РАДИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области создания твердотельных самосветящихся люминофоров, состоящих из монофазных матриц, в которые вместе с ионами-люминофорами входят изотопы радиоактивных элементов.
Известен радиолюминесцентный источник оптических фотонов (RU 97111612, МПК G21H 3/02, опубл. 10.06.1999), содержащий сцинтиллирующее вещество и радиоактивное вещество, находящиеся в твердой фазе и образующие радиатор оптических фотонов. Радиатор оптических фотонов выполнен в виде световода-концентратора из сцинтиллирующего вещества с высокой оптической плотностью, причем радиоактивное вещество и сцинтиллирующее вещество распределены в радиаторе оптических фотонов гомогенно или упорядоченно гетерогенно. Распределенные гомогенно в радиаторе оптических фотонов радиоактивное вещество и сцинтилирующее вещество могут быть химически связаны.
Недостатком радиолюминесцентного источника является низкая радиационная и химическая стойкость.
x
y
z
a
b
c
Известна композиция для получения светопреобразующего материала (RU2319728, МПК С09К 11/08, С09К 11/77, С08К 13/06, опубл. 20.03.2008), включающая матрицеобразующий компонент и светопреобразующее соединение. В качестве светопреобразующего соединения композиция содержит люминофор формулы MeAR, где
Me - иттрий, лантан, церий, празеодим, европий, гадолиний, диспрозий, эрбий, иттербий, алюминий, висмут, марганец, кальций, стронций, барий, цинк, цезий;
А - церий, празеодим, европий, гадолиний, диспрозий, эрбий, иттербий, титан, марганец;
R - кислород, сера, фосфор, бор, ванадий, титан, алюминий, индий и/или их соединения друг с другом;
a, b и с обозначают заряд соответственно иона Me, А или R;
х - имеет значение ≥1; 1,0≥у≥0,0001, z - соответствует ax+by=cz. имеющий размеры частиц от 0,3 до 0,8 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
светопреобразующее соединение - люминофор с размером частиц 0,3-0,8 мкм
0,001-10,0
матрицеобразующий компонент
остальное.
63
Из-за присутствия в известной композиции Ni как источника бета-частиц при использовании такого радиолюминофора требуется более сложная защита от проникающей радиации, к тому же сам люминофор имеет малую радиационную стойкость.
63
Известен радиолюминесцентный источник оптического излучения (RU 169881, МПК G21H 1/12, опубл. 05.04.2017), который представляет собой гранулированный радиолюминофор с металлическими частицами радиоизотопа Ni со средним размером менее 3 мкм и содержанием более 0,1%, которые растворены в оптически прозрачном компаунде, выполненном в виде слоя толщиной 100-150 мкм.
63
Недостатками известного радиолюминесцентного источника являются низкая радиационная стойкость люминофора и необходимость использования более сложной защиты от проникающей радиации из-за присутствия Ni как источника бета-частиц.
2
2
5
3
90
148
241
232
137
238
Известен радиолюминесцентный источник оптического излучения (US 8294023, МПК H01L 31/00, Н01М 14/00, G21H 1/00, C09K 11/54, C09K 11/72, опубл. 23.10.2012), в котором внутри поликристаллических сцинтилляторов из группы CaF:Eu, ZnS:Ag, YSiO:Ce помещены радиоизотопные наночастицы из группы Н, Sr, Gd, Am, U, Cs, Pu. Эта сборка окружена дополнительным слоем поликристаллического сцинтиллятора.
Известный радиолюминесцентный источник имеет значительные габариты и небольшой срок службы из-за низкой радиационной стойкости используемых материалов.
Известно устройство для преобразования энергии ядерного распада (RU 2626324, МПК G21H 1/12, опубл. 26.07.2017), выполненное в виде чередующихся объемов радиоактивного материала и люминофора, при этом характерный размер объемов радиоактивного материала не превышает длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем или, по крайней мере, сравним с ним, а характерный размер объемов люминофора не меньше длины свободного пробега эмитируемых частиц в люминофоре.
В связи с использованием в известном устройстве бета-радиоактивного материала необходимо обеспечить дополнительную защиту от проникающей радиации, а окруженный (снаружи либо внутри) радиоактивным материалом люминофор подвержен быстрой деградации под воздействием частиц высоких энергий, испускаемых радиоактивным материалом.
Известен радиолюминесцентный источник оптического излучения (WO 2017054031, МПК G21H 1/00, G21H 1/12, H01L 31/00, опубл. 06.04.2017), в котором радиоактивное вещество в форме жидкости или в виде ядерного топливного стержня вместе с веществом-люминофором помещены в металлический контейнер. Контейнер имеет дополнительную защиту от радиоактивного излучения.
К недостаткам известного устройства можно отнести существенные габариты и высокую радиационную нагрузку на конструкционные материалы.
Известен радиолюминесцентный источник оптического излучения (ЕР 0476845, МПК G21H 3/02, G21H 3/00, опубл. 25.03.1992), в котором в качестве в качестве радиолюминесцентного источника используют радиоактивный элемент, заключенный в аморфный полупроводник. Радиолюминесцентный источник света содержит бета-излучающий радиоактивный элемент, такой как тритий, окклюдированный в матрице аморфного полупроводникового материала, такого как аморфный кремний, с легирующими добавками или без них. Матрица может служить в качестве собственного радиолюминесцентного источника света, или в качестве источника электронов для облучения отдельного люминофора.
Недостатком известного радиолюминесцентного источника является использование короткоживущего радионуклида (трития), а также радиационно-нестойкой матрицы (аморфного кремния).
Известен радиолюминесцентный источник оптического излучения (US 7482533, МПК H01L 31/00, опубл. 27.01.2009), имеющий сферическую сердцевину из радиоактивного материла, испускающего гамма- или бета-, или альфа-излучение, окруженную керамическим люминофором, так что керамический материал керамического люминофора используется для защиты и поглощения излучения.
Недостатком известного радиолюминесцентного источника оптического излучения является наличие разделительной границы между радиоактивным ядром и люминесцентным материалом, что приводит к энергетическим потерям и понижает радиационную стойкость всей конструкции.
Известен радиолюминесцентный источник оптического излучения (см. RU 207579, МПК G21H 1/04, опубл. 02.11.2021), совпадающий с настоящим техническим решение по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Радиолюминесцентный источник-прототип содержит защитный корпус, в котором заключен гранулированный радиолюминофор, легированный химическим элементом и допированный радиоизотопом, распределенный в слое оптически прозрачного компаунда. Гранулированный радиолюминофор выполнен из высокотемпературной кристаллической керамики на основе фосфата, допированной альфа-излучающим изотопом актиноида с содержанием (0,01-0,10) мас. % и легированной редкоземельным элементом с содержанием (1-2) мас. %.
Недостатком известного радиолюминесцентного источника-прототипа является его недостаточная твердость и сравнительно невысокая химическая и термическая стойкость из-за использования кристаллической керамики на основе фосфата.
Задачей настоящего технического решения является разработка радиолюминесцентного источника оптического излучения, который бы имел повышенную твердость, высокую химическую стойкость и долговременный срок эксплуатации.
238
Поставленная задача решается тем, что радиолюминесцентный источник оптического излучения включает защитный корпус, в котором размещен радиолюминофор, выполненный из монофазной высокотемпературной кристаллической керамики, легированный редкоземельным элементом и допированной плутонием Pu с содержанием (0,01-0,10) мас. %. Новым является то, что радиолюминофор выполнен из монолитной керамики на основе соединения циркония Zr, а защитный корпус выполнен прозрачным для оптического излучения.
4.
Высокотемпературная кристаллическая керамика на основе соединения циркония может быть выполнена из ортосиликата циркония ZrSiO
2
Высокотемпературная кристаллическая керамика на основе соединения циркония может быть выполнена из стабилизированного иттрием Y диоксида циркония ZrO.
3
3+
В качестве редкоземельного элемента может быть введен европий Ейи/или тербий Tb.
3+
Европий Euможет быть введен с содержанием (0,3-3,0) мас. %.
3+
Тербий Tbможет быть введен с содержанием мае. (1-4) мас. %.
238
Допирование монолитного радиолюминофора радиоизотопом плутония Pu с периодом полураспада 87,7 лет и энергией испускаемых α-частиц в тысячи кэВ обеспечивает более высокую удельную мощность источника излучения по сравнению с бета-частицами, требует меньшую толщину сцинтилляционного материала, что снижает собственное поглощение и паразитное рассеяние генерируемого света.
238
Выполнение радиолюминофора из монолитной монофазной высокотемпературной кристаллической керамики на основе соединения циркония Zr механически, химически и радиационно-стойкой, являющейся минералоподобной матрицей для иммобилизации радиоизотопа Pu, который изоморфно входит вместе с ионами-люминофорами в состав кристаллической матрицы, и легирующей примеси активных центров люминесценции, позволяет в значительно мере снизить аморфизацию и разрушение радиолюминофора под действием высоких дозовых нагрузок, что приводит к увеличению срока службы радиолюминесцентного источника оптического излучения.
238
Содержание альфа-излучающего радиоизотопа Pu (0,01-0,10) мас. % обусловлено тем, что при содержании менее 0,01 мас. % снижается интенсивность радиолюминесценции. При содержании альфа-излучающего изотопа актиноида более 0,10 мас. % снижается экологическая безопасность, и ограничиваются условия его применения.
3+
3+
3+
Содержание европия Eu(0,3-3,0) мас. % обусловлено тем, что при содержании европия Euменее 0,3 мас. % снижается интенсивность радиолюминесценции. При содержании европия Euболее 3,0 мас. % происходит подавление люминесценции и снижение ее интенсивности.
3+
3+
3+
Содержание тербия Tb(1-4) мас. % обусловлено тем, что при содержании европия тербия Tbменее 1 мас. % снижается интенсивность радиолюминесценции. При содержании тербия Tbболее 4 мас. % происходит подавление люминесценции и снижение ее интенсивности.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически изображен настоящий радиолюминесцентный источник оптического излучения;
4
на фиг. 2 в таблице 1 показана зависимость интенсивности самосвечения от концентрации активаторных ионов, плутония керамики на основе ортосиликата циркония ZrSiO;
2
на фиг. 3 в таблице 2 показана зависимость интенсивности самосвечения от концентрации активаторных ионов, плутония керамики на основе стабилизированной иттрием Y, из диоксида циркония ZrO;
4
238
3+
на фиг. 4 приведен спектр самосвечения монолитной керамики на основе ортосиликата циркония ZrSiO с плутонием Pu и активатором - тербием Tb;
238
3+
3+
на фиг. 5 представлен спектр люминесценции диоксида циркония с плутонием Pu и двумя соактиваторами - тербием Tbи европием Eu;
2
3+
3+
238
на фиг. 6 приведена фотография самосвечения монолитной керамики, стабилизированной иттрием Y, из диоксида циркония ZrO, легированной европием Euи тербием Tb, и допированной радиоизотопом плутония Pu.
4
2
2
3
2
238
3+
3+
Настоящий радиолюминесцентный источник оптического излучения (см. фиг. 1) включает защитный корпус 1, прозрачный для оптического излучения, в котором расположен радиолюминофор 2, выполненный из монолитной монофазной высокотемпературной кристаллической керамики на основе соединения циркония Zr, например, из ортосиликата циркония ZrSiO или из стабилизированного иттрием Y диоксида циркония ZO. Радиолюминофор 2 допирован плутонием Pu с содержанием (0,01-0,10) мас. %, и легированной редкоземельным элементом, например, европием Euс содержанием (0,3-3,0) мас. % или тербием Tbс содержанием (1-4) мас. %. Защитный корпус 1 снабжен крышкой 3 и может быть выполнен, например, из монокристаллического корунда AlO или фианита (Zr,Y)O.
Настоящий радиолюминесцентный источник оптического излучения изготавливают следующим образом.
4
4
2
2
4
8
20
4
3
2
238
Был проведен синтез таких самосветящихся соединений как ZrSiO:Tb, Pu; ZrSiO:Eu,Tb,Pu; (структура циркона, твердость по шкале Мооса - 7,5) и (Zr,Y)O:Eu, Pu; (Zr,Y)O:Eu,Tb,Pu (кубическая модификация, твердость по шкале Мооса - 8,0). Автономные радиолюминесцентные источники оптического излучения со структурой циркона были получены в виде монофазной керамики. Для синтеза керамики на основе циркона ZrSiO применяли золь-гель процесс с использованием нитратного общего раствора Zr, Eu, Tb, Pu и желирующего агента (источника кремния) в виде тетраэтоксисилана SiCHO. После желирования раствора в течение 2 суток твердый гель подвергался сушки при 60°С в течение 6 часов, и далее прокаливался на воздухе при 600°С в течение 1 часа. Полученный материал перетирали в агатовой ступке, затем подвергали холодному прессованию. Отпрессованные таблетки спекали на воздухе при 1500°С в течение 3 часов. Рентгенофазовым анализом было подтверждено, что монофазные керамические таблетки соответствовали ортосиликату циркония. Получению высокотемпературной кубической модификации оксида циркония способствовала стабилизация этой структуры оксидом иттрия. Для гомогенного распределения в керамике из диоксида циркония всех вводимых компонентов применяли совместное осаждение их из раствора. Смешивали растворы цирконилнитрата ZrO(NO) и нитратов иттрия и редких земель. Затем избытком гидроксида аммония из этого раствора осаждали осадок гидратированных гидратов циркония и активаторов. Осадок отфильтровывали, высушивали, спекали при 600°С, перетирали в агатовой ступке, затем подвергали холодному прессованию. Отпрессованные таблетки отжигали на воздухе при 1500°С в течение 6 часов. Рентгенофазовым анализом было подтверждено, что монофазные керамические таблетки соответствовали кубической модификации диоксида циркония. Во все керамические образцы Pu добавляли на стадии синтеза шихты совместно с редкоземельными активаторами (Eu, Tb). Работы с исходными плутонийсодержащими препаратами осуществляли в перчаточном боксе. Исследование состава синтезированных материалов проводили методом рентгеноспектрального микроанализа с использованием микроанализатора Camebax фирмы САМЕСА.
4
4
2
2
3+
4+
3+
4+
3+
4+
3+
4+
Пример 1. Были изготовлены самосветящиеся керамические таблетки циркона, в состав которого входили тербий и плутоний. Спектры самосвечения керамики на основе циркона ZrSiO:Tb,Pu, ZrSiO:Eu,Puи керамики из диоксида циркония (Zr,Y)O:Tb,Pu, (Zr,Y)O:Eu,Puрегистрировали спектрометром на специальном оптическом стенде. Зависимость интенсивности самосвечения от концентрации активаторных ионов и плутония продемонстрирована на фиг. 2 и фиг. 3.
238
3+
3+
3+
3+
238
Пример 2. Для увеличения интенсивности люминесценции самосветящихся образцов использовали введение в эти люминофоры наряду с Pu не одного, а двух ионов-активаторов. Так, для усиления свечения в красной области спектра в шихту вводили одновременно ионы тербия Tbи европия Eu. В данной паре тербий являлся сенсибилизатором для европия. В соактивированных образцах интенсивность люминесценции европия в 2 раза выше, чем в образцах, активированных одним европием. На фиг. 4 представлен спектр люминесценции циркона с плутонием и активатором - тербием, а на фиг. 5 спектр люминесценции диоксида циркония с плутонием и двумя соактиваторами - тербием Tbи европием Eu. При оптимально подобранных соотношениях компонентов в оксиде циркония максимальное свечение наблюдается у европия, при этом тербия как примесного иона в спектре не наблюдается (фиг. 6). Во всех образцах с высоким световыходом достаточно было использовать такое количество радионуклида (Pu), что какой-либо специально усиленной защиты от излучения не требовалось.