Спосіб виготовлення сцинтиляційного елемента для реєстрації альфа-випромінення

Реферат: Винахід належить до області реєстрації іонізуючих випромінювань методами спектрометрії та радіометрії і може бути використаний в ядерному приладобудуванні. Спосіб виготовлення сцинтиляційного елемента для реєстрації альфа-часток включає змішування частинок сцинтиляційного матеріалу ZnSe встановленого розміру з імерсійним середовищем. Згідно з винаходом, попередньо подрібнюють і фракціонують частинки сцинтиляційного матеріалу в інертному неполярному розчиннику. Отримані таким чином частинки порошку змішують з імерсійним середовищем з концентрацією порошку сцинтилятора в суміші 80-90 об. %. А отриману суміш наносять на прозору підкладку щільноупакованим шаром з ефективною товщиною сцинтилятора ~ 100 мкм при розмірі його частинок 200-240 мкм. Виготовлений таким чином сцинтиляційний елемент забезпечує підвищення ефективності реєстрації випромінювання. UA 103711 C2 (12) UA 103711 C2 UA 103711 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області реєстрації іонізуючих випромінювань методами спектрометрії та радіометрії і може бути використаний в ядерному приладобудуванні. На заводах з переробки відпрацьованого ядерного палива і при виробництві плутонієвого ядерного палива швидке і своєчасне виявлення наявності в повітрі альфа активних нуклідів є важливою умовою для захисту персоналу від впливу радіоактивних речовин. Для надійного виявлення альфа-активних нуклідів сцинтилятор повинен володіти значною площею, достатньою енергетичною роздільною здатністю, високим / відношенням та можливістю розділення сцинтиляційного сигналу від  та  випромінювань. На даний час для детектування альфа-випромінення здебільшого використовують прилади на основі напівпровідникових детекторів або сцинтиляційні детектори на основі ZnS(Ag). Напівпровідникові детектори експлуатуються в умовах добре вентильованих приміщень та лабораторій. Проте в деяких областях переробної промисловості такі детектори розташовані в більш агресивних умовах (підвищені температура і вологість, наявність в атмосфері азотної кислоти), що призводить до зниження їх ефективності вже через кілька місяців після початку експлуатації [K.Dubey, G.J.M.Coelho, S.Y.Phadtare et al., PREFRE, Fuel Reprocessing Division, Nuclear Recycle Group. BARC News Letter No. 198, p. 9-12 (2000)]. Відомий спосіб виготовлення сцинтиляційного елемента для реєстрації альфа-часток [заявка США № 2009/0302226, G01T1/178], що включає синтез напівпровідникового порошку, змішування його з сполучною речовиною, нанесення отриманої суміші на підкладку і сушку у вакуумній печі при кімнатній температурі. Зазначений елемент містить порошок одного з напівпровідників (ВС, ВР, BN, BaB2O4, LiF, LiNbO3, Li2B2O4, Li2B4O7, Li3PO4, CdS, CdSe, CdTe, Gd2S3, Gd2O3 Gd2F3, CdZnTe, HgBrI і HgI2), що містить хоча б один з чутливих до нейтронів і 10 6 113 157 199 альфа-часток елементів ( В, Li, Cd, Gd та Hg). Розмір частинок порошку вибирають в діапазоні 10 нм - 100 мкм, як сполучну речовину використовують органічний полімер ТМ (polystyrene, polypropylene, Humiseal и Nylon-6) або неорганічну речовину (В2О3, PbO/B2O3, Bi2O3/PbO, Borax glass, Bismuth Borate glass, Boron Oxide based glass), при цьому співвідношення порошок / сполучна речовина знаходиться в діапазоні від 5/95 до 95/5 мас. %. Загальний недолік напівпровідникових сцинтиляційних елементів є їх висока чутливість до зміни температури і зовнішніх впливів. Відповідно, такі елементи можуть працювати тільки в спеціально контрольованих умовах лабораторії. Для роздільної реєстрації α і γ-випромінювань зазвичай використовують два типи напівпровідникових елементів - об'ємні зразки для реєстрації -випромінення та лінійні зразки малої товщини для -випромінення. В одному напівпровідниковому приладі селективна реєстрація  і -випромінювань практично не застосовується. Відомий спосіб виготовлення сцинтиляційного елемента для реєстрації альфа-часток [заявка США № 2006/0208197, G01T1/20], що містить дрібнодисперсний сцинтиляційний порошок ZnS(Ag), який рівномірно наносять на прозору пластикову підкладку. Із зовнішнього боку сцинтиляційного шару наносять захисне світлонепроникне відбиваюче покриття (майлар з алюмінієвим шаром) для захисту поверхні елемента від зовнішніх впливів. Використовують два розміри частинок порошку сцинтилятора - 5 і 10 мкм для товщин 20, 30, 50 і 60 мкм. Через те, що сцинтиляційний матеріал ZnS(Ag) має низьку енергетичну роздільну здатність (Rα~70 %), його товщину підбирають таким чином, щоб енергію альфа-часток можна було визначати по висоті сцинтиляційного піку. Такий метод не є достатньо ефективним для реєстрації джерела альфа-випромінення. До того ж люмінофор ZnS(Ag) непридатний для одночасної селективної 241 241 реєстрації  і  випромінювань від Аm (-випромінення від Аm практично не детектується), а сцинтиляційний шар ZnS(Ag) має значне самопоглинання і розсіювання, що призводить до зниження сцинтиляційного сигналу. Максимум випромінення для ZnS(Ag) становить 450 нм, що обмежує можливість його використання спільно з кремнієвими фотодетектуючими елементами і матрицями, так як їх максимум чутливості знаходиться в червоній області спектру. Відомий спосіб виготовлення сцинтиляційного елемента [заявка України № а201109831 від 08.08.2011, G01T 1/202] включає змішування частинок сцинтиляційного матеріалу ZnSe з імерсійним середовищем, розташування суміші в нейтральній для неї ємкості і вплив вібрацією з частотою 50 Гц протягом 20-30 хвилин. Концентрація частинок в елементі становить 20-40 об. %, а їх розміри обрані у відповідних діапазонах в інтервалі 25-200 мкм. Після полімеризації імерсійного середовища сцинтиляційний елемент виймають з ємкості. За допомогою такого елемента можлива ефективна реєстрація м'якого гама та рентгенівського випромінювань, можлива, також, реєстрація високоенергетичних альфа-часток, проте ефективність реєстрації низька (3-5 %). Подрібнення і фракціонування частинок ZnSe здійснюють у повітряному середовищі, що призводить до утворення оксидного шару на їх поверхні. Зважаючи на високий коефіцієнт поглинання альфа-випромінення в речовині (пробіг 1 UA 103711 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 альфа-частки середньої енергії - 5,5 МеВ - в селеніді цинку становить близько 30-50 мкм), стан поверхні частинок відіграє важливу роль в ефективності реєстрації альфа-часток. Оксидний шар на поверхні кристалітів селеніду цинку, що утворюється при отриманні порошку в повітряній атмосфері, має товщину близько 5-10 мкм, це призводить до зниження ефективності реєстрації альфа-часток з енергією нижче середнього значення і до утворення "мертвих зон" у товщині сцинтилятора. Теоретично селективна реєстрація  і -випромінювань можлива, але зважаючи на низьку ефективність реєстрації -випромінення є малоефективною. Як прототип вибрано останній з аналогів. В основу винаходу поставлена задача розробки способу виготовлення сцинтиляційного елемента для реєстрації альфа-часток, який забезпечує селективну реєстрацію альфа і 241 рентгенівського (м'якого гама) випромінення радіонукліда Аm, має достатню енергетичну роздільну здатність для роботи не тільки в радіометричному, а й в спектрометричному режимах, має великі лінійні розміри, що підвищує ефективність реєстрації. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виготовлення сцинтиляційного елемента для реєстрації альфа-часток, що включає змішування частинок сцинтиляційного матеріалу ZnSe встановленого розміру з імерсійним середовищем, згідно з винаходом, попередньо подрібнюють і фракціонують частинки сцинтиляційного матеріалу в інертному неполярному розчиннику, отримані таким чином частинки порошку змішують з імерсійним середовищем з концентрацією порошку сцинтилятора в суміші 80-90 об. %, а отриману суміш наносять на прозору підкладку щільноупакованим шаром з ефективною товщиною сцинтилятора ~ 100 мкм при розмірі його частинок 200-240 мкм. Як показали дослідження, попереднє подрібнення і фракціонування частинок в інертному неполярному розчиннику перешкоджає появі оксидного шару на поверхні частинок порошку сцинтилятора за рахунок виключення їх контакту з повітряним середовищем, що призводить до збільшення світлового виходу на 30-35 %, в порівнянні з елементом, виготовленим з частинок з оксидним шаром (як у прототипі). Використання частинок зазначеного розміру і їх рівномірний щільноупакований розподіл по поверхні підкладки дозволяє досягти величину енергетичної роздільної здатності Rα~30 %, що в 2,5 рази вище, ніж у передостаннього аналога. Ефективна товщина для даного елемента становить ~ 100 мкм, що дозволяє реєстрацію альфа-часток з середньою енергією ~ 5,5 МеВ і вище. При зменшенні ефективної товщини порошку сцинтилятора сигнал падає, тому що не відбувається повного поглинання альфавипромінення і, відповідно, максимальний рівень люмінесценції не досягається. Збільшення ефективної товщини елемента недоцільно через те, що рівень сигналу також падає внаслідок погіршення оптичної прозорості елемента, що знижує рівень сцинтиляційного сигналу, який потрапляє на фотодетектуючий прилад. Ефективна товщина ~ 100 мкм по всій поверхні елемента забезпечується при розмірі частинок не менше, ніж 200 мкм (частинки сцинтилятора мають неправильну геометричну форму). Використання частинок сцинтилятора розміром менше 200 мкм призводить до погіршення параметрів світлового виходу елемента, оскільки зменшується ефективна товщина елемента (якщо збільшити товщину елемента за рахунок розташування частинок сцинтилятора в кілька шарів сцинтиляційний сигнал також буде низький через погіршення оптичних властивостей середовища). Більший розмір частинок в порівнянні з передостаннім аналогом забезпечує менше розсіювання, відбиття і перепоглинання сцинтиляційного випромінення в елементі, що забезпечує найкращі умови світлозбору і, відповідно, високий сцинтиляційний сигнал. Використання частинок сцинтилятора більше, ніж 240 мкм, призводить до падіння світлового виходу через збільшення ефективної товщини елемента. Застосування селеніду цинку в дисперсному вигляді дозволяє виготовляти сцинтиляційні елементи без обмеження лінійних розмірів, як і в прототипі. Досить висока для дисперсного середовища енергетична роздільна здатність, отримана способом, що заявляється, дозволяє використовувати даний елемент для реєстрації альфавипромінення як в радіометричному, так і в спектрометричному режимах. Як імерсійне середовище використовують синтетичний каучук (як і в прототипі). Концентрація порошку сцинтилятора в імерсійному середовищі повинна знаходиться в межах 80-90 об. %. Таке співвідношення компонентів елемента дозволяє мінімізувати поглинання альфа-випромінення в проміжках між частинками сцинтилятора і в той же час зберегти механічні характеристики елемента. Синтетичний каучук, обраний як імерсійне середовище, завдяки своїй високій хімічній стабільності і високому коефіцієнту заломлення світла дозволяє мінімізувати втрати світла на межах розділу середовищ. 2 UA 103711 C2 5 10 15 20 Як підкладка може бути використаний оптично прозорий пластик або оптичне скло товщиною 0,5-1 мм. Така товщина підкладки забезпечує гарні механічні та експлуатаційні властивості елемента, не приводячи до значного ослаблення сцинтиляційного сигналу. У таблиці наведені характеристики сцинтиляційного елемента. 241 На кресленні наведено амплітудно-імпульсний спектр Аm, отриманий за допомогою сцинтиляційного елемента, що заявляється. Для вимірювання сцинтиляційних і оптичних параметрів отримані зразки були оптично з'єднані з ФЕП імерсійним середовищем - вазеліновим маслом. Вимірювання параметрів зразків сцинтиляційних елементів проводили за відомою методикою на спектрометричній установці, що включає: ФЕП-125, передпідсилювач БУС-2-94, підсилювач БУИ-3К та аналізатор імпульсів АМА-03Ф. Спосіб отримання сцинтиляційного елемента полягає в наступному. Механічне подрібнення зразків сцинтилятора ZnSe (або фрагментів кристалів), виконується без контакту з повітряним середовищем в інертному неполярному розчиннику, після подрібнення здійснюють фракціонування порошку за розміром частинок (також в розчиннику) з використанням ультразвукової ванни. Зберігання фракцій порошку здійснюють в закритих ємкостях без контакту з повітряним середовищем. Безпосередньо перед нанесенням шару сцинтиляційного матеріалу на підкладку сцинтилятор поєднують з імерсійної середовищем (розчинник повністю не видаляється з поверхні частинок порошку сцинтилятора). При цьому концентрація порошку сцинтилятора становить 80-90 об. %. Потім отриману суміш рівномірно наносять на підкладку. Через 24 години відбувається полімеризація імерсійного середовища і повне випаровування залишків розчинника. Після цього елемент заданого розміру готовий до використання. Таблиця Тип детектора Елемент, що заявляється Інтенсивність сцинтиляційного сигналу Розмір при опроміненні альфа-випроміненням, частинок, мкм в.о. 180-200 1716 200-220 1879 220-240 1854 240-260 1703 Енергетична роздільна здатність, % ~30 Передостанній аналог 5-10 ~70 Прототип 25-40 40-120 120-200 до 100 25 30 35 Як видно з таблиці, у випадку елемента, що заявляється, максимальний сцинтиляційний сигнал досягається при розмірі частинок порошку сцинтилятора 200-240 мкм. Енергетична роздільна здатність елемента становить ~ 30 %, що дозволяє використовувати даний елемент не тільки в радіометричному, а й в спектрометричному режимах. Сцинтиляційний сигнал прототипу суттєво нижчий, що не дозволяє використовувати його як детектор альфа-часток. Передостанній аналог широко використовують в радіометричному режимі роботи, тоді як низька енергетична роздільна здатність (~ 70 %) не забезпечує спектрометрію. 241 На креслення, на якому зображено амплітудно-імпульсний спектр Аm, отриманий за допомогою сцинтиляційного елемента, що заявляється, чітко іроздільно реєструються сигнали 241 від альфа-часток Аm з середньою енергією 5,5 МеВ і гама-квантів з енергією близько 60 кеВ. Енергетична роздільна здатність піку від альфа-часток становить 30,5 %. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Спосіб виготовлення сцинтиляційного елемента для реєстрації альфа-часток, що включає змішування частинок сцинтиляційного матеріалу ZnSe встановленого розміру з імерсійним середовищем, який відрізняється тим, що попередньо подрібнюють і фракціонують частинки сцинтиляційного матеріалу в інертному неполярному розчиннику, отримані таким чином частинки порошку змішують з імерсійним середовищем з концентрацією порошку сцинтилятора в суміші 80-90 об. %, а отриману суміш наносять на прозору підкладку щільноупакованим шаром з ефективною товщиною сцинтилятора ~ 100 мкм при розмірі його частинок 200-240 мкм. 3 UA 103711 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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