Детектор нейтронів та матеріал для нього (варіанти)

1. Детектор нейтронів, який відрізняється тим, що містить сцинтиляційний матеріал загальної формули Cs(2-z)RbzLiLn(1-x)X6:xCe3+, де X - Вr або І, Ln - Y або Gd, або Lu, або Sc, або La, де z більше або дорівнює 0 і менше або дорівнює 2, а х становить більше 0,0005. 2. Детектор нейтронів за п. 1, який відрізняється тим, що х становить більше 0,005. 3. Детектор нейтронів за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що х становить менше 0,3. 4. Детектор нейтронів за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що х становить менше 0,15. 5. Детектор нейтронів за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що він знахо 2 (19) 1 3 88781 4 або І, Ln - Y або Gd, або Lu, або Sc, або La, a x становить більше 0,0005. 22. Матеріал за п. 21, який відрізняється тим, що х становить більше 0,005. 23. Матеріал за будь-яким з пп. 21-22, який відрізняється тим, що х становить менше 0,3. 24. Матеріал за п. 23, який відрізняється тим, що х становить менше 0,15. 25. Матеріал за будь-яким з пп. 21-24, який відрізняється тим, що він знаходиться у вигляді монокристала. 26. Матеріал за п. 25, який відрізняється тим, що об'єм монокристала становить щонайменше 10 мм3. 27. Матеріал за п. 21, який відрізняється тим, що він знаходиться у вигляді порошку. 28. Матеріал за п. 27, який відрізняється тим, що порошок є або спресованим, або спеченим, або змішаним зі зв'язуючим. 29. Матеріал за п. 21, який відрізняється тим, що Ln - це Y. 30. Матеріал формули Cs(2-z)RbzLiLn(1-x)I6:xCe3+, де Ln - Y або Gd, або Lu, або Sc, або La, де z більше або дорівнює 0 і менше або дорівнює 2, а х становить більше 0,0005. 31. Матеріал за п. 30, який відрізняється тим, що х становить більше 0,005. 32. Матеріал за будь-яким з пп. 30, 31, який відрізняється тим, що х становить менше 0,3. 33. Матеріал за п. 32, який відрізняється тим, що х становить менше 0,15. 34. Матеріал за будь-яким з пп. 30-33, який відрізняється тим, що він знаходиться у вигляді монокристала. 35. Матеріал за п. 34, який відрізняється тим, що об'єм монокристала становить щонайменше 10 мм3. 36. Матеріал за п. 30, який відрізняється тим, що він знаходиться у вигляді порошку. 37. Матеріал за п. 36, який відрізняється тим, що порошок є або спресованим, або спеченим, або змішаним зі зв'язуючим. 38. Матеріал за п. 30, який відрізняється тим, що Ln - це Y. Винахід відноситься до нових сцинтиляційних матеріалів, зокрема, у вигляді монокристалів, до способу їх одержання у вигляді монокристалів і до їх застосування для того, щоб детектувати і/або розрізнювати нейтронне і/або гаммавипромінювання. Сцинтиляційні матеріали широко використовуються для виявлення гамма променів (електромагнітних хвиль з низькими енергіями, аж до 1кеВ або нижче, які названі нижче як "гамма"), а також частинок, подібних нейтронам, альфа частинкам і т.д. Механізми сцинтиляції основуються на цілому ряді фізичних принципів, які по суті перетворюють високу енергію падаючих фотонів або частинок у світло, яке знаходиться в межах видимого діапазону або досить близько до нього. Особливий інтерес представляють монокристалічні форми сцинтиляторів, тобто деталей, які на рівні використання складаються з одного (саме більше декількох) кристалів. Монокристалічна конфігурація робить можливою більш легке виведення випущеного світла при великих товщинах завдяки відсутності внутрішньої дифузії через границі зерен, неоднорідність і інші дефекти, які мають тенденцію бути присутніми в полікристалічних матеріалах. Потрібна кристалічна структура (в атомному значенні), яка визначає механізми сцинтиляції: скловидний аморфний стан речовини з великою імовірністю дасть інші сцинтиляційні властивості. Виведене світло потім збирають за допомогою різних пристроїв, які добре відомі фахівцям в даній області техніки, подібних до фотопомножувачів, фотодіодів і т.п. Інша конфігурація полягає в тому, щоб все ж зберегти кристалічну структуру матеріалу, але використати його у вигляді порошку, або спресованого, або спеченого, або змішаного зі зв'язуючим, таким чином, щоб все ж забезпечити відведення світла. Звичайно такі конфігурації є дуже непрозорими, коли вони мають товщину більше ніж декілька міліметрів, тобто товщину, яка може бути недостатньою для того, щоб зупинити достатню кількість падаючих частинок або фотонів. Загалом, там, де це можливо і економічно ефективно, монокристали є переважними. Детектування (виявлення) гамма, альфа або бета частинок, тобто заряджених частинок, або нейтронів (які називаються нижче узагальнено як «радіація») представляє особливий інтерес в цілому ряді застосувань в ядерній (радіаційній) медицині, фундаментальній фізиці, промислових вимірювальних приладах, сканерах багажу, при каротажі нафтових свердловин і т.п. В цих областях застосування часто бажано відрізняти нейтрони від гамма променів, які також можуть досягати детектора, і при цьому сцинтиляційний детектор повинен бути здатний видавати різні сигнали люмінесценції в залежності від типу радіації (див. G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurements, Wiley, New York, 2000). Для створення хорошого нейтронного або гамма-детектора необхідно додержання декількох критеріїв. Шляхом, добре відомим фахівцям в даній області, виділяють енергетичний спектр люмінесценції сцинтилятора при надходженні радіації, після чого події представляють на гістограмі (з енергіями по осі х і з числом відліків по осі у). У протоколі збирання даних задають «канали» для збирання сигналів в межах конкретного інтервалу енергії. Для хорошої ідентифікації піків енергії поступаючої радіації необхідне хороше (низьке) розрізнення за енергією. Розрізнення за енергією звичайно визначається для даного детектора при даній енергії як повна ширина на половині максимума піка, що розглядається на енергетичному 5 спектрі, поділена на енергію в центрі ваги піка (див. G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurements, John Wiley and Sons, Inc., 2nd Edition, p. 114). Іншим дуже важливим параметром є константа часу згасання, яка описана, зокрема, в роботі W.W. Moses (Nucl. Instr. and Meth. А336 (1993) 253). Швидкі часи згасання роблять можливими швидкий аналіз. Взагалі кажучи, часовий спектр зібраного сигналу від сцинтилятора під дією радіації (нейтронів або гамма) може бути апроксимований сумою експонент, кожна з яких характеризується константою часу згасання. Якість сцинтилятора визначається по суті внеском самої швидкої компоненти емісії. Це число приводиться авторами даного винаходу далі в тексті. Детектування нейтронів часто проводять за допомогою трубок Не3. Цей тип пристроїв має високу ефективність детектування, хороше розрізнення гамма/нейтронів, може бути виготовлений в широкому інтервалі розмірів детектора і має довгу історію в даній області. Його слабкими місцями є відносно довгий час накопичення заряду і низькі рівні сигналу. У багатьох випадках переважними є твердофазні сцинтилятори. Ряд сцинтиляторів, що використовуються для детектування нейтронів, основуються на присутності 6Li в молекулі. 6Li здатний захоплювати теплові нейтрони і перетворювати їх в іонізуючі частинки згідно з реакцією: 6 1 3 3 Li+ 0 n® 1H + a (1) a-частинки і тритони (частинки ядер тритію) спільно мають кінетичну енергію 4,78MeB. Подальше накопичення цієї енергії в матеріалі може привести до люмінесценції, що виявляється. Однак тільки лише присутність 6Li не гарантує хороших властивостей. Зручно також визначити показник розрізнення гамма/нейтронів, так званий фактор g-еквівалента Fg, що визначається як: C 0,662 Fg = n × (2 ) C g 4,78 де Cn являє собою канал нейтронного піка (в протоколі збирання даних), а Сg являє собою канал g-піка, в той час як 0,662MeB - це енергія gпроменів, а 4,76MeB - це кінетична енергія aчастинок і тритонів разом (внаслідок захоплення нейтрона). Для радіографії цілком стандартними є екрани LiF+ZnS(Ag). Висока світловидатність (160000 фотонів/нейтрон) є дуже привабливою і забезпечує хорошу чутливість. Їх час згасання знаходиться в мікросекундному інтервалі. Літієве скло (Li-e скло), особливо його сорт, збагачений по 6Li, є іншим відомим детектором нейтронів. Його світловидатність, на жаль, дуже низька, на рівні 6000 фотонів/нейтрон, а його розрізнення за енергією є високим. Воно має перевагу швидкого згасання з константою часу згасання на рівні приблизно 75нс. 6 LiI (йодид літію), легований європієм (Eu), також є відомим детектором нейтронів. Світловидатність в приблизно 51000 фотонів/нейтрон є дуже 88781 6 хорошою. Розрізнення за енергією, проте, є надзвичайно високим, а константа згасання така ж висока, як і у LiF+ZnS(Ag). Пізніше Bessiere з співавторами були відкриті нові сполуки (Scint 2003, для публікації в Працях), а саме, Cs2LiYCl6 і Cs2LiYCl6:Ce3+. Обидві демонструють високу світловидатність (34000 і 70000 відповідно). Їх фактор g-еквівалента також є дуже хорошим, становлячи 0,61 і 0,66 відповідно. Всі результати по легованому церієм (Ce) варіанту наведені для концентрації 0,1 мол.%. Однак обидві ці сполуки мають повільний час згасання (приблизно 6-7 мікросекунд). У доповнення, були згадані сполуки Cs2LiYBr6 і Cs2LiYBr6:Ce в роботі "Scintillation and Spectroscopy of the Pure and C3+-dopped Elpasolithes", Van Loef et al., Journal of Physics Condensed Matter, 14, 2002, 8481-8496. Були досліджені оптичні і сцинтиляційні (під дією гаммапроменів) властивості цих сполук. Однак, там немає ніяких згадок про їх сцинтиляційні характеристики під дією нейтронів. Згадано лише той факт, що присутність Li може зробити такі сполуки на основі брому привабливими. Це не гарантує хороші показники під дією нейтронів. Даний винахід відноситься до нового матеріалу, який демонструє значно більш високу світловидатність і швидкий (тобто низький) час згасання (післясвітіння) по відношенню до нейтронів (який може бути позначений як т). Цей матеріал також зберігає хороші властивості детектування гаммапроменів і забезпечує хороше розрізнення гаммапроменів і нейтронів.) Матеріал за винаходом має загальну формулу Cs(2-z)RbzLiLn(1-x)X6:xCe3+, де X являє собою або Br або I, Ln являє собою Y або Gd, або Lu, або Sc, або La, де z більше або дорівнює 0 і менше або дорівнює 2, а х складає більше за 0,0005. Величина х являє собою мольну частку від суми Ln і Ce. Величина х складає більше за 0,0005, але можна також сказати, що х складає більше за 0,05 мол.%. Обидва ці вирази є еквівалентними. Звичайно х складає менше за 0,3 (= менше за 30 мол.%), а частіше - менше за 0,15. Особливо переважними складами є: - Cs2LiY(1-x)X6:xCe3+ - CsRbLiY(1-x)X6:xCe3+ Сцинтиляційний матеріал за винаходом може бути виготовлений у вигляді монокристала. У цьому випадку його об'єм звичайно складає щонайменше 10мм. Матеріал може також бути використаний у вигляді порошку (полікристалічного), можливо - або спресованим (ущільненим), або спеченим, або змішаним зі зв'язуючим. Дані сполуки вирощували у вигляді монокристалів вертикальним методом Бріджмена. Оскільки ці сполуки є гігроскопічними, експерименти проводили із зразками, запаяними в кварцові ампули. Можуть бути використані інші методи, відомі фахівцеві в області росту кристалів, такі як методи Чохральського або Кіропулоса, за умови, що матеріал достатньо захищений від реакції з водою і киснем. Монокристалічні зразки в прикладах мали об'єм приблизно 10мм3. Вони містять 6Li згідно з поширеністю в природі, але вони можуть бути з 7 88781 вигодою збагачені ним (в збиток вартості). Властивості Cs2LiYX6:Ce3+ наведені в таблиці 8 1 нижче разом з властивостями сцинтиляторів, вже відомих в області детектування нейтронів. Таблиця 1 Порівняльні властивості Cs2LiYBr6:Ce3+ і інших нейтронних сцинтиляторів Сполука 1 2 3 4 5 6 7 8 Cs2LiYCl6 Cs2LiYCl6:0,1%Се Cs2LiYBr6:1%Се Cs2LiYBr6:0,3%Ce Rb2LiYBr6:0,5%Ce LiF-ZnS: Ag LiІ:Eu Li-e скло Світловий вихід (фотонів/ нейтрон) 34000 70000 85800/88200 73000 65000 160000 51000 6000 Розрізнення за Амплітудне розрі- Час згасання (мкс) енергією нейтро- знення імпульсів під дією гамнів (%) ма/нейтронів Fg 14,5 0,61 7,0 5,5 0,66 6,5 4,5/9,0* 0,76/0,75 0,089 0,070/0,0083 0,45 1 40 0,86 13-22 0,31 0,075 (*: двопікова структура в спектрі зразка) (0,1 %Се означає х=0,001 в загальній формулі, якою фактично є Cs2LiY0,999Ce0,001X6.) чудові світлові виходи під дією нейтронів, швидкі часи згасання і хороше розрізнення гамма/нейтронів, що видно з фактора Fg. Довжина хвилі випромінювання має структуру з двома піками при приблизно 390 і 420нм, що зручним чином співпадає з максимальною чутливістю білужних фотоелектронних помножувачів (ФЕП). Продукти згідно з винаходом володіють тією перевагою в порівнянні з Cs2LiYCl6:0,1%Се (як в зразку 2), що вони є надзвичайно швидкими сцинтиляторами і мають навіть ще більш високі значення світловидатності і фактора Fg. Ці ознаки не були описані в згаданій вище роботі Van Loef з співавторами. Таблиця 1 показує також, що Rb2LiYBr6:Ce згідно з винаходом (з повним заміщенням Cs на Rb) є таким же цікавим. Нарешті, хоч це і не описано тут, заміщення Y на інші рідкоземельні елементи або подібні рідкоземельним елементам елементи з того ж стовпця Періодичної таблиці типу Sc, La, Lu також є частиною винаходу. Наступна таблиця 2 підсумовує більш детально властивості сполук за винаходом у випадках детектування гамма (що випромінюється джерелом Cs), тільки нейтронів або комбінації гамма+нейтрони. Наведені перші дві константи згасання (найшвидкіша, а потім друга найшвидкіша) в експоненціальних рядах розкладання. Таблиця 2 Основні характеристики Cs2LiYBr6:Ce3+ під дією гамма, нейтронного і гамма+нейтронного випромінювань (Rn = розрізнення за енергією нейтронів) Сполука Cs2LiYCl6 Cs2LiYCl6:0,1%Се Cs2LiYBr6: 1%Се g- промені 137Cs LY (ф/МеВ) R (%) 11700 12,0 21600 8,0 23600 7,0 24700 8,5 Показано, зокрема, що матеріали за винаходом утворюють цікаві гамма-детектори, менш яскраві, ніж відомі в області гамма-детектування Комп’ютерна верстка А. Крулевський Теплові нейтрони LY (ф/н) Rn (%) Fg 34000 0,61 14,5 70000 0,66 5,5 85800 0,76 4,5 88200 0,75 9,0 g+ нейтрони 137Cs t (мкс) 0,004/7,0 0,004/немає експ. 0,089/2,5 те ж NaI:Ti, з еквівалентним розрізненням за енергією, але з набагато більш швидким згасанням. Підписне Тираж 28 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