Спосіб виготовлення сцинтиляційних детекторів

Реферат: Винахід належить до сцинтиляційної техніки і може бути використаний для виготовлення детекторів рентгенівського та м'якого гамма-випромінювання, а також альфа-часток. Спосіб виготовлення сцинтиляційних детекторів включає полірування робочої поверхні сцинтилятора, витримку сцинтиляційного елемента в атмосфері вуглекислого газу і упаковку отриманого сцинтилятора в герметичний контейнер. При цьому витримку в атмосфері вуглекислого газу здійснюють одночасно з обробкою робочої поверхні УФ-випромінюванням протягом 4-6 хв. Технічним результатом винаходу є забезпечення високого виходу придатної продукції незалежно від діаметра і товщини сцинтиляційного елемента і незалежно від структурної досконалості вирощених кристалів. Спосіб забезпечує високий світловий вихід і енергетичне розділення рентгенівських детекторів, порівнянне з їх значеннями для дзеркального відколу, за рахунок повного звільнення поверхні сцинтилятора від залишків води і гідроксиду. UA 102771 C2 (12) UA 102771 C2 UA 102771 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до сцинтиляційної техніки і може бути використаний для виготовлення детекторів рентгенівського та м'якого гамма-випромінювання, а також альфа-часток. Однією з основних проблем при виготовленні рентгенівських та альфа-детекторів є наявність залишкової вологи на поверхні сцинтилятора із активованого йодиду натрію (NaI:Tl), що не є інертним відносно до води і реагує з нею, утворюючи гідрооксиди, внаслідок чого утворюється мертвий шар на поверхні кристала, що істотно погіршує сцинтиляційні та експлуатаційні характеристики. Тому вирішення проблеми видалення залишкової вологи і продуктів гідролізу з поверхні сцинтилятора є досить актуальним. Відомий спосіб термообробки кристалів NaI:Tl [Технологічна інструкція. Технологічний процес отримання монокристалів NaI:Tl. 26.Пе246.ТИ, 1976], що включає нагрів заготовок до 580-600 °C, витримку при цій температурі протягом 6 годин, охолодження зі швидкістю 15-20 град./год. до 450 °C, після зі швидкістю 10 град./год. до 200 °C, а від 200 °C до кімнатної - за вимкненої печі. В результаті відпалу у зазначених режимах знімаються залишкові пружні напруження, що захищає кристал від спонтанного розтріскування на стадіях виготовлення сцинтиляторів. З відпалених кристалів після виколюють заготовки по площинах спайності, отримуючи вхідну для падаючого випромінювання на поверхню у вигляді відколу [1]. Поверхневий шар поблизу відколу не містить дефектів, привнесених механічною обробкою (тобто не має спотвореного шару). Він характеризується сталістю сцинтиляційної ефективності як на глибині декількох мікрометрів, так і міліметрів (див. також [W.C. Kaizer, S.I. Baiker, AJ. MacKay and I.S. Sherman. Response of NaI:Tl to X-rays and Low Energy Gamma Rays. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1962, Vol. NS-9, 3, P. 22-27]). Спосіб забезпечує гарну якість виготовлених детекторів, однак потребує використання спеціально вирощених орієнтованих кристалів із досконалою спайністю. Через сувору додаткову вимогу (заготовки повинні мати дзеркальні відколи) вихід придатної продукції виявляється низьким, а при виколюванні тонких елементів діаметром 40 мм і більше надзвичайно низьким. Слід також зазначити, що свіжий відкол зберігає високу сцинтиляційну ефективність тільки в сухій атмосфері. Навіть незначне зволоження вхідної поверхні призводить до незворотного погіршення якості сцинтилятора, а, отже, і характеристик детектора. Відомий спосіб виготовлення сцинтиляційних детекторів [заявка Японії № 61-33386, G01T 1/20], що включає полірування робочої (вхідної для випромінювання) поверхні сцинтилятора, протирання зазначеної поверхні розчинником (абсолютним спиртом). Спосіб підходить для заготівок з полірованими поверхнями, що виготовлені механічною обробкою як плоских, так і криволінійних. У цьому випадку легко забезпечується точність геометричних розмірів. Однак, абсолютний спирт, що використовується, є нестійким і майже миттєво перетворюється в азеотропну суміш з водою. З цієї причини залишкову вологу не вдається видалити повністю. Крім того, спирт є не тільки розчинником матеріалу, а й одночасно його травником, що помітно але непередбачувано збільшує шорсткість поверхні внаслідок відмінності швидкості розчинення різних кристалографічних граней і дефектних ділянок. Ця обставина призводить до часткового перетворення полірованої поверхні в матовану. Зміна морфології поверхні призводить до погіршення світлового виходу і, особливо, енергетичного розділення детектора. Відомий спосіб виготовлення рентгенівських детекторів [Кудин A.M. Влияние гидратации и дегидратации на состояние поверхности и природа мертвого слоя в кристаллах NaI:Tl // В кн.: Сцинтилляционные материалы. Получение, свойства, применение / под ред. Б.В. Гринева. Харьков: Институт монокристаллов.-2007. - с. 320-354], що включає полірування робочої поверхні сцинтилятора і обробку зазначеної поверхні рідиною, що віднімає вологу, (на кшталт, за допомогою кремнійорганічного мономера - гексаметилдисилазану). Переваги цього способу аналогічні попередньому і, крім того, зазначений гексаметилдисилазан не розчиняє основної речовини сцинтилятора і не змінює морфологію поверхні. Зазвичай світловий вихід полірованої поверхні на 20-25 % нижче у порівнянні з дзеркальним відколом. Даний спосіб забезпечує величину світлового виходу на 10-12 % вище, ніж у попередньому аналозі, але досягти значень світлового виходу, що є характерними для дзеркального відколу, не є можливим, тому що, як і в попередньому аналозі, повністю прибрати вологу не вдається. Тим не менше, цей спосіб виявився найбільш прийнятним для виготовлення детекторів з альфа-репером (але не рентгенівських), в яких робочі поверхні сцинтилятора поліруються, а світловий вихід від альфа-частинок повинен бути максимальним для забезпечення високих значень так званого гамма-еквівалента [2]. Найбільше практичне значення набув спосіб виготовлення рентгенівських детекторів [а. с. СССР № 1154383, С30В 33/00 29/12], що включає полірування робочої поверхні сцинтилятора, 1 UA 102771 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розміщення його в контейнері, їх нагрів до температури 80-90 °C і витримку при вказаній температурі протягом 4-5 годин [3]. При термічному нагріванні сцинтиляторів NaI:Tl в замкнутому об'ємі (кристал є упакованим у герметичний контейнер) прискорюються хімічні реакції за участю адсорбованої води, внаслідок яких на початку відбувається гідроліз, потім на поверхні замість NaOH утворюється гідрокарбонат натрію - NaHCO3. Сцинтиляційні властивості отриманої безводної поверхні часто не відрізняються від такої у вигляді відколу, однак, не завжди. В результаті частину упакованих сцинтиляторів доводиться заново розпаковувати, що є надзвичайно витратною операцією. Ще один недолік цього способу - необхідність в тривалому процесі термічного відпалу. Крім того, нагрівання та охолодження детекторів слід проводити ретельно, контролюючи їх швидкість (2 град/хв) щоб уникнути розтріскування кристала і розм'якшення клейових з'єднань корпусу. Тривалість відпалу, очевидно, пов'язана з повільним перебігом процесу гідролізу при вказаній температурі і низьким вмістом вуглекислого газу в сухому повітрі, що заповнює контейнер. Відомий спосіб виготовлення сцинтиляційних детекторів [а. с. СССР № 1457605, G01T 1/202], що включає полірування робочої поверхні сцинтилятора (NaІ:Tl), отримання дифузновідбиваючого шару на поверхні сцинтилятора шляхом розчинення поверхневого шару сцинтилятора водою (переводячи його з монокристалічного стану в полікристалічний), його подальше сушіння в зневодненому боксі і упаковку отриманого сцинтилятора в герметичний контейнер. Покриття поверхні сцинтилятора водневою плівкою призводить до деструкції тонкого поверхневого шару і утворення дрібнодисперсного полікристалічного відбиваючого шару, який жорстко пов'язаний з поверхнею сцинтилятора. Однак вода не тільки розчиняє основну речовину, але і взаємодіє з нею, утворюючи гідроксиди, що різко знижують характеристики відбиваючого покриття, а, отже, і сцинтиляційні характеристики детектора. Відомий спосіб виготовлення сцинтиляційних детекторів [пат. України № 34650А, G01T 1/202], що включає полірування робочої поверхні сцинтилятора (NaI:Tl), отримання дифузно відбиваючого шару на його поверхні, шляхом розчинення поверхневого шару сцинтилятора водою, його подальшу витримку в атмосфері вуглекислого газу, упаковку отриманого сцинтилятора в герметичний контейнер. Вуглекислий газ в процесі сушіння сцинтилятора після отримання відбиваючого шару навіть при кімнатній температурі і нормальному тиску взаємодіє з гідроксидами, переводячи їх в карбонати. При цьому вуглекислий газ не взаємодіє з матеріалом сцинтилятора. Карбонати основної речовини NaHCO3 і, можливо, активатора Тl2СО3, що з'являються в поверхневій плівці, мають коефіцієнт відбиття навіть більший, ніж в основному матеріалі сцинтилятора. В результаті отриманий відбивач збільшує світловий вихід і покращує сцинтиляційні характеристики детектора. На відміну від аналогів, цей спосіб придатний для реєстрації рентгенівських квантів починаючи з енергії 60 кеВ і вище, коли глибина проникнення випромінювання багато більше товщини відбивача і не придатний для енергії 5,9 кеВ, тому що більша частина квантів поглинається у відбивачі, внаслідок чого знижується ефективність реєстрації. Ще один недолік пов'язаний з повільним процесом взаємодії NaOH з СО2 як виявилося, властивості відбивача поступово (протягом декількох діб) поліпшуються і після контейнеризації чутливого елемента завдяки наявності вуглекислого газу в корпусі. З цієї причини виготовлені детектори атестуються, як мінімум, двічі, оскільки в перші дні зберігання, а часом і при експлуатації, спектрометричні характеристики детекторів нестабільні. Як прототип нами вибраний останній з аналогів. В основу цього винаходу поставлена розробка способу виготовлення сцинтиляційного детектора, який забезпечив би високий вихід придатної продукції незалежно від діаметра і товщини сцинтиляційного елемента і незалежно від структурної досконалості вирощених кристалів. Пропонований спосіб повинен забезпечувати високий світловий вихід і енергетичне розділення рентгенівських детекторів, порівнянне з їх значеннями для дзеркального відколу, за рахунок повного звільнення поверхні детектора від залишків води і гідроксиду. Вирішення цієї задачі забезпечується тим, що в способі виготовлення сцинтиляційних детекторів, що включає полірування робочої поверхні сцинтилятора, витримку сцинтиляційного елемента в атмосфері вуглекислого газу і упаковку отриманого сцинтилятора в герметичний контейнер, згідно з винаходом, витримку в атмосфері вуглекислого газу здійснюють одночасно з обробкою робочої поверхні УФ-випромінюванням протягом 4-6 хв. Витримка сцинтиляційного елемента в атмосфері вуглекислого газу за одночасним впливом УФ-радіації на його робочу поверхню дозволяє відновити мертвий шар поблизу полірованої поверхні кристалів за рахунок повного видалення залишкової вологи і продуктів гідролізу з 2 UA 102771 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 поверхні кристалів. Відновлення мертвого шару забезпечує поліпшення сцинтиляційних характеристик детекторів з полірованою поверхнею до значень, що є характерними для поверхні у вигляді дзеркального відколу. Завдяки використанню, таким чином підготовленої поверхні знімаються обмеження на застосування механічної обробки заготівок і, тому, на розміри робочої поверхні чутливого елемента. З'являється можливість виготовлення рентгенівських детекторів і екранів великої площі. Істотно зростає вихід придатної продукції, оскільки вихід продукції не залежить від розмірів детекторів і структурної досконалості кристалів. Спосіб також знімає обмеження на форму робочої поверхні (плоска, сферична, циліндрична), що важливо при виготовленні детекторів нестандартної геометрії, для яких операція сколювання принципово неприйнятна. Як показали експерименти, час впливу УФ-випромінювання є досить критичним, тому що опромінення часом менше 4 хвилин для повного перетворення залишкової вологи в продукти реакції ще не достатньо, тоді як вплив більше 6 хв. призводить до утворення в поверхневих шарах сцинтилятора центрів забарвлення, що, в свою чергу, погіршує сцинтиляційні характеристики детекторів. У таблиці наведені сцинтиляційні характеристики детекторів, виготовлених відповідно з запропонованим способом і аналогами. Значення світлового виходу дані у відсотках щодо еталона, в якості якого був використаний або кристал з поверхнею у вигляді дзеркального відколу (спосіб [1], якщо реєструвалося рентгенівське випромінювання), або робоча поверхня була оброблена ГМДС (гексаметилдисилазаном, спосіб [2] для альфа-детекторів). Наведено також результати стосовно способу [3], що є найбільш практично важливим (відпал при температурі 80 °C для рентгенівських детекторів). Вимірювання сцинтиляційних характеристик здійснювали відповідно до ГОСТ 17038.7-79 на стандартному спектрометрі, оснащеному 4096-канальним аналізатором СУГАН і ФЕУ R1306 фірми Hamamatsu. Сцинтиляції збуджувалися рентгенівськими квантами з енергією 5,9 кеВ від 55 джерела Fe. Використаний час формування сигналу становив 1,2 мкс. Запропонований спосіб реалізують наступним чином. Приклад 1 (рентгенівські детектори діаметром 20 мм). З полікристалічних злитків NaI:Tl, що не мають площини спайності, на токарному верстаті вирізають заготовки діаметром 20 і висотою 1,5 мм, полірують їх на суміші спиртів в сухій атмосфері при залишковій вологості менше 4 %. Відполіровані сцинтиляційні елементи встановлюють в контейнер, не закриваючи кришкою, і розміщають їх у відсіку з вуглекислим газом. Верхню поверхню (вхідну для випромінювання) кристалів опромінюють ультрафіолетовим світлом за допомогою люмінесцентної лампи A-FT0403 8w/08 (фірми Electrum) протягом 4 хв. Потім контейнер накривають берилієвою кришкою, але не герметизують корпус. За допомогою спектрометра вимірюють світловий вихід і енергетичне розділення сцинтилятора і кришку герметично приклеюють до корпусу. Приклад 2 (діаметр 30 мм, рентгенівські детектори). З полікристалічних злитків NaI:Тl, що не мають площини спайності, на токарному верстаті вирізують заготовки діаметром 30 і висотою 2 мм, полірують їх на суміші спиртів в сухій атмосфері при залишковій вологості менше 4 %. Відполіровані сцинтиляційні елементи встановлюють в контейнер, не закриваючи кришкою, і розміщають їх у відсіку з вуглекислим газом. Верхню поверхню (вхідну для випромінювання) кристалів опромінюють ультрафіолетовим світлом за допомогою люмінесцентної лампи A-FT0403 8w/08 (фірми Electrum) протягом 5 хв. Потім контейнер накривають берилієвою кришкою, але не герметизують корпус. За допомогою спектрометра вимірюють світловий вихід і енергетичне розділення сцинтилятора і кришку герметично приклеюють до корпусу. Приклад 3 (діаметр 40 мм, детектори з альфа-репером). З полікристалічних злитків NaІ:Тl, що не мають площини спайності, на токарному верстаті вирізують заготовки діаметром 40 і висотою 10 мм, полірують їх на суміші спиртів в сухій атмосфері при залишковій вологості менше 4 %. Відполіровані сцинтиляційні елементи встановлюють в контейнер з боковим відбивачем, не закриваючи кришкою, і розміщають їх у відсіку з вуглекислим газом. Верхній торець (вхідну для випромінювання поверхню) кристалів опромінюють ультрафіолетовим світлом за допомогою люмінесцентної лампи A-FT0403 8w/08 (фірми Electrum) протягом 6 хв. Потім на верхній торець накладають фторопластовий коліматор 239 альфа-частинок з вмонтованим в нього джерелом Pu (енергія частинок 5,15 МеВ) і кришкою, але не герметизують корпус. За допомогою спектрометра вимірюють світловий вихід і енергетичне розділення сцинтилятора з джерелом тільки альфа-частинок, потім також 137 одночасно ще й з джерелом гамма-квантів Cs (енергія 662 кеВ). За отриманими даними розраховують гамма-еквівалент, тобто положення піка повного поглинання альфа частинок в 3 UA 102771 C2 5 10 енергетичній шкалі гамма-квантів. Виготовляють детектор з альфа-репером, герметизуючи корпус. Як випливає з даних таблиці, при реалізації заявленого способу, позитивний ефект досягається для двох типів детекторів короткопробіжного випромінювання, як для детекторів м'якого рентгенівського випромінювання, так і для альфа-частинок. Виготовлені детектори відповідають прийнятим вимогам за значеннями світлового виходу і перевершують навіть еталони за головним спектрометричним параметром - енергетичним розділенням. Видно також, що позитивний ефект досягається тільки в межах заявленого інтервалу часу УФ-світлової обробки. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує відновлення мертвого шару полірованої поверхні кристалів, завдяки чому знімаються обмеження на застосування механічної обробки заготовок, розміри робочої поверхні чутливого елемента і форму поверхні (плоска, сферична, циліндрична). Істотно зростає вихід придатної для використання продукції, оскільки вихід продукції не залежить від розмірів детекторів і структурної досконалості кристалів. 15 Таблиця Спосіб виготовлення Суть Розмір, мм Сцинтиляційні характеристики L, % не менше 90 Детектори рентгенівського випромінювання дзеркальний [1] 20×1,5 відкол [2] ГМДС 20×1,5 [3] відпал 20×1,5 УФ-опромін. 2 хв. 3 хв. 4 хв. Приклад 1 20×1,5 5 хв. 6 хв. 7 хв. 8 хв. 4 хв. Приклад 2 30×2 6 хв. Детектори альфа-часток [2] Приклад 3 ГМДС УФ, 5 хв. УФ, 6 хв. 40×10 R, % не більше 45 100 41-43 89 100 43-47 40-43 71 88 100 100 102 91 87 103 99 55 49 43 38 40 47 51 40 38 Сцинтиляційні характеристики Гамма-еквівалент, МеВ R, % (найкращі відомі 4,5 показники - 3,9) 3,9 3,9 3,9 не більше 3,8 3,5 3,6 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Способ виготовлення сцинтиляційних детекторів, що включає полірування робочої поверхні сцинтилятора, витримку його в атмосфері вуглекислого газу і упаковку в герметичний контейнер, який відрізняється тим, що витримку в атмосфері вуглекислого газу здійснюють одночасно з обробкою робочої поверхні УФ-випромінюванням протягом 4-6 хв. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4