Сцинтиляційна речовина, спосіб вирощування монокристалу сцинтиляційної речовини та її застосування

1. Неорганічна сцинтиляційна речовина загального складу М1-xСеxСl3, де М є елементом або сумішшю елементів групи: Y, La, лантаноїдів, 2 (19) 1 3 75591 4 0,01 і точно менше 1, який полягає в тому, що 16. Застосування сцинтиляційної речовини за монокристал одержують за методом вирощуванбудь-яким з пп.1-14 як компонента сцинтиляційня Брідгмана, зокрема у вакуумних запечатаних ного детектора, переважно для використання у кварцових ампулах, з суміші порошків МСl3 і промисловості, медицині або для виявлення наСеСl3, де М є таким, як вказано вище, і при такофти. му співвідношенні М до Се, що дозволяє одержа17. Застосування сцинтиляційної речовини за ти вищевказаний монокристал, який більший за будь-яким з пп.1-14 як елемента томографічних 10мм3, зокрема більший за 1см3 і навіть більший сканерів позитронного випромінювання або гамза 10см3. ма-камер типу Ангер. Даний винахід стосується сцинтиляторних кристалів, способу який дозволяє налагодити їх виробництво, а також використання зазначених кристалів, зокрема в детекторах рентгенівського і гамма випромінювання . Сцинтиляторні кристали широко використовується в детекторах гамма і рентгенівського випромінювання, космічних променів і часток, чия енергія становить приблизно 1 keV і вище. Сцинтиляторні кристали є кристалами, що є прозорими в сцинтиляційному спектрі довжини хвиль, які реагують на випромінювання, що падає, шляхом випромінювання світлового ім.пульсу. На базі подібних кристалів, загалом монокристалів, можуть створюватись детектори, де світло, що випромінюється кристалом, що є частиною детектору, з'єднано із засобами детекції світла, і даний кристал виробляє електричний сигнал, що є пропорційним ряду отриманих імпульсів світла, і їх інтенсивності. Такі детектори використовуються зокрема в сфері вимірювань товщини або ваги, в ядерній медицині, фізиці, хімії і при пошуках нафти. Родина відомих сцинтиляторних кристалів, що широко використовується є йодидом натрію із домішками талію, типу Tl:NaI. Ця сцинтиляційна речовина, відкрита Робертом Хофстадтером (Robert Hofstadter) у 1948 році, що становить основу сучасних сцинтиляторів, досі є домінуючою речовиною в цій сфері, незважаючи на майже 50 років досліджень, які виконуються на інших речовинах. Однак, ці кристали мають певне загасання сцинтиляції, що не є дуже швидким. Також використовується така речовина, як Csl, що, в залежності від застосування, може використовуватися окремо, або з домішками талію (ТІ) або з натрію (Na). Одна родина сцинтиляторних кристалів, що отримала значний розвиток представлена германатом вісмуту (ВGO). Кристали сім'ї ВGO мають високі константи згасання, що обмежує використання цих кристалів до використання у вимірювальних приборах не дуже великої точності. Інша, нещодавно винайдена родина сцинтиляторних кристалів, була розроблена в 1990 роках і є родиною типу активованого церій лютецій оксиортосилікату Ce:LSO. Проте дані кристали є дуже гетерогенними і мають дуже високу точку плавлення (близько 2200°С). Темою багатьох досліджень є розробка нових речовин з більш досконалими характеристиками. Одним з параметрів, що бажано поліпшити, є енергетична резолюція. Це є важливим через те, що для більшості застосувань в ядерних детекторах, гарна енергетична резолюція є бажаною. Енергетичне розрізнення ядерного детектора випромінювання в дійсності визначає його здатність відокремлювати енергії випромінювання, які є дуже близькими. Воно зазвичай визначається для даного детектора при даній енергії, як, наприклад, ширина в серединній висоти піка, що досліджується, в спектрі енергії, отриманої від цього детектора, відносно енергії в центроїді піка [див. зокрема: G.F.Knoll, "Radiation Detection and Measurement", John Wiley and Sons, Inc., друге видання стор.114]. Надалі в тексті, а також для всіх вимірювань, що проводяться, розрізнення визначається в 662 keV, головної гамми емісії 137Cs. Чим менше значення енергетичного розрізнення, тим вище якість детектора. Вважається, що при енергетичному розрізненні близько 7% можна отримувати гарні результати. Проте, нижчі значення розрізнення дають значно вищі переваги. Наприклад, у випадку детектора, який використовується, для аналізу різних радіоактивних ізотопів, краще енергетичне розрізнення дає можливість отримати більш ефективне виділення цих ізотопів. Зростання енергетичного розрізнення зокрема є бажаним для медичних фотодетекторів, наприклад, гамма-камери або пристрою позитрон-випромінювальної томографії (ПВТ), оскільки це дає можливість значно поліпшити контраст і якість зображення, таким чином дозволяючиточніше і раніше виявляти пухлини. Іншим дуже важливим параметром є константа часу згасання сцинтиляції; цей параметр зазвичай вимірюється за методом "Початокзупинка" або "Декількох попадань", [описаний W.W. Moses (Nucl. Instr and Meth. A336 (1993)253]. Є бажаною найменша можлива константа часу згасання, з тим, щоб можна було збільшити діючу частоту детекторів. В сфері застосування для отримання ядерних знімків в медицині, це дозволяє, наприклад, значно скоротити тривалість випробувань. Константа часу згасання, що 5 75591 6 не є дуже високою, також дає можливість вдоско100моль%. налити часове розрізнення пристроїв виявлення Термін "лантанід" стосується перехідних подій за часовим збігом. Це стосується позитронелементів із числом атома 57-71, і ітрію (Υ), що є випромінювальних томографів (ПВТ), де зниженстандартним в технічній сфері даного винаходу. ня константи часу згасання сцинтилятору може Неорганічна сцинтиляційна речовина згідно з бути суттєво поліпшено через вибракування невинаходом, по суті складається з М1-хСехСl3 і мовідповідних подій з більшою точністю. же також включати певні домішки, що є звичайВзагалі, спектр згасання сцинтиляції, як фунними в технічній сфері винаходу. Взагалі, звикція часу, може бути зведена до суми показових чайними домішками є домішки, що походять із функцій, кожна з яких характеризується констансировини, вміст якої, зокрема є меншим за 0,1%, тою часу згасання. або навіть менше за 0,01%, і/або небажаними Якість сцинтилятору по суті визначається хафазами, процент об'єму яких є переважно менрактеристиками роботи найшвидшого елемента шим за 1%. емісії. Фактично, заявники виявили те, яким чином Стандартні сцинтиляційні речовини, не задовести, що сполуки М1-хСехСl3, що зазначено безпечують як хороших показників енергетичної вище, де церій має вміст більший, або такий, що резолюції, так і констант швидкого часу згасання. дорівнює 1моль%, мають необхідні характерисЦе є наслідком того, що речовини, як напритики. Сцинтиляційне випромінювання речовини клад, Tl:NaI мають хороше енергетичне розріззгідно з винаходом має інтенсивний швидкий нення при гамма збудженні - приблизно 7%, конскомпонент (щонайменше 4000 фотонів/MeV) і танта часу згасання - близько 230нс. Так само, низьку константу часу згасання, приблизно 25нc. Tl:CsI і Na:CsI мають значні показники константи В той же час, ці речовини мають добрі показники згасання, зокрема значно більше більший, ніж енергетичного розрізнення - 662keV, зокрема 500нс. менше 5%, і навіть, ніж 4%. Можна досягти не настільки високих показниЦі якості є навіть більш значними, оскільки ків константи часу згасання із Ce:LSO, зокрема вони є непередбаченими і підкреслюють значну близько 40нс, але енергетичне розрізнення при уривчастість характеристик, починаючи з 1моль% гамма збудженні в 662keV цієї речовини загалом церію. Ця альтернатива складу є навіть більш більше за 10%. дивною, оскільки сцинтилятори із додатками цеНещодавно були відкриті сцинтиляційні рерію мають добрі показники, як наприклад LSO, човини О. Guillot-Noel та інші. ["Optical and містять менше 1% церію, і переважно - приблизscintillation properties of cerium doped LaCl3 LuВr3 но 0,2% [див. наприклад M.Kapusta та інші, and LuCl3" в "Journal of Luminescence" 85 (1999) "Comparison of the scintillation properties of LSO:Ce 21-35]. Ця стаття описує сцинтиляційні якості суmanufactured by different laboratories and of мішей із домішками церію, як наприклад LaCl3, із LGSO:Ce", IEEE transaction on nuclear science, добавленням 0.57моль% Се; LuBr3, із добавленVol.47, No.4, серпень 2000]. ням 0,021моль%, 0,46моль% і 0,76моль% Се; Переважною речовиною згідно з винаходом є LuCl3, із добавленням 0,45моль% Се. Ці сцинтитака, що має формулу La1-хСехСl3. ляційні речовини, мають цілком корисні показники Відповідно до іншого втілення, сцинтиляційна енергетичного розрізнення, приблизно 7%, і консречовина згідно з винаходом, має енергетичну танти часу згасання швидкого елемента сцинтирезолюцію менше 5%. ляції, що є фактично низькими, зокрема між 25 і Відповідно до іншого втілення, сцинтиляційна 50нc. Проте, інтенсивність швидкого компонента речовина згідно з винаходом, має швидку консцих речовин є досить низькою, особливо приблитанту часу згасання - менше 40нc, або навіть мезно від 1000 до 2000 фотонів на MeV, що ознанше ніж 30нc. чає, що вони не можуть використовуватися, як Відповідно до переважного втілення, сцинтиелементи високоточних детекторів. ляційна речовина згідно з винаходом, має як Таким чином, цей аспект винаходу стосуєтьенергетичне розрізнення менше ніж 5%, так і ся речовини, що може мати одночасно гарне швидку константу часу згасання менше ніж 40нc, енергетичне розрізнення, принаймні, таке ж як і або навіть менше 30нc. TliNal, низьку константу часу згасання, зокрема, У переважному способі, вміст церію x змісту еквіваленту Ce:LSO, а також, інтенсивність швидперебуває між 1моль% і 90моль%, і навіть зокрекого елемента сцинтиляції підходить для високома, більше, або дорівнює 2моль%, або навіть точних детекторів, зокрема більше за 4000 фотобільше, або дорівнює 4моль% і/або переважно нів/MeV (фотонів за MeV), або навіть більше за менше, або дорівнює 50моль%, або навіть мен8000 фотонів/MeV (фотонів за MeV). ше, або дорівнює 30моль%. Відповідно до даного винаходу, дана задача Відповідно до одного втілення, сцинтиляційвирішується завдяки неорганічній сцинтиляційній на речовина згідно з винаходом, є монокристаречовині, що має наступний склад М1-хСехСl3, де лом, який дозволяє отримувати компоненти висоΜ вибирається із лантанідів або сумішей лантакої прозорості, розміри яких, є достатніми, для нідів, переважно із елементів або сумішей елеефективної зупинки і виявлення випромінювання, ментів групи: Y, La, Gd, Lu, переважно із елеменщо має бути виявлено, навіть при високих показтів або сумішей елементів групи: La, Gd, Lu, і де x никах енергії. Об'єм цих монокристалів зокрема є молярним рівнем заміни Μ церієм, що в подаприблизно 10мм3, або навіть більше, за 1см3 і льшому називається як "вміст церію", де x більнавіть більший за 10см3. ший, або дорівнює 1моль%, і обов'язково менше Відповідно до іншого втілення, сцинтиляційна 7 75591 8 речовина згідно з винаходом, є порошком або ється своєю константою часу згасання, τ, що виполікристалом, наприклад в формі порошку, зміражена в наносекундах, і інтенсивністю (виражешаного із зв'язувальною речовиною або також - у ною в фотонах/MeV) сцинтиляції, що представформі золь-гелю. ляє вплив цього компоненту на загальну кількість Винахід також стосується способу отримання фотонів, що випромінюється сцинтилятором. зазначеної вище сцинтиляційної речовини М1Зразки, що використовувались у вимірюваннях прикладів від А до D, а також 1-3 і 5, були хСехСl3, у вигляді монокристалу методом вирощування Брідгмана, наприклад у вакуумних запеневеликими монокристалами близько 10мм3, а чатаних кварцових ампулах, зокрема із суміші зразок прикладу 4 є відносно великим монокрискомерційних порошків МСl3 і СеСl3. талом з діаметром 8мм і висотою 5мм. Гарна Винахід також стосується способу викорисвідтворюваність результатів, що були отримані тання сцинтиляційної речовини, яка зазначена була помічена між малим (ех3) і великим (ех4) вище, як компонента детектора для виявлення зразками. випромінювання, зокрема гамма і/або рентгенівІз таблиці 1, зрозуміло, що суміші типу М1ськими променями. хСехСl3, включають менше ніж 1моль% церію Такий детектор особливо переважно включає (приклади A, D) мають енергетичне розрізнення, фотодетектор, оптично з'єднаний із сцинтилятобільше за 7% і низьку інтенсивність швидкого ром для вироблення електричного сигналу у віделемента сцинтиляції (приблизно 1500 фотоповідь на випромінювання імпульсу світла, що нів/MeV). LaCl3 без домішок має константу часу виробляється сцинтилятором. згасання першого компонента близько 3500нc Фотодетектор даного пристрою може зокре(ехС), і через це є надзвичайно повільним. ма бути фотопідсилювачем, фотодіодом, або У випадку фторованої складової із домішкою іншим датчиком типу ПЗЗ. більш ніж 1моль% церію (приклад В), згасання Переважне використання цього типу детексцинтиляції є дуже швидким, але загальна ефектора стосується вимірювання гамма або рентгетивність сцинтиляції є дуже низькою. нівського випромінювання; така система також Приклади 1-5, згідно з винаходом, всі мають може виявляти альфа і бета випромінювання і дуже корисні константи часу згасання швидкого електрони. Винахід також стосується способу компонента сцинтиляції, між 20 і 30нc, а інтенсивикористання вище зазначеного детектора в мевність сцинтиляції цього швидкого компонента дичних ядерних пристроях, особливо гамма кабільша за 4000 фотонів/MeV. Вона досягає до мерах типу Anger і томографічних сканерах позиблизько 20000 фотонів/MeV для речовини, що тронного випромінювання [див. наприклад C.W.E. містить 10моль% церію. Van Eijk, "Inorganic Scintillator for Medical Imaging", Крім того, розрізнення, R, цих прикладів згідМіжнародний семінар з нових типів детекторів, но з винаходом є відмінною і має непередбачену 15-19 травня 1995 - Archamp, France. Опублікоприроду. вано в "Physica Medica", Vol.XII, supplement 1, Це є результатом того, що, із статистичної червень 96]. точки зору, вважається, що енергетичне розрізВідповідно до іншого варіанту, винахід стосунення змінюється протилежно пропорційно до ється способу використання вищезазначеного квадратного кореня загальної кількості фотонів, детектора в пристроях для виявлення нафти, що випромінюється [див. зокрема: G.F. Knoll, [див. наприклад, "Applications of scintillation "Radiation detection and measurement", John Wiley counting and analysis", в "Photomultiplier tube, and Sons, Inc, 2е видання, cтop.106]. Ця загальна principle and application", розділ 7, Philips]. кількість фотонів відповідає інтенсивності випроІнші деталі і характеристики стануть зрозумімінювання при насиченості, що вимірюється за лими із подальшого опису переважних втілень, значенням інтенсивності випромінювання за що не є обмежувальними, а також даних, що 10μс. отримані за допомогою зразків, що включають При вивченні загальної кількості фотонів, що монокристали згідно з винаходом. випромінюється LaCl3, що містить більш ніж Таблиця 1 показує характерні результати 1моль% церію, порівняно з LaCl3, із домішками сцинтиляції для прикладів згідно з винаходом 0,57моль%, очікується незначне покращення - в (приклади 1-5), а також - для порівняльних прикнайкращому випадку 5%, таким чином останній ладів (приклади А-D). змінюється з 7,3% до близько 6,9%. x є церієвим вмістом, що виражений в Несподівано, винахідники помітили значне моль%, що заміщується в атомі М. покращення енергетичного розрізнення для виВимірювання проводяться за збудження γпадків вмісту церію, більше за 1моль% в речовипроменя в 662 keV. Умови вимірювання більш нах М1-хСехСl3. Це покращення є становить подокладно описані O.Guillot-Noël, що цитувався рядку 2 для LaCl3, що містить 2моль%, 4моль%, вище. 10моль%, 30моль% церію (приклади 1-5). Емісійна інтенсивність виражається в фотоСцинтиляційні речовини, що мають такі харанах за MeV. ктеристики, що особливо підходять для збільЕмісійна інтенсивність записується, як функшення експлуатаційних характеристик детекторів, ція часу інтегрування до 0,5; 3 і 10 мікросекунд. як в показниках енергетичного розрізнення, часоШвидкий компонент сцинтиляції характеризувої резолюції так і швидкості підрахунку. 9 75591 10 Таблиця 1 Приклад Матриця x моль % Ce3+ А В С D 1 2 3 4 5 LuCl3 LaF3 LaCb LaCl3 LaCl3 LaCl3 LaCl3 LaCl3 LaCl3 0,0045 0,1 0 0,0057 0,02 0,04 0,1 0,1 0,3 0,45 10 0 0,57 2 4 10 10 30 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Швидкий компонент Інтенсивність випромінювання Розрізнення (фотони/Me V) Інтенс. (R%) (нc) (фот/М eV) 0,5μс 3μс 10μс 1300 3500 5700 18 50 1425 2200 2200 2200 >20 3 220 34000 4,9 3480 34000 19000 37000 44000 7,3 24 1300 44000 49000 3,7 27 4900 36000 47000 49000 3,4 25 8800 45000 49000 49000 3,7 26 20100 45000 49000 49000 3,3 26 18500 42000 43000 43000 3,3 24 29700 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