СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР НА ОСНОВЕ ГАЛОГЕНИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Полезная модель относится к новым сцинтилляционным детекторам на основе кристаллического бромида лантана, легированного церием. Новый детектор может быть использован для регистрации ионизирующего излучения - гамма квантов, рентгеновского излучения, космических излучений, элементарных частиц в экспериментальной физике, астрофизике, технических и медицинских приложениях. Широкое использование сцинтилляторов (преобразователей ионизирующего излучения в световые сигналы) в физике элементарных частиц, ядерной физике, астрофизике, медицинской диагностике, геологической разведке полезных ископаемых и других областях науки и техники требует разработки новых эффективных сцинтилляционных материалов. На протяжении многих лет ведется поиск «идеального» сцинтиллятора, который, как известно, должен иметь большую эффективность преобразования ионизирующего излучения в свет (высокий световыход), высокую энергетическую разрешающую способность, быстрый фронт нарастания свечения и малое время высвечивания, высокую плотность, высокую радиационную стойкость.
3
В настоящее время наиболее эффективным материалом, отвечающим этим требованиям, является бромид лантана, легированный церием. По целому ряду параметров: (высокий световыход, малое время высвечивания, рекордное энергетическое разрешение) LaBr:Ce превосходит все известные преобразователи ионизирующего излучения. Для решения различных задач сцинтилляционный материал может использоваться как в виде поликристаллического порошка, уплотненного либо прессованием, либо спеканием, либо смешением со связующим, так и в виде монокристалла. Однако процесс изготовления сцинтилляционного монокристалла: выращивание монокристалла, его резка и шлифовка, связан с большим риском образования механических дефектов (трещин, сколов). В наибольшей степени это относится к монокристаллам большого диаметра. С другой стороны, внешние воздействия, разрушающие сцинтилляционный монокристалл, могут возникать и в процессе эксплуатации в виде вибраций
В зависимости от области применения используются кристаллические сцинтилляторы разных диаметров. Например, для построения изображений излучающих объектов в различных областях техники и медицине используются матрицы, состоящие из монокристаллических сцинтилляторов прямоугольного сечения размером 1-10 мм. Для применений в области мониторинга окружающей среды, дефектоскопии, каротажа скважин при разведке полезных ископаемых, таможенном досмотре используются монокристаллы диаметром 15-75 мм. Для получения оптимальных сцинтилляционных характеристик длина кристалла должна быть равна его диаметру.
Изготовление таких монокристаллических сцинтилляторов - длительный, трудоемкий и затратный процесс. Повышение механической прочности кристалла имеет принципиально важное значение, поскольку приводит к увеличению выхода пригодных для использования кристаллов.
1-x
x
3
1-x
x
3
3
Известны сцинтилляционные материалы состава LnCeBr и LnCeCl, где Ln - один лантаноид или смесь нескольких лантаноидов, x - мольная доля церия, а также детекторы излучения на основе этих сцинтилляционных материалов. (WO 01/60944 от 23.08.2001 и WO 01/60945 от 23.08.2001). Для наиболее широко используемого из указанных соединений LaBr(Ce) характерно малое время высвечивания (не более 25 нсек) и высокое энергетическое разрешение, достигающее ~3% для линии 662 КэВ.
(1-y)
y
3
(1-y)
y
3
Известны сцинтилляционные кристаллы, имеющие формулу LnCeX:M, где LnCeX - состав матрицы сцинтилляционного материала, Ln - один или более элементов, выбранных из группы редкоземельных элементов, X - один или более элементов из группы галогенов, M - легирующая добавка к матрице материала, которая представляет собой один или более элементов, выбранных из группы Li, Na, K, Rb, Cs, Al, Zn, Ga, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Ge, Ti, V, Cu, Nb, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pb, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, TI и Bi (Заявка US 2008/0067391, МПК G01T 1/202 (2006.01). Сцинтилляционный кристалл и детектор излучения. Опубликовано 20.03.2008).
Введение в матрицу кристалла перечисленных выше элементов повышает эффективность регистрации свечения обычно используемыми фотоумножителями с бищелочным (bialkali) фотокатодом, так как смещает максимум спектра излучения сцинтиллятора в область больших длин волн - в область максимальной чувствительности фотоумножителя.
Одним из недостатков разработанных сцинтилляционных кристаллов является их высокая хрупкость, обусловливающая растрескивание кристалла при создании в нем относительно небольшой механической деформации, которая может возникать вследствие вибраций, перепадов температур, сотрясений и т.д
Для исключения этого недостатка известно устройство, описанное в патенте RU №100837 (G01T 1/164, опубликован: 27.12.2010) заявлен сцинтиллятор, содержащий чувствительный сцинтилляционный элемент, герметичный алюминиевый чехол, защищающий сцинтиллятор от внешней влаги с выходным кварцевым окном и светоотражающую уплотняющую прокладку.
Однако недостатком этого устройства является необходимость формирования на чувствительном элементе сцинтилляционного детектора дополнительной оболочки по следующим причинам: а) кванты ионизирующих излучений могут задерживаться оболочкой, не пропуская их к чувствительному элементу, за счет чего чувствительность и энергетическое разрешение детектора будут снижаться; б) сама по себе оболочка под действием ионизирующих излучений может модифицироваться или разрушаться, вызывая нестабильность параметров детектора; в) дополнительная технологическая операция по нанесению оболочки вызывает дополнительные затраты ресурсов, удорожая себестоимость детектора.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в упрощении его конструкции устранением упрочняющих оболочек с достижением необходимого уровня стабильности параметров сцинтилляционного детектора на основе галогенидов редкоземельных металлов по отношению к внешним воздействиям посредством использования сцинтилляционного элемента с повышенным сопротивлением к растрескиванию с одновременным сохранением его высоких сцинтилляционных характеристик.
(1-m)
m
(3-2k)
k
-4
-4
Для достижения этого результата в сцинтилляционном детекторе на основе галогенидов редкоземельных металлов, содержащем чувствительный сцинтилляционный элемент, герметичный алюминиевый чехол, защищающий сцинтиллятор от внешней влаги с выходным кварцевым окном и светоотражающую уплотняющую прокладку в качестве сцинтилляционного элемента используется бромид лантана с добавлением церия и кислорода состава: LaCeBrO, где m мольная доля церия, замещающего лантан, k - мольная доля кислорода, замещающего Br, где k больше или равно 1,5×10, но меньше или равно 8,5×10
-4
-4
В заявляемом устройстве на поверхности чувствительного элемента отсутствуют дополнительные оболочки. А повышение трещиностойкости кристаллов на основе галогенидов редкоземельных металлов без ухудшения их сцинтилляционных характеристик достигается формированием в этих кристаллах контролируемого содержания кислорода. Многочисленные эксперименты по влиянию содержания кислорода на светоизлучательные и механические характеристики галогенидов редкоземельных металлов на основе бромида лантана показали, что эти условия выполняются, если мольное содержание кислорода, замещающего бром, не превышает или равно 1,5×10, но меньше или равно 8,5×10.
(1-m)
m
(3-2k)
k
-4
-4
Заявляемая полезная модель содержит чувствительный сцинтилляционный элемент (1), герметичный алюминиевый чехол (2), защищающий сцинтиллятор от внешней влаги с выходным кварцевым окном (3), светоотражающую уплотняющую прокладку (4) отличающийся тем, что сцинтилляционный элемент имеет состав LaCeBrO, где m мольная доля церия, замещающего лантан, k - мольная доля кислорода, замещающего бром, причем к больше или равно 1,5×10, но меньше или равно 8,5×10.