Сцинтиляційний матеріал на основі йодистого кадмію

Реферат: Сцинтиляційний матеріал на основі йодистого кадмію, активованого домішкою марганцю, додатково містить домішку ВіI3. UA 90460 U (12) UA 90460 U UA 90460 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до сцинтиляційної техніки реєстрації і люмінесцентного перетворення іонізуючих випромінювань та може бути використана у сцинтиляційних детекторах. Відомий люмінесцентний матеріал із сцинтиляційними властивостями на основі CdI2:Cd [АС СРСР № 1568748, МПК G01T 1/202, 1988 p.] з максимумом люмінесценції на ділянці 680-690 нм 3 при збудженні рентгенівськими квантами. Цей кристалічний матеріал має густину 5,6 г/см та ефективний атомарний номер Zеф=52. Недоліком сцинтиляційного матеріалу є низький світловихід при кімнатній температурі та незадовільне оптичне узгодження з кремнієвим фотодіодом. Найближчим аналогом за технічною суттю є сцинтиляційний матеріал на основі йодистого кадмію, активований домішкою марганцю МnСl2 [Novosad S.S. Spectral and kinetic characteristics of luminescent converters on the bases of cadmium iodide / S.S. Novosad, I.S. Novosad, V.E. Goncharuk, L.V. Kostyk // Functional Materials. - 2004. - Vol. 11, №. 4. - P. 735-741]. Сцинтиляційний кристалічний матеріал CdI2:MnCl2 у разі рентгенівського збудження характеризується у 2-3 рази більшим світловиходом, ніж кристал CdI2:Cd, причому максимум спектра випромінювання зміщений на 10-15 нм в довгохвильову ділянку. При рентгенівському збудженні CdI2:MnCl2 характеризується активаторною люмінесценцією в широкому температурному інтервалі. Спектр рентгенолюмінесценції кристала CdI2:MnCl2 при 85 К представлений слабкою смугою на ділянці 400-600 нм, характерною для матриці, та 2+ інтенсивною смугою Мn -центрів з максимумом при 735 нм. З підвищенням температури до 295 К вихід свічення послаблюється приблизно в 2 рази, при цьому спостерігається зміщення максимуму активаторної смуги у ділянку 690-700 нм. В імпульсі сцинтиляцій інтегрального свічення CdI2:MnCl2 при 295 К спостерігаються короткий компонент τ13,4 нc свічення матриці та інерційний компонент з τ2450 мкc, пов'язаний з внутрішньоцентровими переходами в іонах 2+ Мn . Високий вихід рентгенолюмінесценції дозволяє використовувати кристали CdI2:MnCl2 з вмістом домішки 0,1-3,0 мол. % для виготовлення фотодіодних сцинтиляційних детекторів (система сцинтилятор-кремнієвий фотодіод). Коефіцієнт спектрального узгодження системи кристал СdI2:МnСl2-кремнієвий фотодіод для різних типів кремнієвих фотодіодів становить 0,720,93. Фотодіодні сцинтиляційні детектори на основі CdI2:MnCl2 мають в 2-3 більшу чутливість до рентгенівського випромінювання, ніж відомі аналогічні детектори на основі CsI:Tl. Детектори також характеризуються незалежності чутливості від інтенсивності рентгенівського збудження в широкому динамічному діапазоні та малим рівнем післясвічення (через 10 мс≤0,1 %). У разі рентгенівського збудження при 85 К сцинтиляційний матеріал CdI2:MnCl2 запасає чималу світлосуму на мілких і глибоких рівнях захоплення, відповідальних за піки термостимульованої люмінесценції при 112, 132, 170, 220 і 240 К. Зменшення інерційних втрат енергії збудження при запасанні світлосуми термостимульованої люмінесценції призводить до покращення рівня післясвічення сцинтиляційного матеріалу. Недоліками сцинтиляційного матеріалу CdI2:MnCl2 є те, що він характеризується недостатнім спектральним узгодженням з фотоприймачами на основі кремнію, має значне температурне гасіння люмінесценції і запасає чималу світлосуму на мілких і глибоких рівнях захоплення. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити сцинтиляційний матеріал на основі йодистого кадмію, активованого домішкою марганцю, шляхом введення в кристал додаткової домішки, що дозволить покращити спектральне узгодження з фотоприймачами на основі кремнію, зменшити температурне гасіння люмінесценції та запасання світлосуми при рентгенівському збудженні. Поставлена задача вирішується тим, що сцинтиляційний матеріал на основі йодистого кадмію, активованого домішкою марганцю, додатково містить домішку ВіІ 3 при наступному співвідношенні компонентів у вихідній шихті, мол. %: ВіI3 0,1-1,5 МnСl2 0,1-2,0 CdI2 решта. Довгохвильове зміщення максимуму смуги випромінювання СdI2:МnСl2,ВіІ3 спричинено утворенням у матеріалі твердого розчину заміщення. Послаблення ефективності температурного гасіння люмінесценції досягається за рахунок термостимульованих процесів 3+ 2+ делокалізації електронних збуджень іонів Ві на центри випромінювання Мn . Зменшення запасання світлосуми зумовлено тим, що введення в йодистий кадмій тривалентної ртутьподібної домішки вісмуту призводить до зменшення числа катіонних й аніонних вакансій, які є центрами захоплення носіїв заряду, відповідальних за термостимульовану люмінесценцію. 1 UA 90460 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Граничні межі концентрації домішок у кристалічному сцинтиляційному матеріалі CdI2:MnCl2,BiI3 вибрані експериментально і зумовлені отриманими спектральними характеристиками. Введення домішки МnСl2 в шихту менше 0,10 мол. % призводить до послаблення люмінесценції сцинтиляційного матеріалу в результаті зменшення концентрації 2+ Мn -центрів. Введення домішки МnСl2 у шихту більше 2,0 мол. % призводить до погіршення структури кристала, зменшення його прозорості. Введення домішки ВіІ 3 в кількості менше 0,1 мол. % призводить до зменшення зміщення максимуму спектра випромінювання у довгохвильову ділянку, збільшення температурного гасіння люмінесценції марганцю та зростання запасання світлосуми у процесі рентгенівського опромінення матеріалу при 85 К. Збільшення у шихті домішки ВіI3 більше 1,5 мол. % призводить до погіршення структури кристала, зменшення прозорості для випромінювання марганцю. У результаті чого знижується люмінесцентна ефективність сцинтиляційного матеріалу. Фіг. 1. Спектри люмінесценції сцинтиляційного матеріалу CdI2:MnCl2,BiI3 при збудженні рентгенівськими квантами при температурах 85 (1) і 295 К (2). Фіг. 2. Температурна залежність інтенсивності рентгенолюмінесценції (1) і крива термостимульованої люмінесценції CdI2:MnCl2,BiI3 після рентгенівського збудження при 85 К (2). Для одержання запропонованого монокристалічного сцинтиляційного матеріалу готують шихту CdI2 з домішками МnСl2 (0,1-2,0 мол. %) і ВіІ3 (0,10-1,5 мол. %) із загальною масою 70-80 -2 г. У кварцову ампулу з конічним дном засипають шихту і висушують її в умовах вакууму (0,510 -3 810 мм рт. ст.) при нагріванні до температури 150-180 °C продовж ~3,5 год. Потім ампулу запаюють і розміщують у верхній секції печі росту, де відбувається плавлення шихти і витримування розплаву продовж 20-30 хв. при температурі 400-420°С. Вирощування кристалів відбувається методом Бріджмена-Стокбаргера шляхом пропускання ампули через зону кристалізації при температурному градієнті 30-40 град/см. Після закінчення процесу росту ампулу з кристалом охолоджують до кімнатної температури зі швидкістю 30-40 град/год. Із вирощених кристалів шляхом сколювання отримують зразки у вигляді плоскопаралельних 3 пластин розміром приблизно 15×15×(0,5-2,0) мм . Хороша спайність шарів кристалів забезпечує можливість отримання методом сколювання якісних поверхонь, які не потребують подальшої обробки. Дослідження люмінесцентних властивостей кристалів здійснюють у металічному кріостаті в умовах вакууму. Спектри люмінесценції вимірюють за допомогою монохроматора СФ-4А з фотоелектронним помножувачем ФЕП-51. Криві термостимульованої люмінесценції реєструють фотопомножувачем ФЭУ-51. Сигнали із фотоелектронних помножувачів підсилюються підсилювачами постійного струму і подаються на двокоординатні реєструючі пристрої ПДА-1. Температуру кристалів вимірюють мідь-константановою термопарою. Як джерело рентгенівського випромінювання використовують рентгенівський апарат УРС-55А (трубка БСВ2Сu, U=A5 кВ, I=12 мА). При рентгенівському збудженні спектр випромінювання кристала CdI2:MnCl2,BiI3 за температури 85 К містить смугу марганцю при 745 нм (фіг. 1, крива 1). Підвищення температури кристала до 295 К призводить до зменшення інтенсивності випромінювання і зміщення його максимуму спектру до 722 нм (фіг. 1, крива 2). При кімнатній температурі сцинтиляційний матеріал CdI2:MnCl2,BiI3 за виходом люмінесценції практично не поступається прототипу. При підвищенні температури від 85 до 295 К інтенсивність випромінювання марганцю у матеріалі послаблюється приблизно на 40 % (фіг. 2, крива 1). У процесі рентгенівського збудження при 85 К CdI2:MnCl2,BiI3 запасає приблизно в 5 разів меншу світлосуму, ніж CdI2:MnCl2. На кривій термостимульованої люмінесценції спостерігається основний неелементарний пік при 115 К і низка слабких високотемпературних піків в інтервалі 150-275 К (фіг. 2, крива 2). Компенсація 3+ надлишкового заряду домішки Ві у йодистому кадмію досягається за рахунок пари вакансій в оточенні домішкового центра, одна з яких розміщена в сусідньому вузлі катіонної підґратки, а друга - в найближчому аніонному вузлі. У результаті утворення таких асоціатів домішкових і власних дефектів понижується концентрація ізольованих катіонних і аніонних вакансій, які є центрами захоплення носіїв заряду, відповідальних за запасання світлосуми термостимульованої люмінесценції. Отримані результати дослідження люмінесцентних характеристик сцинтиляційного матеріалу CdI2:MnCl2,BiI3 узгоджуються з результатами дослідження люмінесценції кристалів 3+ 2+ CdI2:Bi і CdI2:Mn [Кравчук И.М. Влияние примеси висмута на спектральные характеристики CdI2 / И.М. Кравчук, С.С. Новосад, А.М. Войцеховская // Неорганические материалы. - 2005. - Т. 41, № 7. - С. 886-891. Новосад С.С. Спектрально-кинетические характеристики активированных кристаллов йодистого кадмия / С.С. Новосад, Р.М. Турчак, О.Б. Кушнир, Я.А. Пастырский // Неорганические материалы. 2001. - Т. 37, № 8. - С. 1005-1009. Лыскович А.Б. Комбинационные 2 UA 90460 U 5 10 15 детекторы ионизирующего излучения на основе широкозонных слоистых кристаллов и кремниевых детекторов / А.Б. Лыскович, Б.А. Беликович, С.С. Новосад // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1990. - № 2. - С. 34-39.]. Перевагами сцинтиляційного матеріалу, що заявляється у порівнянні з найближчим аналогом є те, що він має краще спектральне узгодження з фотоприймачем на основі кремнію, характеризується меншим температурним гасінням люмінесценції марганцю та дуже слабким запасанням світлосуми. Це дає змогу використовувати CdI2:MnCl2,BiI3 як радіаційно стійкий люмінесцентний перетворювач рентгенівського випромінювання в пристроях неруйнуючого контролю у комбінованих детекторах типу сцинтилятор - фотодіод в розширеному діапазоні робочих температур (250-295 К) при стаціонарному і низькочастотному режимах збудження. Як перетворювачі іонізуючого випромінювання кристали на основі йодистого кадмію, володіючи достатньо високими значеннями густини і ефективного атомного номера, характеризуються значною ефективністю реєстрації іонізуючого випромінювання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Сцинтиляційний матеріал на основі йодистого кадмію, активованого домішкою марганцю, який відрізняється тим, що додатково містить домішку ВіІ3 при наступному співвідношенні компонентів у вихідній шихті, мол. %: ВіI3 0,1-1,5 МnСl2 0,1-2,0 CdI2 решта. 3 UA 90460 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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