СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУСЛОЙНОГО ВОЛОКОННОГО СЦИНТИЛЛЯТОРА
METHOD OF OBTAINING TWO-LAYER FIBROUS SCINTILLATOR

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, конкретно к двуслойным волоконным сцинтилляторам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе сцинтилляционных волоконных детекторов для радиационного экологического мониторинга территории, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за ядерным топливом и изделиями из делящихся материалов, а также для создания антитеррористических комплексов радиационного контроля.
2
3
Известны методы получения монокристаллических волокон путем вытягивания из расплава: метод капиллярного формообразования, метод лазерной плавки, метод вытягивания вниз, метод подачи расплава под давлением, метод вытяжки в стеклянной оболочке [Кацуяма Т., Мацумура X. Инфракрасные волоконные световоды. - М.: Мир, 1992, стр.186-195]. Материалом для волокон служат галогенидные и оксидные кристаллы (AgBr, KCl, AlO(Cr) CsBr, CsI, KPC-5).
Но этими методами получают короткие, длиной несколько сантиметров волокна с различным диаметром по длине волокна, что приводит к потере сцинтилляционного излучения, а вследствие монокристаллической структуры они не подлежат изгибу. Кроме того, этими методами трудно получить двуслойное волокно.
2
5
12
2
3
3
3
Наиболее близким техническим решением является модифицированный метод микровытягивания вниз из расплава с использованием двойного тигля. Этим методом получают сердцевино-оболочечные, т.е. двуслойные монокристаллические волокна. Верхний тигель с капилляром обеспечивает разогрев материала сердцевины до температуры плавления растущего волокна, а нижний тигель служит для формирования оболочки данного волокна [T.Fukuda, P.Rudolph, S.Uda (Eds) «Fiber Crystal Growth from the Melt» Springer-Verlag, 2003, p.267-280]. Скорость вытягивания двуслойного волоконного сцинтиллятора 0,5-1,0 мм/мин (0,03-0,06 м/час). Материалом сердцевины служит YAlO, а оболочки AlO, либо сердцевина состоит из LiNbO, легированного марганцем (Mn), а оболочка выполнена из LiNbO. В волокнах наблюдается полоса люминесценции с максимумом спектра свечения на длине волны ~ 440 нм.
Методу присущи те же недостатки, а именно получаемые двуслойные монокристаллические волоконные сцинтилляторы длиной несколько см, нельзя изогнуть, т.к. они ломаются и имеют непостоянный диаметр, что приводит к потерям сцинтилляционного излучения. Кроме того, метод непроизводительный, т.к. скорость вытягивания волокна 0,03-0,06 м/час, трудно воспроизводим и требует значительных энергозатрат.
Задачей изобретения является разработка производительного, хорошо воспроизводимого энергосберегающего способа получения гибких длинных двуслойных волоконных сцинтилляторов с максимумом спектра свечения на длинах волн от 600 до 800 нм и геометрически правильной круглой сердцевиной и оболочкой.
2
Поставленная задача решается за счет того, что разогрев материала сердцевины и оболочки сцинтиллятора осуществляют при температуре 180-190°С, давлении 150-180 кг/см, а формирование структуры волокна методом экструзии ведут со скоростью 1,0-1,5 м/час, причем материал сердцевины сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%:
хлорид серебра
5,0-10,0
бромид серебра
87,5-85,0
иодид серебра
0,5-1,0
иодид одновалентного таллия
7,0-4,0,
а материал оболочки сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%:
хлорид серебра
18,0-20,0
бромид серебра
80,5-79,4
иодид серебра
0,1-0,5
иодид одновалентного таллия
0,5-1,0
x
y
1-x-y
Сцинтилляционные кристаллы AgClBrI(TlI) пластичны и не обладают эффектом спайности, поэтому из них получают методом экструзии волокна, т.е. выдавливанием волокон из монокристаллических заготовок через фильеру. Их длина до 50 м и более. Они гибкие - радиус изгиба до 5 мм. Двуслойные волоконные сцинтилляторы обладают геометрически правильной круглой сердцевиной и оболочкой по всей длине, что невозможно осуществить из указанных в прототипе оксидных сцинтилляторов.
Плотность сердцевины двуслойного волоконного сцинтиллятора больше чем в оболочке, из-за содержания T1I (4,0-7,0% по массе). Поэтому сцинтилляционное излучение преломляется на границе раздела сердцевина-оболочка и распространяется по сердцевине практически без потерь. Кроме того, указанное содержание T1I в волокне обеспечивает наличие полосы люминесценции с максимумом свечения на длинах волн от 600 нм до 800 нм.
2
2
Режимы экструзии - температура разогрева заготовок, давление и скорость процесса взаимосвязаны и подобраны экспериментальным путем для данного состава двуслойного волоконного сцинтиллятора. Если понижать температуру ниже 180°С, то чтобы осуществить процесс экструзии необходимо повысить давление более 180 кг/см, при этом скорость становится менее 1 м/час. В случае увеличения температуры более 190°С, давление процесса становится менее 15 кг/см при скорости более 1,5 м/час. При таких режимах получения двуслойного волоконного сцинтиллятора граница между сердцевиной и оболочкой становится размытой, что приводит к потере сцинтилляционного излучения.
Пример 1. Для сердцевины волокна подготовили монокристаллическую заготовку диаметром 3 мм, высотой 30 мм и составом, мас.%:
хлорид серебра 5,0
бромид серебра 87,5
иодид серебра 0,5
иодид одновалентного таллия 7,0,
которую вставили по центру в цилиндрическое отверстие монокристаллической заготовки для оболочки диаметром 10 мм, высотой 30 мм и составили, мас.%:
хлорид серебра 18,0
бромид серебра 80,5
иодид серебра 0,5
иодид одновалентного таллия 1,0
2
Заготовки поместили в контейнер, разогрели до 180°С и под давлением 180 кг/см выдавили 6,0 м двуслойного волоконного сцинтиллятора при скорости экструзии 1,0 м/час. Диаметры сердцевины волокна, размером 210 мкм, и оболочки, 700 мкм, имеют строго цилиндрическую форму по всей длине волоконного сцинтиллятора, в котором наблюдается полоса люминесценции с максимумом спектра свечения от 600 до 800 нм.
Пример 2. Эксперимент провели как в примере 1, но сердцевина и оболочка волоконного сцинтиллятора имели состав, мас.%:
сердцевина
оболочка
хлорид серебра
10,0
20,0
бромид серебра
85,0
79,4
иодид серебра
1,0
0,1
иодид одновалентного таллия
4,0
0,5
2
Режимы экструзии следующие: температура разогрева заготовок составляла 190°С, давление 150 кг/см при скорости выдавливания волокна через фильеру 1,5 м/час. Волоконный сцинтиллятор имеет четкую, круглую сердцевину и оболочку по всей длине, а максимум спектра свечения наблюдается в спектральном диапазоне от 600 до 800 нм.
2
Пример 3. Методом экструзии получили 6 м двухслойного волоконного сцинтиллятора со скоростью 1,3 м/час при температуре разогрева монокристаллических заготовок 185°С, давлении 170 кг/см. При этом состав сердцевины и оболочки содержит ингредиенты, мас.%:
сердцевина
оболочка
хлорид серебра
8,0
19,0
бромид серебра
86,0
80,0
иодид серебра
0,7
0,3
иодид одновалентного таллия
5,3
0,7
Волокно имеет свойство как в примере 1.
При выращивания монокристаллов, содержащих иодида одновалентного таллия более 7,0% по массе, кристаллы вырастают блочными и не пригодны для изготовления волоконного сцинтиллятора. В случае содержания в сердцевине волоконного сцинтиллятора иодида одновалентного таллия менее 4,0% по массе, происходит преломление сцинтилляционного излучения в оболочку из-за маленькой разности в показателях преломления сердцевина-оболочка, а следовательно, и потеря излучения.
Технических результат позволяет получать новое поколение гибких длинных двуслойных волоконных сцинтилляторов с максимумом спектра свечения от 600 до 800 нм. Структура двуслойного волокна обеспечивает передачу сцинтилляционного излучения практически без потерь за счет эффекта полного внутреннего отражения излучения в сердцевину волокна на границе раздела сердцевина-оболочка. Новые двуслойные волоконные сцинтилляторы востребованы для изготовления систем и комплексов для обнаружения радиационного излучения.