Комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань

Реферат: Комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань має монокристалічну підкладку товщиною 4-5 мм, виконану з монокристалу Lu3Al5O12:Sc з концентрацією скандію 1,2 ат. %, та нанесену на неї монокристалічну плівку товщиною 12-20 мкм. Монокристалічна плівка виконана з гранату Lu3Al5O12:Pr з концентрацією празеодиму 0,03-0,05 ат. %. UA 120592 U (12) UA 120592 U UA 120592 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 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. 1990. - P. 967-972). Сцинтилятор складається із системи, однією складовою якої є монокристалічна плівка Y3Al5O12:Се для селективної реєстрації α- і β-частинок, іншою - монокристал Y3Al5O12:Sc для реєстрації у-квантів. Недоліком такого комбінованого сцинтилятора є те, що граничні значення товщини монокристалу сцинтилятора становлять 1,5-2,5 мм, що при значенні ефективного атомного 3 номера Zeф.=30 і густині ρ=4,55 г/см для Y3Al5O12 є недостатніми для реєстрації піку повного поглинання високоенергетичних у- квантів природних радіонуклідів. Найближчим за технічною суттю до запропонованого комбінованого сцинтилятора прототипом, є комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань [патент України на корисну модель № 115689 МПК (2006.01) G01T 1/20, G01T 1/202], що містить монокристалічну підкладку з нанесеною методом рідинно-фазної епітаксії 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. %. Недоліком сцинтилятора є те, що спектри люмінесценції його складових розміщені у різних ділянках спектра, що знижує ефективність сцинтиляцій одним фотоприймачем. Крім того, співвідношення часів загасання сцинтиляцій, що виникають при реєстрації іонізуючих випромінювань підкладкою LuAG:Sc (t1/e=250-300 нс) та плівкою LuAG:Ce (t1/e=40-50 не), яке дорівнює К=t1/e (підкладки) / t1/e (плівки) = 6-6,25 є недостатньо високим. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань шляхом використання сцинтиляційних матеріалів підкладки та плівки з близькими спектрами випромінювання та суттєво відмінними часами загасання сцинтиляцій, що дасть змогу покращити технічні характеристики пристрою для селективної реєстрації α-частинок та γ-випромінювання. Поставлена задача вирішується так, що комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань, що містить монокристалічну підкладку товщиною 4-5 мм, виконану з монокристалу Lu3Al5O12:Sc з концентрацією скандію 1,2 ат. %, та нанесену на неї монокристалічну плівку товщиною 12-20 мкм, причому монокристалічна плівка виконана з гранату Lu3Al5O12:Pr з концентрацією празеодиму 0,03-0,05 ат. %. Комбінований сцинтилятор - це єдина монокристалічна система з різкою межею між складовими сцинтилятора - підкладкою і нанесеною на неї плівкою, з близькими показниками заломлення, 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 (t1/e, α= 21-30 нc, t1/e, γ = 250-300 нс). + Уведення до монокристалічної плівки активатора Рr , що має коротший час загасання 3+ люмінесценції (t1/e=21-30 нс), порівняно із часом загасання люмінесценції активатора Се (t1/e=40-50 нс), забезпечує краще часове розділення люмінесценції підкладки із люмінесценцією монокристалічної плівки, а розміщення смуг люмінесценції підкладки (274 нм) та плівки (312 нм) в одній ділянці спектру забезпечує більш ефективну реєстрацію сцинтиляцій одним фотоприймачем. Збільшення концентрації празеодиму вище 0,05 ат. % призводить до перепоглинання люмінесценції активатору у монокристалічній плівці, знижує інтенсивність її свічення та збільшує час загасання люмінесценції t1/e, що призводить до зниження ефективності реєстрації іонізуючих випромінювань різних типів. Зменшення концентрації празеодиму менше 0,03 ат,% призводить до зменшення кількості центрів люмінесценції у монокристалічній плівці та зниження інтенсивності її свічення, що призводить до зменшення ефективності реєстрації іонізуючого випромінювання із малою проникною здатністю. З літературних джерел відомі сцинтилятори типу "фосвіч" для одночасної реєстрації α та γ складових іонізаційного випромінювання, проте автори вперше запропонували використати у пристрої матеріали з близькими спектрами, але суттєво-відмінними часами загасання сцинтиляцій, що відповідає критерію "новизна". 1 UA 120592 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Фіг. 1. Схематичне зображення комбінованого сцинтилятора, де 1 - монокристалічна підкладка Lu3Al5O12:Sc, яка реєструє γ кванти; 2 - монокристалічна плівка Lu3Al5O12:Pr, яка реєструє а частинки. Фіг. 2. Спектри катодолюмінесценції монокристалів Lu3Al5O12 легованих: 1 - празеодимом, 2 скандієм. Фіг. 3. Кінетика загасання сцинтиляцій, де 1 - при збудженні плівки сцинтилятора Lu3Al5O12: 239 Pr джерелом α-частинок Рu з енергією 5,15 МеВ, 2 - при збудженні підкладки сцинтилятора 137 Lu3Al5O12:Sc джерелом γ квантів Cs. Комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань містить 3+ монокристалічну підкладку 1 (фіг. 1) на основі монокристалу Lu 3Al5O12 легованого іонами Sc у концентрації 1,2 ат. % товщиною 4,0-5,0 мм, призначену для реєстрації високоенергетичної частини спектру X-випромінювання і γ-квантів, та монокристалічну плівку 2 на основі Lu3Al5O12, 3+ легованого іонами Рr у концентрації 0,03-0,05 ат. %, призначеної для реєстрації корпускулярних випромінювань з незначною проникною здатністю, зокрема альфа-частинок. Роботу комбінованого сцинтилятору можна простежити на такому прикладі. Комбінований сцинтилятор опромінюють з боку плівки 2 (фіг. 1) змішаним потоком іонізуючих випромінювань з різною проникною здатністю, наприклад, γ-квантами з високою проникною здатністю і αчастинками з низькою проникною здатністю. Плівка Lu3Al5O12:Pr, що поглинає α-частинки, випромінює люмінесценцію зі спектральним максимумом 310 нм і часом загасання 21-30 не, що проходить крізь підкладку 1 (фіг. 1) і реєструється фотоприймачем. γ-випромінювання проходить крізь плівку 2 і поглинається переважно підкладкою 1 із випромінюванням люмінесценції зі спектральним максимумом 274 нм і часом загасання 280-312 нс. Розміщення спектрів люмінесценції підкладки 1 та плівки 2 в одному спектральному діапазоні дає змогу ефективно реєструвати обидва види люмінесценції одним фотоприймачем. Сигнали від плівки і підкладки розділяються завдяки великому відношенню часів загасання сцинтиляцій підкладки і плівки, що становить 10-15. Отримання сцинтиляційного детектора полягає в наступному: Монокристал Lu3Al5O12:Sc діаметром 20-60 мм, призначений для виготовлення підкладки сцинтилятора, отримують з розплаву методом Чохральського або методом направленої кристалізації. З монокристалу цього гранату вирізають пластини заданої орієнтації, наприклад (111), (110) чи (100). Товщину підкладок визначають за енергією γ-квантів, що реєструються, але вона не повинна перевищувати 5 мм, що зумовлено обмеженнями у технології вирощування монокристалічної плівки рідинно-фазною епітаксією. Монокристалічну плівку Lu3Al5O12:Pr отримують рідинно-фазною епітаксією, при цьому горизонтально розміщену підкладку Lu3Al5O12:Sc занурюють на 20-40 хв. у переохолоджений розплав, розчинником в якому є суміш оксидів РbО-В2О3. Концентрацію відповідних кристалоутворюючих окислів (Lu2O3, Аl2О3, та Рr6О11) у розплаві вибирають такою, щоб температура його насичення знаходилась в межах (980-1050)°С та основною фазою, що кристалізується, була фаза граната. Одним з вирішальних факторів для отримання монокристалічних плівок Lu 3Al5O12:Pr з високим світловиходом є чистота вихідних реактивів, які використовуються для приготування розплавів. У таблиці наведені результати вимірювання положення максимумів спектрів 239 катодолюмінесценції та часів загасання сцинтиляцій при збудженні джерелом α-частинок Рu з енергією 5,15 МеВ складових комбінованих сцинтиляторів у складі підкладок Lu 3Al5O12:Sc (MK) та монокристалічних плівок Lu3Al5O12:Pr (МП) порівняно із зразками комбінованих сцинтиляторів у складі підкладок Lu3Al5O12:Sc та монокристалічних плівок Lu3Al5O12:Ce: t1/e (MK) - час загасання сцинтиляцій монокристалічної підкладки, t1/e (МП) - час загасання сцинтиляцій монокристалічної плівки, λ (МК) - довжина хвилі максимуму смуги люмінесценції монокристалічної підкладки, λ(МП) довжина хвилі максимуму смуги люмінесценції монокристалічної плівки. 2 UA 120592 U Таблиця № зразка Склад МП Склад МК LP2-LS1 LP3-LS2 LP5-LS3 LP7-LS4 Lu3Al5O12:Pr Lu3Al5O12:Pr Lu3Al5O12:Pr Lu3Al5O12:Pr Lu3Al5O12:Ce прототип Lu3Al5O12:Ce прототип Lu3Al5O12:Sc Lu3Al5O12:Sc Lu3Al5O12:Sc Lu3Al5O12:Sc С5 СЗ 5 10 15 Товщина t1/e (MK) t1/e (МП) плівки, мкм НС НС 12 312 22 21 312 21 17 312 23 7 312 30 t1/e (MK)/ t1/e (МП) 14,2 14,8 13,6 10,4 λ (MK) нм 274 274 274 274 λ (МП) нм 310 310 310 310 Lu3Al5O12:Sc 18 312 43 7,2 274 510 Lu3Al5O12:Sc 22 312 43 7,2 274 510 Запропоноване технічне рішення дає змогу досягти технічний результат, а саме: використання монокристалічної підкладки і монокристалічної плівки з близькими спектрами люмінесценції сцинтиляцій (274 нм та 310 нм) та суттєво покращити порівняно з прототипом величину співвідношення між часами загасання сцинтиляцій монокристалічної плівки LuAG:Pr (t1/e=21-30 нc) та підкладки Lu3Al5O12:Sc (t1/e=250-300 нc), яка дорівнює 10-15. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Комбінований сцинтилятор для реєстрації іонізуючих випромінювань, що містить монокристалічну підкладку товщиною 4-5 мм, виконану з монокристалу Lu3Al5O12:Sc з концентрацією скандію 1,2 ат. %, та нанесену на неї монокристалічну плівку товщиною 12-20 мкм, який відрізняється тим, що монокристалічна плівка виконана з гранату Lu3Al5O12:Pr з концентрацією празеодиму 0,03-0,05 ат. %. 3 UA 120592 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4