Сцинтиляційний матеріал на основі монокристала lіf

Предлагаемое изобретение относится к сцинтилляционным материалам на основе неорганических веществ, используемых в детекторах тепловых нейтронов, нейтрино, a- и b-излучения. Известен эффективный, прозрачный к собственному излучению сцинтилляционный материал на основе монокристалла NaJ(TI), используемый в детекторах рентгеновского и g-излучения [1]. Для регистрации тепловых нейтронов он не может быть использован в связи с малой величиной сечений захвата тепловых нейтронов ядрами 23Na и 127J (s(23Na) = 0,56 барн; o(127J) = 5,6 барн [1]). Согласно оценкам, проведенным в [2], такой материал будет малоэффективным при регистрации солнечных нейтрино. Высокая гигроскопичность материала, требующая тщательной герметизации изготавливаемых на его основе детекторов, не позволяет использовать последние и для регистрации a- и b(чаетиц) излучения. Известен сцинтилляционный материал на основе монокристалла LiJ, активированного европием с содержанием EuJ2 5-10-2 мол.%, широко используемый в детекторах тепловых нейтронов [3] благодаря высокому сечению захвата последних ядрами 6Li (s (6Li) = 950 барн [1]. Недостатком этого материала являете; высокая (из-за большого значения эффективного атомного номера 2Эфф = 52) чувстви тельность к g-фону, всегда сопровождающему нейтронное излучение. Кроме тоге активация йода нейтронным излучением пс закону реакции (n, g), протекающей на ядра 127J сопровождается изменением амплитудного спектра за счет дополнительных сцинтилляций от 128J. Существенным недостатком этого материала является еще больше по сравнению с NaJ гигроскопичность меньшая химическая стойкость в присутствии влаги и кислорода [4], Необходимость тщательной герметизации материала не позволяет использовать его в детекторах a-или b-излучения. Необходимо отметить также относительную прозрачность этого материала к собственному излучению из-за перекрытия полос поглощения и люминесценции активаторных ионов Еu2+, что делает детектор большой массы практически непрозрачным. Этот недостаток, а также приобретение материалом коричневой окраски при малейшем нарушении герметичности контейнера [4] (что имеет место практически всегда при длительной экплуатации детектора) исключает возможность использования кристаллов LiJ(Eu) в качестве сцинтилляционного материала в детекторах нейтрино, хотя эффективность взаимодействия последних с кристаллами LiJ почти вдвое, выше, чем с кристаллами NaJ [2]. Известно сообщение о сцинтилляционном материале на основе монокристалла LIF, активированного европием [5]. Этот материал, как и любой другой на основе кристаллов LIF, характеризуется высокой гигроскопичностью, отсутствием активаиии фтора нейтронным излучением, низкой чувствительностью к g фону, (благодаря малой величине эффективного атомного номера 2Эфф = 8,1). Перечисленные достоинства материала LiF(Eu) позволяют использовать его не только для регистрации тепловых нейтронов, но также и для регистрации a - и b -излучения. Однако данных ни о составе, ни о практическом применении сцинтиллятора LIF(Eu) не имеется. Недостатком сцинтилляционного Материала на основе кристалла LiF(Eu) является, как и в случае LiJ(Eu), недостаточная прозрачность к собственному излучению, что исключает возможность использования материала в детекторах нейтрино, хотя эффективность взаимодействия последних с кристаллом LIF в 3,2 раза выше, чем с кристаллом LiJ [2]. Известен сцинтилляционный материал на основе монокристалла LIF, активированного азотнокислым уранилом, предлагаемый для регистрации /^-излучения с содержанием UO2(NO3)2 - 1.10-3-5.10-3 мол.% [6]. Как и LiF(Eu) данный материал не активируется нейтронным излучением, малочувствителен к g -фону. Негигроскопичен, вследствие чего может быть использован для регистрации /^-излучения в условиях контакта с атмосферой воздуха. Недостатком этого материала являет низкий световой выход a -сцинтилляций, вследствие чего он не может быть использован для регистрации a -частиц и нейтронов. Другим недостатком является плохая прозрачность к свету сцинтилляций, из-за перекрытия полос активаторного поглощения и излучения [6]. Вследствие этого, несмотря на высокий выход b -сцинтилляций (40% относительно CsJ(TI)), материал не может быть использован в детекторах большой массы, применяемых для регистрации солнечных нейтрино. Нестабильность изотопов урана обуславливает достаточно ощутимый радиационный фон кристаллав UFUO2(NO3)2, из-за они не могут быть использованы не только в детекторах нейтрино [2], но и в детекторах, регистрирующих b -излучение малой активности. Наличие в сцинтилляционном импульсе компонента дгительностью 300 мке ограничивает также возможность применения материала для регистрации b -излучений высокой интенсивности. В качестве прототипа нами выбран сцинтилляционный материал LIF-UO2(NO3)2 [6]. Задачей изобретения является расширение диапазона регистрируемых излучений, повышение прозрачности к собственному свечению, снижение радиационного фона и уменьшение времени высвечивания сцинтилляционного материала на основе кристалла LiF, Поставленная задача достигается тем, что сцинтилляционный материал на основе активированного кристалла LiF, согласно изобретению, в качестве активирующей добавки содержит оксиды поливалентных металлов при следующем соотношении компонентов, мол.%: Возникновение сцинтилляций в заявляемом материале обусловлено наличием ак-тиваторных металлкислородных центров, ответственных за свечение в сине-фиолетовой области спектра (430-370 нм). Природа этих центров детально не изучена. Можно предположить, что в кристаллах LIF, легированных оксидами поливалентных металлов осуществляется прямой тип активации по Зейтцу, поскольку спектральный состав сцинтилляций совпадает со спектральным составом фотолюминесценции, возбуждаемой в активаторной полосе поглощения. При этом перенос энергии к активаторным центрам свечения равновероятен при облучении a -частицами и b -излучением. Спектральный состав сцинтилляций близок (примесь Nb2O5 максимальная интенсивность при длине волны l max = 370 нм) или совпадает (примесь ТіО2 - lmax = 400 нм-' примесь WO3 - An,.,,, = 430 нм) с областью максимальной чувствительности широко применяемых в сцинтилляционной технике фотоумножителей. Экспериментально установлено, что при регистрации b -излучения (ВІ-207, Еb =0,975 мэВ) и a -частиц ( Ат-241, Еa = 5,5 мэВ) световые выходы b -сцинтилляций Сb и a -сцинтилляций Сa достигают максимального значения при концентрациях в кристалле LiF добавки оксида в количестве: для ТiO2 - 7,5 • 10-3-1,5 • 10-2 мол.%; для Nb2O5 -2,5 • 10-3-1,1 • 10-2 мол.%; для WO3 -1,1 • 10 -2-4,5 • 10-2 мол.% (для величины Сb) И 3,6-4,5 • 10-2 мол.% (для величины Сa, как это хорошо видно на приведенных фиг. 1 и 2 и из таблицы. При этом величина Сb в области плато (фиг. 1 и табл.) для кристаллов LIF-TIO2 и LlF-Nb2O5 составляет 4% относительно Сb кристалла CsJ-TI, а для кристалла LIF-WO3 7%, что соответственно в 10 и б раз меньше величины прототипа с содержанием активатора UO2(NO3)2 5-10-3 мол.%. Величина Сa в области плато (фиг. 2 и табл.) составляет, соответственно 1 и 2,2% относительно Сa кристалла CsJ-TI, что превосходит Сa прототипа в 5 раз для добавок ТЮ2 и Nb2O5 и в 11 раз для добавки WO3. При концентрациях ТiO2 до 7,5 • 10-3 мол.% HNb2O5 2,5 • 10-3 мол.% величины Сb и Сa, а также при концентрациях WО3 до 1,1 • 10-2 мол.% величины Сд и при концентрациях WО3 до 3,6 • ,10-3 мол.% величины С(х снижаются вследствие недостаточности концентрации центров свечения, создаваемых соответствующими оксидами. При концентрациях Nb2O5 более 1,1 • 10-2 мол.% и WO3 более 4,5 • 10-3. мол.% снижение световыхода b - и a -сцинтилляций обусловлено концентрационным тушением активаторных центров. Для концентраций ТІО2 более 1,5 • 10-2 мол.% система LiF-TiO2 перестает быть монокристаллом іл представляет собою поликристаллическую структуру, плохо прозрачную к свету сцинтилляций, что и обуславливает снижение величины Cb и Сa. Экспериментально установлено, что хотя величины Сb для заявляемого материала меньше таковых для прототипа, тем не менее таких величин Сb достаточно для обеспечения хорошей разрешающей способности крупногабаритных детекторов на основе заявляемого материала благодаря высокой прозрачности последнего и однородности (равномерности) распределения величин Сb по его объему. Так, например, энергетическое разрешение детектора размером 150x150x300 мм при b -возбуждении (Е = 10 мэВ) составляет (не превышает) ~ 15% для всех кристаллов LJF, активированных оксидами поливалентных металлов, что свидетельствует о перспективности использования заявляемого материала в качестве сцинтиллятора для регистрации нейтрино. Экспериментально установлено, что введение в качестве активатора в кристаллы LiF оксидов поливалентных металлов способствует такому превышению величины Ca заявляемого материала над величиной Сa прототипа, которое обеспечивает достаточную чувствительность заявляемого материала к нейтронному излучению - для всех , активированных кристаллов амплитудные спектры сцинтилляций от плутоний-бериллиевого источника нейтронов имеют ярке выраженный максимум, отвечающий полному поглощению суммарной энергии (4,78 мзВ) продуктов взаимодействия ядер 6Li с тепловыми нейтронами. При этом энергетическое разрешение детектора, диаметр которого 60 мм, а толщина 5 мм, с кристаллами UF-TIO2 и LiF-Nb2O5 составляет 17%, с кристаллом LIF-WO3-14%. Экспериментально установлено, что введение в кристаллы LiF в качестве активатора оксидов поливалентных металлов обеспечивает почти теоретическую прозрачность заявляемого материала к собственному излучению. При этом величина коэффициента поглощения в области длин волн соответствующих максимуму полосы излучения не зависит от концентрации заявляемых оксидов поливалентных металлов и не превышает 0,005 см-1 для всех кристаллов, что более чем в 10 раз меньше соответствующего коэффициента поглощения прототипа, как это хорошо видно из данных таблицы. При этом прозрачность заявляемого материала к собственному излучению не изменяется при длительном (в течение 3 лет) его хранения в условиях контакта с атмосферной влагой и компонентами воздуха. Экспериментально установлено, что введение в качестве активатора в кристаллы LiF оксидов поливалентных металлов способствует существенному, по сравнению с прототипом, уменьшению времени высвечивания сцингилляционного импульса, состоящего из двух компонентов. При этом, время высвечивания первого компонента t1< 1,0 мкс, что в 5 раз меньше времени высвечивания первого компонента сцинтилляционно-го импульса прототипа (t1~5 мкс) и практически не зависит от химического состава заявляемых оксидов поливалентных металлов. Время высвечивания второго, длительного, компонента t2 существенно зависит от состава активатора и по сравнению с прототипом, для которого %г - 300 мкс, в 2,7 раза меньше в кристаллах UF-ТiO2 (t2 -110 мкс) и в 7,5 раз меньше в кристаллах LIF-Nb2O5 (t2 - 40 мкс) и LiFWO3 (t2 - 40 мкс), как это хорошо видно из таблицы. Такое уменьшение времени высвечивания сцинтилляций обеспечивает существенно большую, по сравнению с прототипом, загрузочную способность сцинтипляционного тракта, что позволяет регистрировать b-излучение большей интенсивности, чем в случае использования прототипа. Установлено, что использование в качестве добавок в кристаллах LIF оксидов титана, ниобия и вольфрама исключает появление в заявляемом материале собственного радиационного фон, как это имеет место в прототипе, благодаря тому, что изотопный состав вводимых добавок состоит из стабильных изотопов. Отсутствие собственного радиационного фона в заявляемом материале позволяет регистрировать, в противоположность прототипу, потоки ионизирующего излучения малой интенсивности. Таким образом, использование в качестве активатора в кристаллах LiF оксидов поливалентных металлов обеспечивает достижение поставленной задачи. Дополнительным преимуществом заявляемого сцинтилляционного материала является отсутствие температурного тушения выхода сцинтилляций в интервале температур 20...155°С. Более того, при температуре 155°С выход сцинтилляций в 1,3 раза больше, чем при комнатной температуре. На фиг. 1 приведены зависимости светового выхода b-сцинтилляций С/3(Ві-207, ЕуЗ = 0,975 мэВ) кристаллов заявляемого материала размером 10x10x2,5 мм от концентрации ТіО2 (A), Nb2O5 (В) и WО3 (С). На фиг. 2 приведены зависимости светового выхода a-сцинтилляций Са (Аm-241, Еa = 5,5 мэВ) кристаллов заявляемого материала размером 10x10x2,5 мм от концентрации ТiO2 (A), Nb2O5 (В) и WО3 (С). В таблице приведены сравнительные данные величины светового выхода а- и /3-сцинтилляций, коэффициентов поглощения в области собственного свечения и времен высвечивания компонентов сцинтилляционного импульса для заявляемого материала и прототипа. Пример 1. Для получения сцинтилляционного материала LiF-TIO2 брали 2,5 кг соли LIF марки "УФ" и 0,00092 кг (1,2 • 10-2 мол.%) оксида титана (ТІО2) марки осч, смешивали, помещали в тигель, находящийся в герметичном объеме широко используемой в практике ростовой установки. Шихту для удаления адсорбированных газов и влаги ва-куумировали с помощью форвакуумного насоса до остаточного давления 5 • 10-3 мм рт.ст.: при температуре 300°К в течение 3 эсов, в процессе нагрева (в течение 4 часов) до 473°К, при которой смесь выдерживали е течение 6 часов, в процессе разогрева шихты со скоростью 50°К/час до температуры плавления (1143°К) и выдержки расплава в течение 2 часов. Вакуумирование осуществлялось через ловушку с жидким азотом для улавливания паров масла, выделяемого насосом. Затем герметичный объем ростовой установки заполняли сухим инертным газом до остаточного давления 70 мм рт.ст. и выдерживали в течение 10 часов, после чего методом Киропулоса со скоростью 4 мм/час выращивали монокристалл диаметром 8 см и высотой 13 см. После окончания выращивания кристалл охлаждали в ростовой установке для комнатной температуры со скоростью 50°К/час. Химический анализ кристалла показал, что концентрация примеси ТІОг вдоль кристалла в силу Пфановского распределения изменялась от 1,1 • 10-2 мол.% до 1,15 10-2 мол.%. Аналогично, но с другими соотношениями соли LIF и оксида ТІО2, ПРИ которых концентрация активатора ТiO2 изменялась от 4,9 • 10-3 мол.% до 1,8 • КГ2 мол.% от веса LIF (2,5 кг), выращивали остальные кристаллы (см. табл.). Содержание ТiO2 в этих кристаллах изменялось от 4,3 • 10-3 мол.% до 1,6 • 10-2 мол.%. Пример 2. Для получения сцинтилляционного материала LIF-ND2O5 брали 2,5 кг соли LIF марки УФ и 0,0029 кг (1,14 • 10-2 мол.%) оксида ниобия (Nb2O5) марки осч, смешивали, а подготовку шихты, выращивание монокристалла и его отжиг осуществляли по примеру 1. Химический анализ кристалла показал, что концентрация примеси Nb2O5 вдоль кристалла в силу Пфановского распределения изменялось от 4,0 • 10-3 мол.% до 8,6 • 10-3 мол.%. Аналогично, но с другими соотношениями соли LIF и оксида ND2O5, при которых концентрация активатора Nb2Os изменялась от 5,9 • 10-3 мол.% до 3,3 • 10-2 мол.% от веса LIF (2,5 кг), выращивали остальные кристаллы (см. табл.). Содержание ND2O5 в этих кристаллах изменялось от 2,1 • 10-3 мол.% до 1,2 • 10-2 мол.%. Пример 3. Для получения сцинтилля-ционного материала LIF-WO3 брали 2,5 кг соли LIF марки УФ и 0,015 кг (6,7 • 10-2 Мол.%) оксида вольфрама (WОз). Соль LIF помещали в тигель, находящийся в герметичном объеме широко используемой в практике растовой установки. Оксид Оз помещали в герметичную камеру, сообщающуюся с объемом ростовой установки и снабженную транспортной трубкой, позволяющей в нужный момент вбрасывпть добавку в тигель, содержащий расплав LIF. До "момента вбрасывания в тигель оксид WO3 выдерживался при температуре 300°К и под давлением, соответствовавшему давлению в ростовой установке. Соль LiF для удаления адсорбированных газов и влаги вакуумиро-вали с помощью форвакуумного насоса до остаточного давления 5 • 10-3 мм рт.ст.: при температуре 300°К в течение 3 часов, в процессе нагрева (4 часов) до 373°К, при которой соль выдерживали в течение 6 часов, в процессе разогрева соли со скоростью 50°К/час до температуры плавления (1143°К) и выдержки расплава в течение двух часов. Вакуумирование осуществлялось через ловушку с жидким азотом для улавливания паров масла, выделяемого насосом. Затем герметичный объем ростовой установки заполняли сухим инертным газом до остаточного давления 70 мм, вбрасывали в расплав активатор и выдерживали расплав в течение 24 часов. Выращивание монокристалла и его отжиг осуществляли по примеру 1. Химический анализ кристалла показал, что концентрация примеси WОз вдоль кристалла изменялась от 6,7 • 10-2 мол.% до 2.0 • 10-2 мол.%. Аналогично, но с другими соотношениями соли LiF и оксида WO3, при которых концентрация добавки WОз изменялась от 8.1 • 10 мол,% до 5,7 • 10-1 мол.% от веса LiF (2,5 кг), выращивали остальные кристаллы (см. табл.). Содержание WОз в этих кристаллах изменялось от 8,1 • 10-3 мол.% до 5,7 • 10-2 мол.%. Как следует из таблицы, только в пределах заявляемых параметров обеспечивается достижение цели.