно. більшому ступені позначається на погіршенні веПриклади з іншим змістом активатора й інших личини енергетичного дозволу й у меншому активаторів приведені в таб.2. Інші варіанти ступені на величину гама-еквивалента, що змішання активаторів (крім суміші Еu2О3+ЕuF3) у випливає з таб. 2. При збільшенні концентрації таблиці не приводяться, тому що вони можуть буактиватора болем 0,09 % мас., характеристики ти зведені до суміші Еu2О3+ЕuF3. матеріалу так само погіршуються, що можна розВимір характеристик сцинтиляторів глядати наслідком погіршення прозорості здійснювали по стандартних методиках при кристалів і процесів гасання, характерних для кімнатній температурі з використанням фотоумнолюмінесцентних матеріалів. жителя фірми «Хамамацу». Як зразки порівняння У таб. 1 приведені характеристики аналогів; у використовували еталонні детектори Na(Tl) таб. 2 приведені характеристики пропонованого розмірами 10*10 і 40*40мм, світловий вихід яких матеріалу. Для одержання пропонованого складав 3,8 і 4,2 УОСВ (умовних одиниць матеріалу брали навішення 6LiI у кількості 100 гр. і світлового виходу), відповідно. навішення ЕuF3, чи Еu2О3, чи EuOF, чи Еu(ОН)3 у кількості 60 мг (0,06 % мас; приклади 4, 12, 18 і 24, Таблиця 2 № пп 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Сцинтилятор Активатор Cактив. мас% 2 6 LiI(EuF3) те ж "-" "-" "-" "-" "-" "-" 6 LiI(Eu2О3) "-" "-" "-" "-" "-" "-" 6 LiI(EuОF) "-" "-" "-" "-" "-" 6 LiI(Eu*) "-" "-" "-" "-" 3 ЕuF3 те ж "-" "-" "-" "-" "-" "-" Еu2O3 "-" "-" "-" "-" "-" "-" ЕuOF "-" "-" "-" "-" "-" Еu(OH)3 "-" "-" "-" "-" 4 0,1 0,09 0,08 0,06 0,04 0,01 0,006 0,005 0,1 0,09 0,08 0,06 0,01 0,006 0,005 0,1 0,09 0,06 0,01 0,006 0,005 0,1 0,09 0,06 0,006 0,005 Гамаеквівале нт, МеВ Енергетичний дозвіл,% Джерело Pu-Be 5 6 4,4 7,0 4,7 5,1 4,9 3,5 4,8 3,5 4,8 5,2 4,8 5,0 4,6 5,1 3,2 5,0 4,3 8,4 4,6 5,5 4,8 3,5 4,7 5,0 4,7 5,8 4,6 6,0 3,2 5,5 4,4 8,0 4,6 4,5 4,8 3,6 4,7 5,3 4,6 6,0 3,3 5,5 4,3 9,0 4,6 5,3 4,7 3,6 4,6 6,0 3,1 6,0 СвітлоЕнергетичвихід, % ний дозвіл, Максим. від % емісії, Нм Na(Tl) 137 Джерело Cs 7 8 9 28 12 467 30 7,2 те ж 30 6,6 "-" 30 6,5 "-" 30 8,4 "-" 30 6,7 "-" 30 7,2 "-" 30 8,4 "-" 27 12 "-" 30 7,2 "-" 30 6,8 "-" 30 7,0 "-" 30 7,5 "-" 30 8,4 "-" 30 9,4 "-" 28 12 "-" 30 6,5 "-" 30 6,8 "-" 30 7,0 "-" 30 8,4 "-" 29 8,4 "-" 25 15 "-" 30 7,8 "-" 30 7,6 "-" 30 8,4 "-" 28 8,8 "-" Час загасання, мкс 10 1,0 те ж "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" "-" 7 77423 8 Продовження табл.2 1 27 6 2 LiI(Eu**) 28 те ж 29 1.1. Ч 3 Еu2O3 ЕuF3 Еu2O3 ЕuF3 Еu2O3 ЕuF3 4 0,05 0,05 0,03 0,03 0,002 0,003 5 4,4 6 9,4 7 27 8 13 4,7 3,5 30 6,8 3,4 5,6 30 8,0 9 "-" "-" "-" "-" "-" "-" 10 "-" "-" "-" "-" "-" "-" Примітки: *) сцинтиляційний матеріал 6LiI[Eu(OH)3]; **) сцинтиляційний матеріал зі змішаним активатором 6LiI[Eu2O3+EuF3]. Як випливає з таб. 2, величина гамаеквівалента пропонованого матеріалу дорівнює чи більше сумарної енергії -часток і тритонів, образующихся по реакції (1), і складає 4,6-4,9 Мев, что можна вважати абсолютним досягненням. Величина енергетичного дозволу при опромінюванні тепловими нейтронами складає 3,5-5,5 %, що також представляється найкращім досягненням. При цьому величина енергетичного дозволу для енергії гама-квантів 662 КеВ знаходиться на рівні кращих зразків Na(Tl) - 6-7%. Ці обставини дозволяють зробити висновок, що отримано унікальний сцинтиляційний матеріал, який можна розглядати як найбільш ефективний із Комп’ютерна верстка М. Клюкін усіх відомих детекторів теплових нейтронів, і який може бути використаний для спектрометрії нейтронів і гамма-квантів. В останньому випадку найбільш привабливим можна вважати матеріал, що містить європій у кількості 0,06-0,08% мас., для якого величина енергетичного дозволу складає 3,5 %. При цьому максимальним значенням параметрів сцинтилятора, що заявляється, відповідають приклади 2-7, 10-14, 17-20, 23-25 і 28 Таб. 2, що і визначає інтервал оптимальних концентрацій добавок, що активують, 0,006 0,09% мас. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601