Сцинтиляційний керамічний матеріал на основі lіf та детектор на його основі

1. Сцинтиляційний керамічний матеріал на основі LiF, який відрізняється тим, що, він додат C2 2 (13) 1 3 79947 вітрям. Має малий час світіння: tосн.£1,0мкс - для першого компоненту і tосн.»300мкс - для другого компоненту. Спосіб одержання LiF:ТіО2 полягає у змішуванні вихідних компонентів і вирощуванні кристалів методом Кіропулоса. Недоліком цього сцинтиляційного матеріалу є відносно мала чутливість до нейтронного випромінювання на фоні гама-випромінювання, унаслідок низького світлового виходу випромінювання заряджених часток - продуктів взаємодії нейтронів з ядрами літію. Тому він не може надійно реєструвати малоінтенсивні джерела повільних нейтронів на фоні гама-випромінювання. Короткохвильовий спектральний склад люмінесценції (l=370-430нм) цього сцинтиляційного матеріалу дозволяє застосовува ти його лише з ФЕП, що не дозволяє створювати компактні детектори з використанням напівпровідникових фотоприймачів з низьковольтним електричним живленням. Необхідно також відзначити неоднорідність складу сцинтилятору, що виникає внаслідок сегрегації легуючи х домішок при кристалізації. Відомий сцинтиляційний матеріал на основі суміші LiF, фосфору та сульфіду цинку, активованого сріблом (ZnS(Ag)) у сполучному агенті - поліетилені у ваговій пропорції 1:5:1 відповідно [T.Tojo, T.Nakajima, Preparation of thermal neutron scintillators based on a mixture of ZnS(Ag), 6LiF and polyethylene, Nuclear Instruments and methods, v.53, 1967, p.163-166.]. Розміри гранул ZnS(Ag) і LiF у середньому складали 20мкм і 1мкм відповідно. Цей сцинтилятор має істотний недолік - втрату прозорості згодом унаслідок того, що при температурі 80°С ZnS(Ag) розкладається на сірку (S) і інші хімічні речовини, а іон срібла (Ag+) на світлі відновлюється до металу, що викликає почорніння сцинтилятора і, у підсумку, призводить до зниження його чутливості при реєстрації нейтронів. Відомий керамічний сцинтиляційний матеріал на основі активованого LiF [пат. України №24259А, С09K1/06]. У якості активатору в нього вводять атоми урану та нітрат-аніони у ваговій пропорції (20-100):1. Цей матеріал має час світіння одного компоненту t осн.=5мкс і другого - tос н.=300мкс. Застосування урану, що має нестабільний ізотопний склад, призводить до підвищення природного фону сцинтилятора, що знижує поріг його чутливості до нейтронів, а також до збільшення шумових імпульсів при захопленні теплових нейтронів ядрами урану. Уран, у свою чергу породжує в спектрі люмінесценції повільні складові з часом світіння до 1мс, що не дозволяє використовувати цей матеріал у режимі рахування імпульсів при високих рівнях потоку нейтронів. Відомий керамічний сцинтиляційний матеріал на основі активованого LiF [пат. РФ №2014373, С30В17/00,29/12]. У якості активатору використовують Ті, при співвідношенні компонентів (Li:Ті) 2000:1. Цей матеріал має максимум інтенсивності основного компоненту сцинтиляції на довжині хвилі 390нм з часом світіння 150мкс і світловим виходом ~4,4% відносно монокристалу йодиду цезію, активованого талієм (CsI(Tl)). Недоліком цього матері 4 алу є низька прозорість до власного випромінювання і час світіння 150мкс (низька швидкодія). Це погіршує ефективність світлозбирання при реєстрації теплових нейтронів і, у результаті, низьку ефективність реєстрації теплових нейтронів. У якості прототипу за способом нами обрано останній з аналогів. Відомий детектор іонізуючого випромінювання, що містить сцинтиляційні елементи, виконані у виді ряду (решітки) пластин на основі монокристалів АIIВVІ , що чергуються зі світловодами з полімерного матеріалу високої прозорості. При цьому загальна площа сцинтиляційних елементів і світловодів відповідає робочій площі фотоприймача. Світловоди виконані на основі оптичної смоли УП4-260-3М і одночасно є оптичним зчленуванням зі сцинтиляційними елементами. Світловоди утворюють і бічні сторони детектору [пат. України №15083 A, G01T1/20]. Цей детектор, унаслідок застосування сцинтилятору на основі монокристалів АIIВVI, у великій мірі чутливий до гама- і рентгенівського випромінювання, для яких він і розроблявся. Тому теплові нейтрони цей детектор може реєструвати тільки при незначній інтенсивності інших видів іонізуючого випромінювання. Реєстрація нейтронів цим детектором ускладнюється також унаслідок можливих ядерних реакцій з атомами цинку, кадмію, селену та телуру, що призводить до появи власного гама-фону. Крім того, він не може використовуватися для спрямованої реєстрації нейтронного випромінювання, тому що його бічн у поверхню виконано з несцинтиляційного оптично прозорого матеріалу. Відомий детектор нейтронного випромінювання, який містить елементи, що чергуються: зі сцинтиляційного матеріалу і несцинтиляційного оптично прозорого воденьмісткого матеріалу, при цьому геометрична конфігурація і розміри зазначених елементів забезпечують оптимальну ефективність реєстрації. Сцинтиляційним матеріалом є Zn, що легований сріблом, або міддю, а несцинтиляційним воднєвміщуючим матеріалом є пластмаса [пат. США №6639210, G01V5/10]. Дана конструкція детектору дозволяє реєструвати теплові і швидкі нейтрони. Однак, унаслідок застосування Zn у якості сцинтиляційного матеріалу з часом світіння ~100мс, він має недостатньо високу швидкодію і радіаційну стійкість. Слід також зазначити, що, як у попередньому аналогу, він не може використовуватися для направленої реєстрації, у тому числі, і нейтронного випромінювання, тому що його бічн у поверхню виконано з несцинтиляційного оптично прозорого матеріалу. У якості прототипу пристрою нами обрано останній з аналогів. В основі даного винаходу було поставлено задачу створення сцинтиляційного керамічного матеріалу, що має велику ефективність реєстрації нейтронів на фоні гама-випромінювання, швидкодію, з розширеним енергетичним діапазоном чутливості до нейтронів і температурним діапазоном експлуатації, а також конструкції детектора на його основі. 5 79947 Рішення задачі забезпечується тим, що сцинтиляційний керамічний матеріал на основі LiF, відповідно до винаходу, додатково містить силікати рідкоземельних елементів і/чи тикор при співвідношенні компонентів 10:(1-4), при цьому частки силікатів рідкоземельних елементів і/чи тикора розміром 0,1-0,3мм рівномірно розподілено у середовищі часток LiF того ж розміру. Вирішування задачі забезпечується також і тим, що детектор нейтронного випромінювання, який містить елементи з сцинтиляційного і несцинтиляційного оптично прозорого воденьмісткого матеріалу, що чергуються один з іншим, має геометричну конфігурацію і розміри зазначених компонентів такі, які забезпечують оптимальну ефективність реєстрації нейтронів, відповідно до винаходу, у якості сцинтиляційного матеріалу використано керамічний матеріал на основі LiF, який додатково містить силікати рідкоземельних елементів і/чи тикора при співвідношенні компонентів 10:(1-4), при цьому частки силікатів рідкоземельних елементів і/чи тикора (оксид алюмінію, активований титаном, Аl2О3:Ті) розміром 0,1-0,3мм рівномірно розподілено у середовищі часток LiF, a бічну поверхню детектора виконано з нейтроновідбиваючого матеріалу. Запропонований керамічний сцинтиляційний матеріал є спресованими дрібно подрібненими частками силікатів рідкоземельних елементів і/чи тикора (дисперсна фаза), що рівномірно розподілені у сполучному середовищі LiF. При цьому зберігаються межі розподілу між зазначеними компонентами. Унаслідок високої температури плавлення і малої реакційної здатності частки дисперсної фази після пресування зберігають свої сцинтиляційні властивості. Межі розподілу дисперсної фази та середовища LiF не перешкоджають дифузійному поширенню світла на товщині пластин до 2-3мм, завдяки цьому зберігається високий перетин захоплення нейтронів ядрами літію, а частки рідкоземельних елементів і/чи тикора, що знаходяться навколо, взаємодіють із зарядженими частками (a-частки та ядра тритію (Т)) - продуктами нейтронної реакції 6Li(n,a)T. У результаті, керамічний матеріал, що запропоновано має високий світловихід і швидкодію. Пробіг важких заряджених часток по реакції 6 Li(n,a)T в оксиді алюмінію (Аl2О3) складає 13мкм. У зернах тикора таких самих розмірів електрони такої ж енергії втрачають тільки 1/400 частина своєї енергії. Це свідчить про малу чутливість цього сцинтилятора до b- і a-випромінювань та високу ефективність взаємодії з Т- і a-частками. У такий спосіб забезпечується висока вибірковість реєстрації теплових нейтронів на фоні g-квантів цим детектором. У силікатах рідкоземельних елементів пробіг важких заряджених часток складає 5мкм. Аналогічно з тикором, сцинтилятор, що виготовлено у вигляді кераміки силікатів рідкоземельних елементів у LiF, буде мати малу чутливість до b- і gвипромінювань і високу до заряджених Т- і aчасток. Таким чином, він теж має високу вибірковість при реєстрації теплових нейтронів на фоні gквантів. 6 Розмір часток компонентів є оптимальним: верхню межу обмежено глибиною проникнення теплових нейтронів, а нижню - необхідністю одержання достатньої прозорості керамічного сцинтилятору. Зі зменшенням розміру часток у квадратичній залежності зростає площа поверхонь розподілу фаз у кераміці. Відповідно зростає і коефіцієнт поглинання цього матеріалу, що знижує вихід сві тла з кераміки. Детектор, що запропоновано, завдяки установці по периметру нейтроновідбиваючого матеріалу (берилію чи оксиду берилію) має спрямовану чутливість. Крім того, відбивач дозволяє підвищити ефективність поглинання нейтронів, що потрапили у внутрішній обсяг детектору. На Фіг. приведено схему конструкції детектора; у таблиці приведено порівняльні характеристики запропонованого сцинтилятору та його аналогів. Детектор нейтронного випромінювання містить елементи, з сцинтиляційного матеріалу 1 і несцинтиляційного оптично прозорого воденьмісткого матеріалу 2, яким може бути епоксидний клей (смола), що чергуються. Бічну поверхню 3 детектора виконано з нейтороновідбиваючого матеріалу (наприклад з берилію чи його оксиду), а в якості сцинтиляційного матеріалу використано керамічний матеріал на основі LiF, додатково утримуючі силікати рідкоземельних елементів і/чи тикор при співвідношенні компонентів 10:(1-4), при цьому частки силікатів рідкоземельних елементів і/чи тикора розміром 0,1-0,3мм рівномірно розподілено у середовищі часток LiF того ж розміру. На Фіг. також приведено фотоприймач 4. Приклади виготовлення детекторів нейтронів: 1. Монокристали силікату гадолінія, легованого церієм, що виступають у якості сцинтилятору, вирощували відомим методом Чохральского. Кристали подрібнювали у кульовому млині і за допомогою сит відокремлювали фракцію порошку з розміром часток 0,1мм. Окремо у такий самий спосіб із кристалів LiF одержували порошок фторида літію з розміром часток 0,1мм. Порошкоподібні компоненти змішували у скляній судині у співвідношенні десять масових частин порошку фтористого літію на одну-три масові частини порошку сцинтилятору (силікату гадолінія). Для пресування брали наважку суміші загальною масою 10г. Суміш переносили у прес-форму діаметром 20мм, нагрівали до 660°С і пресували при тиску 200МПа 30 хвилин. Після пресування шайби шліфували для очищення поверхневого шару від забруднень і обрізали краї для одержання пластин. Детектор виготовляли шляхом встановлення керамічних пластин на відстані 3мм одна від іншої у форму, виготовлен у з берилію, а проміжки між пластинами заливали епоксидним клеєм. 2. Монокристал оксида алюмінію, активований двооксидом титану (0,2мас.%) - тикор, вирощували відомим методом Чохральского. Отриманий кристал подрібнювали у порцеляновій ступці на зерна розміром 0,5-1,5мм і відпалювали у водні, або у газовому середовищі, що містить монооксид вуглецю, протягом 5 годин при температурі 1700°С. 7 79947 Кристали після відпалювання подрібнювали в кульовому млині і відокремлювали фракцію порошку з розміром часток 0,3мм. Окремо, у такий самий спосіб із кристалів LiF одержували порошок фторида літію з розміром часток 0,1мм. Порошкоподібні компоненти змішували у скляній банці у співвідношенні десять масових частин порошку фтористого літію на дві масові частини порошку сцинтилятору. Для пресування брали наважки суміші загальною масою 10г. Суміш переносили у прес-форму діаметром 20мм, нагрівали до 680°С и пресували під тиском 200МПа 30 хвилин. Після пресування шайби шліфували для очищення поверхневого шару від забруднень і обрізали краї для одержання пластин. Детектор виготовляли шляхом встановлення керамічних пластин на відстані 3мм одна від іншої у форму, виготовлену з оксида берилію, а проміжки між пластинами заливали силіконовим клеєм. 3. Порошки силікату гадолінія, легованого церієм, і оксида алюмінію, активованого двооксидом титана, отримані подрібненням кристалів і відсіванням фракції з розміром часток 0,2мм, змішували у масовому співвідношенні 1:1. Навіску, що складається з двох масових частин отриманої суміші і десяти частин порошку фтористого літію гомогенізували у скляній судині. 8 Для пресування брали наважки суміші загальною масою 10г. Суміш переносили у прес-форму діаметром 20мм, нагрівали до температури 670°С и пресували 30 хвилин при тиску 200МПа. Після пресування шайби шліфували для очищення поверхневого шару від забруднень і обрізали краї для одержання пластин. Детектор виготовляли шляхом встановлення керамічних пластин на відстані 3мм одна від іншої у форму, виготовлену з берилію, а проміжки між пластинами заливали силіконовим клеєм. Характеристики отриманих детекторів у порівнянні з аналогами наведено у таблиці. З результатів вимірів параметрів детекторів (Таблиця) випливає, що по параметрах ефективності реєстрації теплових нейтронів і по вибірковості до впливу g-квантів склади №1-3 мають значення в 4-6 разів переважаючі прототип. Склади №4 і 5 істотно гірші за ефективністю реєстрації теплових нейтронів, ніж склади №1-3, через вихід за оптимальні значення співвідношення компонентів. Склади №6 і 7 також гірші за ефективністю реєстрації теплових нейтронів, ніж склади №1-3, через вихід за оптимальні значення розмірів часток сцинтиляційної кераміки. Таблиця Параметри сцинтиляторів та детекторів теплових нейтронів Ефективність реПоложення Можливість реСпіввідно-Розмір максимуму Час Радіацій- єстрації нейтрошення части- єстрації НапрявисвіСцинтиляційна стій- нів на фоні га№ ний матеріал Посилання компо- нок, теплових мок дії смуги лючумінекість манейтронів, нент-тів мм вання сценції, нм випромінювання відн. один. 1 LiF10:1 0,1 50 є 440 60нс середня є GdSiO3(Ce) 2 LiF10:2 0,2 60 є 440 середня є GdSiO3(Ce) LiF3 GdSiO3(Ce) 10:3 0,3 40 є 440,700 2мкс висока є +Al2O 3:Ti 4 LiF-Al 2O 3:Ti 10:5 0,2 15 є 700 2мкс висока є LiF5 10:0,5 0,2 20 є 700 60нс середня є GdSiO3(Ce) 6 LiF-Al 2O 3:Ti 10:3 0,05 10 є 700 2мкс висока є LiF7 10:3 0,4 22 є 700 60нс середня є GdSiO3(Ce) LiF:TiO2; пат. Укр. 1мкс, 8 LiF:Nb2O5; 1:10-100 625 середня нема №21026A 300мкс. LiF:WO3 9 LiF+ZnS(Ag) T.Tojo, Т. 5:1:1 25 430 100мс низька є +поліетилен Yakajima пат. Укр. 1:20:100 5мкс, низька 10 LiF+U+O2 20 502-522 є №24259 A 300мкс пат. РФ 11 LiF:Ti 1:2000 10 390 150мкс висока є №2014373 Пат. US 13 A2B 6 25 ~100мс низька нема №6639210 9 Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 79947 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601