Комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань

Реферат: Комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань, що містить монокристалічну підкладку з нанесеною монокристалічною плівкою, причому монокристалічна підкладка товщиною 4-5 мм виконана з монокристалу Lu3Al5O12:Sc з концентрацією скандію 1,2 ат. %, а монокристалічна плівка товщиною 12-20 мкм виконана з монокристалу Lu3Al5O12:Се з концентрацією церію 0,03-0,05 ат. %. UA 115689 U (54) КОМБІНОВАНИЙ СЦИНТИЛЯТОР ДЛЯ РЕЄСТРАЦІЇ ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ UA 115689 U UA 115689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі матеріалознавства, а саме до сцинтиляційних матеріалів, які використовуються при виготовленні детекторів для реєстрації іонізуючих випромінювань у промисловості, системах контролю за переміщенням вантажів, медицині, геології, космічних дослідженнях, тощо. Відомий сцинтиляційний детектор іонізуючих випромінювань та спосіб його отримання [патент на винахід України № UA 5443 С1, МПК G01Т1/20], що містить прозору тверду підкладку з нанесеною плівкою зі сцинтиляційного матеріалу на основі органічної молекулярної речовини. Недоліком сцинтиляційного детектора є те, що його неможливо використовувати в агресивних середовищах та при високих температурах (понад 100 °С). Найближчим за технічною сутністю до запропонованого комбінованого сцинтилятора прототипом, є комбінований сцинтилятор типу "фосвіч" для реєстрації змішаних іонізуючих потоків з різною проникною здатністю (Zorenko Yu. V. Epitaxial structures of garnets as scintillation detectors of ionizing radiation /Yu.V. Zorenko [et all] //Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 52, No. 6. June 1990. -P. 967-972). Сцинтилятор складається зі системи, однією складовою якої є монокристалічна плівка Y3Al5O12:Ce для селективної реєстрації α- і βчастинок, іншою - монокристал Y3Al5O12:Sc для реєстрації γ-квантів. Недоліком такого комбінованого сцинтилятора є те, що граничні значення товщини монокристалу сцинтилятора становлять 1,5-2,5 мм, що при значенні ефективного атомного номера Zeф=30 і густині ρ = 4,55 г/см для Y3Al5O12 є недостатніми для реєстрації піку повного поглинання високоенергетичних γ-квантів природних радіонуклідів. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити комбінований сцинтилятор іонізуючих випромінювань шляхом використання як матеріалу підкладки - монокристал Lu3Al5O12:Sc з концентрацією скандію 1,2 ат. %, а як матеріал плівки - монокристалічну плівку Lu3Al5O12:Ce з концентрацією церію 0,03-0,05 ат. %, що дасть змогу реєструвати альфа частинки і гамма-кванти, як низько -, так і високоенергетичні. Поставлена задача вирішується так, що комбінований сцинтилятор іонізуючих випромінювань, що містить монокристалічну підкладку з нанесеною монокристалічною плівкою, при чому монокристалічна підкладка товщиною 4-5 мм виконана з монокристалу Lu3Al5O12:Sc з концентрацією скандію 1,2 ат. %, а монокристалічна плівка товщиною 12-20 мкм виконана з монокристалу Lu3Al5O12:Ce з концентрацією церію 0,03-0,05 ат. %. Комбінований сцинтилятор - це монолітна система з різкою межею розділу між складовими сцинтилятора - підкладкою і нанесеною на неї плівкою, з близькими показниками заломлення і рівномірним розподілом легуючої домішки, що дає змогу практично повністю усунути втрати світла на межі контакту складових сцинтилятора та підвищити селективність реєстрації парціальних складових змішаних іонізуючих випромінювань. Реєстрація сигналів здійснюється шляхом визначення часів загасання сцинтиляційних сигналів (τ α=40-50 нс, τγ=250-300 нс). 3 Використання матеріалу Lu3Al5O12 (Zeф=63, ρ=6,67 г/см ) дає змогу суттєво збільшити поглинання високоенергетичних γ-квантів природних радіонуклідів при відносно малих розмірах комбінованого сцинтилятору. З літературних джерел відомі сцинтилятори типу "фосвіч" для одночасного виділення α та γ складових іонізаційного випромінювання, проте автори вперше запропонували використати у пристрої матеріал гранату Lu3Al5O12 з іншими фізичними властивостями, що відповідає критерію "новизна". Фіг. 1. Схематичне зображення комбінованого сцинтилятора, де 1 - монокристалічна підкладка Lu3Al5O12:Sc, яка реєструє γ кванти; 2 - монокристалічна плівка Lu3Al5O12:Се, яка реєструє α-частинки. Фіг. 2. Кінетика загасання сцинтиляцій, де 1 - при збудженні плівки сцинтилятора 239 Lu3Al5O12:Ce джерелом α-частинок Рu з енергією 5,15 МеВ, 2 - при збудженні підкладки 137 сцинтилятора Lu3Al5O12:Sc джерелом γ квантів Cs. Комбінований сцинтилятор - це цілісна монокристалічна структура (фіг. 1), яка складається з 3+ компонента 1 на основі монокристалу Lu3Al5O12 легованого іонами Sc у концентрації 1,2 ат. % товщиною 4,0-5,0 мм, який призначений для реєстрації високоенергетичної частини спектру рентгенівського випромінювання і γ-квантів, і плівкового епітаксійного компонента 2 на основі + монокристалічної плівки Lu3Al5O12, легованої іонами Се у концентрації 0,03-0,05 ат. %, призначеного для реєстрації корпускулярних випромінювань з незначною проникною здатністю, зокрема альфа-частинок. Отримання сцинтиляційного детектора полягає в наступному: Монокристали Lu3Al5O12:Sc діаметром 20-60 мм, які призначені для виготовлення підкладки сцинтилятора, отримують з розплаву методом Чохральського або методом зонної плавки направленої кристалізації. З монокристалу цього гранату вирізають пластини заданої орієнтації, 1 UA 115689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 наприклад (111), (110) чи (100). Товщина підкладок визначається енергією γ-квантів, що реєструються, але не перевищує 5 мм, що зумовлено обмеженнями в технології вирощування монокристалічної плівки методом рідинно-фазної епітаксії. Монокристалічні плівки Lu3Al5O12:Ce отримують методом рідинно-фазної епітаксії, який полягає в ізотермічному зануренні на 20-40 хв. горизонтально розміщеної підкладки Lu3Al5O12:Sc у переохолоджений розплав, розчинником в якому є суміш РbО-В2О3. Концентрацію відповідних кристалоутворюючих окислів (Lu2O3, Аl2О3, та СеО2) у розплаві вибирають такою, щоб температура його насичення знаходилась в межах (980-1050) °С і основною фазою, що кристалізується, була фаза граната. Основні вимоги до розплаву є наступними: можливість досягнення значних переохолоджень (до 50 °С) без ризику виникнення спонтанної кристалізації; невелика в'язкість, що дозволяє легко усувати залишки розчин-розплаву з поверхні монокристалічної плівки; температура насичення повинна знаходитись у межах (980-1050) °C, що необхідно для мінімізації впливу компонентів розчинника на оптичні властивості монокристалічної плівки; розплав повинен забезпечувати слабку залежність властивостей монокристалічної плівки від ростових режимів; складові розчинника розплаву повинні мати низькі коефіцієнти входження у склад монокристалічної плівки. Ці вимоги задовольняються шляхом оптимізації основних емпіричних співвідношень, які характеризуються такими молярними коефіцієнтами: Z1=PbO/B2O3; Z2=Lu2O3/Al2O3; Z3=Lu2O3+Al2O3+CeO2/PbO+B2O3+Lu2O3+Al2O3+CeO2; Z4=CeO2/Lu2O3+Al2O3+CeO2. Експериментально встановлено оптимальні значення цих коефіцієнтів, при цьому: Z1=11-12; Z2=0,25-0,30; Z3=0,025-0,035; Z4=0,1-0,12. Вибір величини Z1 визначає оптимальні кінематичні характеристики розплаву і задовільну розчинність кристалоутворюючих окислів. Величина Z2 визначає гранатову фазу як основну при вирощуванні монокристалічної плівки. Вибір молярних співвідношень Z 3 і Z4 безпосередньо пов'язаний з оптимізацією світлового виходу. Вибір оптимальних ростових параметрів визначається компромісним рішенням: з одного боку температура росту Т р повинна бути достатньо низькою для забезпечення високого коефіцієнта входження іонів церію, а з другого боку - достатньо високою для мінімізації входження іонів свинцю як компонентів флюсу. Для вирощування якісних монокристалічних плівок Lu3Al5O12:Ce з високим світловиходом оптимальним діапазоном температур є Т р=(970-990) °С з відповідними Т н=(990-1020) °С. Використання розплавів з вищими значеннями Т н є недоцільним, оскільки не призводить до помітного збільшення світловиходу. Найбільш оптимальними з точку зору величини світловиходу і структурної досконалості монокристалічної плівки є режими росту плівок зі швидкістю 0,2-0,6 мкм/хв. Для усунення різниці товщини у центрі та по краях монокристалічної плівки встановлюють оптимальну швидкість обертання ω = 70 об/хв. з періодом реверсу 2 с. Одним з вирішальних факторів для отримання монокристалічних плівок Lu 3Al5O12:Ce з високим світловиходом є чистота вихідних реактивів, які використовуються для приготування розплавів. Результати вимірювання відносного світловиходу сцинтиляцій зразків складових матеріалів 239 комбінованого сцинтилятора при збудженні джерелом α-частинок Рu з енергією 5,15 МеВ, а також час загасання еталонного зразка сцинтилятора на основі монокристалічної плівки Y3Al5O12:Ce зі світловиходом 360 фотон/МеВ наведені у Таблиці 1. 50 2 UA 115689 U Таблиця 1 N4 Вміст Склад активуючого Підкладка матеріалу окислу Y3Al5O12:Ce 10 Y3Al5O12 S2 Lu3Al5O12:Sc 1.2 C3 С4 С5 Lu3Al5O12:Ce Lu3Al5O12:Ce Lu3Al5O12:Ce 10 10 10 No зразка 5 10 15 Розміри зразка 2 1*1 см 2 0,5*0,5 см h=0,1 см 2 Lu3Al5O12:Sc 0,5*0,5 см 2 Lu3Al5O12:Sc 0,5*0,5 см 2 Lu3Al5O12:Sc 0,5*0,5 см Товщина плівки, мкм 45 100 Час загасання сцинтиляцій t1/et1/20, нс 57/171 0 125 262/917 22 26 18 130 120 125 43/140 48/213 43/262 Світловихід % Запропоноване технічне рішення дає змогу досягти передбачуваний технічний результат, а саме: суттєва різниця у кінетиці загасання сцинтиляцій монокристалічної плівки LuAG:Ce (t1/e=40-50 нс) та монокристалічної підкладки Lu3Al5O12:Sc (t1/e=250-300 нс) дає змогу комплектувати на їхній основі комбінований сцинтилятор типу "монокристалічна плівкапідкладка" для селективної реєстрації альфа частинок і гамма-квантів, як низько-, так і високоенергетичних. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань, що містить монокристалічну підкладку з нанесеною монокристалічною плівкою, який відрізняється тим, що монокристалічна підкладка товщиною 4-5 мм виконана з монокристалу Lu3Al5O12:Sc з концентрацією скандію 1,2 ат. %, а монокристалічна плівка товщиною 12-20 мкм виконана з монокристалу Lu3Al5O12:Се з концентрацією церію 0,03-0,05 ат. %. 3 UA 115689 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4