Спосіб одержання сцинтиляційного складу для реєстрації теплових нейтронів

1. Спосіб одержання сцинтиляційного складу 3 10 тість ізотопу B. Відомий спосіб виготовлення сцинтиляційного складу для реєстрації теплових нейтронів [а.с. СССР №252488, 21g18/02], що включає змішення сірчистого цинку люмінофорної чистоти, азотного срібла і борної кислоти. У якості плавня у вказану суміш вводять куховарську сіль. При цьому кількість борної кислоти складає 50-60% від ваги отриманої шихти. Шихту висушують до отримання розсипчастої маси, прожарюють при 1100°С. Отриманий склад подрібнюють в порошок з розміром гранул 20-40мкм, який вводять в неводний розчин високополімерного з'єднання. Отримують суспензію, яку виливають на гладку поверхню. Після випаровування розчинника утворюється плівка, яку відокремлюють від підкладки і використовують як детектор теплових нейтронів (екран). Недоліком способу є погана прозорість складу, оскільки цим складом є дрібнодисперсний порошок з високим світлорозсіювальним ефектом (розмір гранул 20-40мкм). [B.C. Никишов, A.M. Гурвич и др. Исследование влияния отдельных факторов на эффективность люминисцентных экранов для нейтронной радиографии. /В сб. "Радиационная техника". М. Атомиздат., вып. 6 (1971), с. 58-62]. Введення до складу полімерної речовини також зменшує ефективність реєстрації теплових нейтронів в 2-3 рази. В результаті, згідно нашим вимірюванням і даним роботи [Т.В. Тимофеева, С.П. Хормушко. Экраны для регистрации медленных нейтронов./ Изв. АН СССР, сер. Физ., Т. XXII, №1 (1958), с. 18], ефективність реєстрації теплових нейтронів складу знижується до 5%. Недоліком цього способу також є необхідність додаткового глибокого очищення борної кислоти, оскільки навіть невеликі домішки заліза, нікелю, міді і кобальту, зазвичай присутні в борній кислоті, надають значну гасячу дію на цинк-сульфидні люмінофори. Здійснюють очищення адсорбційнокомплексоутворюючим хроматографічним методом, що підвищує вартість складу [B.C. Никишов, A.M. Гурвич и др. Исследование влияния отдельных факторов на эффективность люминисцентных экранов для нейтронной радиографии. /В сб. "Радиационная техника". М. Атомиздат., вып. 6 (1971), с. 58-62]. Відомий спосіб отримання сцинтиляційного складу для реєстрації повільних нейтронів, що включає механічне змішення готового люмінофора ZnS(Ag), борної кислоти H3BO3 або оксиду бору B2O3 при вмісті бору в суміші межах від 2 до 7,5%. Розміри зерен компонент складу варіювалися від 7 до 300мкм [Т.В. Тимофеева, С.П. Хормушко. Экраны для регистрации медленных нейтронов./ Изв. АН СССР, сер. Физ., Т. XXII, №1 (1958), с. 1420]. Недоліком способу є великі розміри зерен вміщуючої бор речовини, які значно перевищують довжину пробігу альфа-часток. З цієї причини, а також із-за нерівномірного розподілення зерен в механічній суміші, більшість альфа-часток не досягає зерен сцинтилятору ZnS(Ag) і не реєструється. Максимальна ефективність реєстрації теплових нейтронів складу, отриманого цим способом, невелика, і складає n = 5%. 89152 4 Відомий спосіб отримання сцинтиляційного складу для реєстрації теплових нейтронів, що включає механічне змішення готового люмінофора ZnS(Ag) і борної кислоти в співвідношенні 2:1 і подальше спікання отриманої суміші при температурі 600-630°С. Отримують розплав B2O3, в якому знаходяться тверді зерна люмінофору ZnS(Ag), що не розплавилися. Після охолоджування розплаву отримують конгломерат, який дроблять і розділяють по фракціях. В результаті отримують гранули складу розмірами 0,15-0,3мм [Т.В. Тимофеева, С.П. Хормушко. Экраны для регистрации медленных нейтронов./ Изв. АН СССР, сер. Физ., Т. XXII, №1 (1958), с. 14-20]. Ефективність реєстрації даного складу становить n = 20%. Це можна пояснити неоднорідністю товщини шару оксиду бору в конгломераті, тобто неоптимальністю його структури. У місцях, де товщина шару перевищує пробіг альфа-часток, ефективність реєстрації різко падає. Неоднорідність товщини виникає із-за нерівномірності розподілу зерен люмінофору в механічній суміші. Крім того, при температурі 600-630 C полегшується дифузія домішок металів, що знаходяться в борній кислоті, до зерен ZnS(Ag), що знижує інтенсивність свічення люмінофору і, отже, погіршує ефективність реєстрації. Відомий спосіб отримання сцинтиляційного складу для реєстрації повільних нейтронів, що включає додавання в шихту для приготування люмінофоре ZnS(Ag) заздалегідь очищеної борної кислоти в співвідношенні 2:1, її механічне змішення, попередню сушку отриманої шихти при 100 C і її плавлення при температурі 1100 C, що відповідає звичайному режиму отримання люмінофору ZnS(Ag). В результаті охолоджування розплаву отримують спік, який дроблять і розділяють отримані гранули по фракціях. Використовують гранули розміром 150-300мкм [Т.В. Тимофеева, С.П. Хормушко. Экраны для регистрации медленных нейтронов./ Изв. АН СССР, сер. Физ., Т. XXII, №1 (1958), с.18]. Структура отриманого складу є конгломерат мікрокристалів ZnS(Ag), оточених оксидом бору B2O3. Мікрокристали ZnS(Ag) утворюються спонтанно в процесі охолоджування розплаву і мають розміри порядка 0,5-1,0мкм, що виходить з фізикохімічних властивостей даного розплаву. Проте, при розмірі зерен ZnS(Ag) менше 15мкм знижується яскравість радіолюмінісценції. Це знижує сцинтиляційну ефективність, оскільки максимальний світловихід спостерігається при розмірі зерен 2040мкм [B.C. Никишов, A.M. Гурвич и др. Исследование влияния отдельных факторов на эффективность люминисцентных экранов для нейтронной радиографии. /В сб. "Радиационная техника". М. Атомиздат., вып. 6 (1971), с. 58-62]. Крім того, до чистоти початкових компонентів шихти пред'являються високі вимоги, оскільки присутність домішок в початковій шихті знижує сцинтиляційну ефективність і ефективність реєстрації. Тому борна кислота піддається додатковому глибокому очищенню адсорбційним комплексоутворюючим хроматографічним методом, що підвищує вартість складу (див. там же). 5 Найбільша ефективність реєстрації теплових нейтронів цього складу n = 25%, що вище, ніж в попередньому аналогу, мабуть, за рахунок більш рівномірного розподілу мікрокристалів ZnS(Ag), що утворилися при охолодженні розплаву. При виготовленні детекторів з використанням гранульованих складів, отриманих приведеними способами, досліджуваний склад розміщують (засипають) між поверхнею прозорої пластини або світлопроводу довільної форми і кожухом детектора, або закріплюють на поверхні світлопроводу за допомогою прозорого клейового складу. У такий спосіб можна виготовляти детектори будь-якої геометрії. Товщина шару кожного досліджуваного складу варіювалася в межах, відповідних максимальній ефективності реєстрації теплових нейтронів. Приведені аналоги не задовольняють сьогоднішнім вимогам техніки детектування нейтронів. Завданням справжнього винаходу є збільшення ефективності реєстрації детекторів теплових нейтронів на основі суміші борної кислоти з сірчистим цинком при одночасному зниженні вартості сцинтиляційного складу. Як прототип нами вибраний передостанній з аналогів. Рішення задачі забезпечується тим, що в способі отримання сцинтиляційного складу, що включає використання готового люмінофору ZnS(Ag) і борної кислоти в співвідношенні 2:1 та подальше спікання отриманої суміші, дроблення і розділення по фракціях, згідно винаходу, на зерна люмінофора осаджують шар борної кислоти з її нагрітого насиченого водного розчину, отриманий продукт відокремлюють від охолодженого розчину і після сушки спікають при температурі 430-470°С. Використовують фракції з розмірами гранул 0,5-1,2мм. Осадження шару борної кислоти на поверхні зерен люмінофора з насиченого водного розчину дозволяє отримати рівномірний шар окислу бору товщиною 1,0-1,2мкм, що значно менше пробігу альфа-часток, що утворюються в окислі бору. Це збільшує вірогідність попадання альфа-часток в зерно люмінофора. Досягши зерна ZnS(Ag) альфа-частки мають ще достатньо енергії для утворення інтенсивного сцинтиляційного спалаху, завдяки чому ефективність реєстрації теплових нейтронів збільшується до 39%. Вказане співвідношення компонентів суміші є достатнім для отримання шару борного ангідриду товщиною 1,0-1,2мкм, що також підтверджене і розрахунковим шляхом. Осадження борної кислоти з водного розчину на зерна готового люмінофора забезпечило можливість отримання оптимальної мікроструктури сцинтиляційного складу і зниження температури спікання отримуваного продукту до 430-470°С, яка є достатньою для отримання спека, що позначилося на зниженні енерговитрат. Зниження температури зменшило можливість проникнення (дифузії) домішок, що гасять всередину мікрокристалів люмінофору (зерен ZnS(Ag)), завдяки чому стало можливим застосування технічної борної кислоти без додаткового очищення, що забезпечило зниження витрат на отримання складу. Все це дозво 89152 6 лило збільшити інтенсивність свічення люмінофора, а, отже, і ефективність реєстрації, при одночасному зниженні собівартості сцинтиляційного складу. При температурі спікання нижче 430 C борна кислота не повністю переходить в оксид бору, залишаються пори та згустки борної кислоти, що порушує однорідність шару, що утворюється, між зернами ZnS(Ag) і знижує ефективність реєстрації теплових нейтронів. При температурі прожарення вище 470 C, як показали експерименти, вже спостерігається дифузія домішок в зерна ZnS(Ag), що також знижує ефективність реєстрації теплових нейтронів. Спосіб отримання сцинтиляційного складу, що заявляється, полягає в наступному. У стакані об'ємом 0,8л з 300мл киплячої води, що дистилює, розчиняють 70г Н3ВО3 кваліфікації ч.д.а (99,5%). У розчин, при безперервному перемішуванні, невеликими порціями додають 100г заздалегідь нагрітий до 90±10°С готовий люмінофор ZnS(Ag) з розмірами зерен 8-15мкм. Інтенсивність перемішування повинна бути такою, щоб всі частинки ZnS(Ag) знаходилися в зваженому стані. Не припиняючи перемішування, через 5 хвилин після встановлення спокійного кипіння починають охолоджування розчину з швидкістю не більш 2 C за хвилину. З пониженням температури розчин стає пересиченим, що приводить до осадження Н3ВО3 на зернах ZnS(Ag), які є центрами кристалізації. Після охолоджування розчину до кімнатної температури перемішування припиняють, розчин фільтрують. Отриманий осад поміщають в сушильну шафу і витримують при T=100 C до сухого стану. Потім суху масу спікають при T=450 C до припинення втрати ваги (тобто до повного перетворення Н3ВО3 у В2О3) і поволі охолоджують в печі до кімнатної температури. Отриманий спік дроблять і виділяють фракцію з розмірами зерен 0,51,2мм, яка забезпечує більший світловий вихід і ефективність реєстрації n. В результаті отримують склад, чутливий до теплових нейтронів і придатний для виготовлення детекторів теплових нейтронів довільної форми (конструкції). Ефективність реєстрації теплових нейтронів отриманого складу дорівнює 32-39%. Для вимірювання ефективності реєстрації n отриманого сцинтиляційного складу та його аналогів виготовляли детектор теплових нейтронів, який є шаром гранул складу, затиснутим між скляним вікном і алюмінієвою підкладкою розмірами 40x40мм. При цьому товщина шару відповідала максимальній ефективності реєстрації теплових нейтронів n і варіювалася в межах від 0,5 до 1,5мм. Вимірювання ефективності реєстрації n сцинтиляційних складів проводилося на установці з багатоканальним амплітудним аналізатором, фотоелектронним помножувачем Hamamatsu R1307 і джерелом швидких нейтронів Cf-252. Для отримання теплових нейтронів джерело Cf-252 розміщувалося в центрі сферичного сповільнювача нейтронів з парафіну діаметром 160мм. Спосіб, що заявляється, забезпечує збільшен 7 89152 ня ефективності реєстрації теплових нейтронів в 39/25=1,56 разів в порівнянні з прототипом (з аналогами більше) і зниження вартості продукту на Комп’ютерна верстка А. Крулевський 8 величину витрат, необхідну на глибоке очищення борної кислоти, а також на різницю температури спікання. 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