Композиция сцинтиллятора, устройство детектора излучения и способ регистрации высокоэнергетического излучения
SCINTILLATOR COMPOSITION, RADIATION DETECTOR DEVICE AND HIGH-ENERGY RADIATION RECORDING METHOD

Область техники
3+
Примеры воплощения объекта изобретения, раскрытого в тексте данного описания, в общем относятся к соединениям-сцинтилляторам, более конкретно к активированным Сесмешанным галогенидам со структурой эльпазолита.
Уровень техники
Материалы-сцинтилляторы обычно применяют в качестве компонента детекторов излучения для гамма-излучения, рентгеновского излучения и частиц, характеризуемых уровнем энергии выше чем примерно 1 кэВ. Кристалл сцинтиллятора объединяют со средствами регистрации света, то есть с фотодетектором. Когда фотоны из источника радионуклида соударяются с кристаллом, кристалл излучает свет. Фотодетектор производит электрический сигнал, пропорциональный числу полученных световых импульсов и их интенсивности.
Было обнаружено, что сцинтилляторы полезны для применений в химии, физике, геологии и медицине. Конкретные примеры применений включают устройства для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), для каротажа скважин в нефтяной и газовой промышленности и различных применений с цифровым отображением. Сцинтилляторы также исследуют в отношении применения в детекторах для систем безопасности, например в детекторах источников радиации, которые могут указать присутствие радиоактивных материалов в грузовых контейнерах.
Для всех этих областей применения состав сцинтиллятора связан с характеристиками устройства. Необходимо, чтобы сцинтиллятор был восприимчив к возбуждению рентгеновским и гамма-излучением. Кроме того, сцинтиллятор должен обладать рядом характеристик, которые улучшают регистрацию радиации. Например, большинство материалов сцинтилляторов обладают высоким световым выходом, коротким временем послесвечения, высокой «задерживающей способностью» и приемлемым разрешением по энергии. Кроме того, также могут быть важными и другие свойства в зависимости от того, как используют сцинтиллятор, что описано ниже.
В течение многих лет применяли различные материалы сцинтилляторов, которые обладают большинством или всеми этими свойствами. Примеры включают такие соединения, как активированный таллием иодид натрия (NaI(Tl)); германат висмута (ВГО); легированный церием ортосиликат гадолиния (ГСО); легированный церием ортосиликат лютеция (ЛСО); и активированные церием лантанид-галогениды. Каждый из этих материалов имеет свойства, которые пригодны для определенных применений. Однако многие из них также обладают некоторыми недостатками. Обычными проблемами являются низкий световой выход, физическая непрочность и невозможность получать монокристаллы больших размеров и высокого качества. Имеются также и другие недостатки. Например, активированные таллием материалы являются очень гигроскопичными, а также могут давать значительное и устойчивое послесвечение, которое может препятствовать функционированию сцинтиллятора. Кроме того, недостатком материалов ВГО может быть значительное время послесвечения и низкий световой выход. С другой стороны, материалы ЛСО являются дорогими, а также могут содержать радиоактивные изотопы лютеция, что также может мешать функционированию сцинтиллятора.
В общем, специалисты, заинтересованные в получении оптимальной композиции сцинтиллятора для детектора радиации, имели возможность сделать обзор различных указанных выше свойств и таким образом выбрать наилучшую композицию для конкретного устройства. Например, необходимо, чтобы композиции сцинтиллятора для применений при каротаже скважин могли функционировать при высоких температурах, в то время как сцинтилляторы для устройств позитронно-эмиссионной томографии часто должны обладать высокой задерживающей способностью. Однако в целом требуемый уровень характеристик для большинства сцинтилляторов продолжает повышаться с увеличением сложности и многообразия всех детекторов радиации.
Таким образом, должно быть понятно, что новые материалы сцинтилляторов могут представлять значительный интерес, если они могут удовлетворять постоянно возрастающим требованиям для коммерческого и промышленного применения. Материалы должны обладать превосходным световым выходом. Они также должны обладать одной или более других желательных характеристик, например относительно малыми временами послесвечения и хорошими характеристиками в отношении разрешения по энергии, особенно в случае гамма-излучения. Кроме того, их должно быть возможно производить эффективно, по разумной цене и с приемлемым размером кристалла.
Сущность изобретения
Согласно одному из примеров воплощения предложена композиция сцинтиллятора, включающая любые продукты реакции, а также включающая материал матрицы, содержащий первый компонент по меньшей мере из одного элемента, выбранного из группы, состоящей из щелочных металлов и таллия; второй компонент по меньшей мере из одного элемента, отличного от элемента первого компонента, выбранный из группы, состоящей из щелочных металлов; третий компонент по меньшей мере из одного элемента, выбранного из группы, состоящей из лантаноидов; и четвертый компонент, по меньшей мере из двух элементов, выбранных из группы, состоящей из галогенов. Дополнительно в примере воплощения имеется активатор для материала матрицы, содержащий церий.
Согласно другому примеру воплощения предложено устройство детектора излучения для регистрации высокоэнергетического излучения, включающее кристаллический сцинтиллятор, содержащий следующую композицию и любые ее продукты реакции: материал матрицы, содержащий первый компонент по меньшей мере из одного элемента, выбранного из группы, состоящей из щелочных металлов и таллия; второй компонент по меньшей мере из одного элемента, отличного от элемента первого компонента, выбранного из группы, состоящей из щелочных металлов; третий компонент из по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из лантаноидов; четвертый компонент по меньшей мере из двух элементов, выбранных из группы, состоящей из галогенов; и активатор для материала матрицы, содержащий церий. Дополнительно в примере воплощения со сцинтиллятором оптически соединен фотодетектор и выполнен с возможностью производить электрический сигнал в ответ на испускание светового импульса, производимого сцинтиллятором.
Согласно другому примеру воплощения предложен способ регистрации высокоэнергетического излучения с помощью детектора на основе сцинтиллятора, включающий операции приема излучения кристаллом сцинтиллятора с образованием фотонов, которые являются характеристичными для этого излучения, и регистрации фотонов детектором фотонов, соединенным с кристаллом сцинтиллятора. В продолжение данного примера воплощения кристалл сцинтиллятора сформирован из композиции, включающей приведенные далее компоненты и любые их продукты реакции: материал матрицы, содержащий первый компонент из по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из щелочных металлов и таллия; второй компонент из по меньшей мере одного элемента, отличного от элемента первого компонента, выбранный из группы, состоящей из щелочных металлов; третий компонент из по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из лантаноидов; четвертый компонент из по меньшей мере двух элементов, выбранных из группы, состоящей из галогенов, и активатор для материала матрицы, содержащий церий.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые введены в денное описание и составляют его часть, иллюстрируют одно или более примеров воплощения и совместно с описанием разъясняют эти примеры воплощения. На чертежах:
Фиг.1 представляет собой пример воплощения композиции сцинтиллятора со структурой эльпазолита;
Фиг.2 представляет собой пример воплощения детектора излучения, объединяющего кристалл из композиции сцинтиллятора со структурой эльпазолита и фотодетектор;
Фиг.3 представляет собой технологическую схему примера воплощения, иллюстрирующую стадии регистрации высокоэнергетического излучения детектором на основе сцинтиллятора; и
Фиг.4 представляет собой график спектра излучения (при возбуждении рентгеновским излучением) для композиции сцинтиллятора согласно примеру воплощения данного изобретения.
Подробное описание изобретения
Последующее описание примеров воплощения данного изобретения дано со ссылкой на сопровождающие чертежи. Одинаковыми номерами позиций на разных чертежах обозначены одинаковые или сходные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает данное изобретение. Напротив, объем данного изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения. Последующие примеры воплощения обсуждаются, для простоты, с точки зрения терминологии и структуры сцинтилляционных соединений со структурой эльпазолита, обладающих высоким разрешением по энергии.
Ссылки, сделанные по ходу описания, на «один из примеров воплощения» или «некоторый пример воплощения», означают, что конкретные признак, структура или характеристика, описанные в связи с каким-либо примером воплощения, включена по меньшей мере в один пример воплощения раскрываемого объекта изобретения. Таким образом, появление оборотов «в одном из примеров воплощения» или «в некотором примере воплощения» в различных местах по тексту описания не обязательно относится к одному и тому же примеру воплощения. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или большем количестве примеров воплощения.
2
6
3+
3+
+
3+
+
3+
Теперь обратимся к Фиг.1: пример воплощения композиций (100) сцинтиллятора на основе решетки (102) материала основы (материала матрицы) с кристаллической структурой эльпазолита и с общей формулой ABLnX, где А (104) является одним или более из элементов группы 1А: калия (К), рубидия (Rb), цезия (Cs) и таллия (Tl); В (106) является одним или более из элементов группы 1А: лития (Li) и натрия (Na); X (110) является одним или более из элементов: фтора (F), хлора (Cl), брома (Br) и иода (I); и Ln (108) является лантаноидом. Во всех случаях примеров воплощения в композиции (100) сцинтиллятора использован активатор (112) - ион трехвалентного церия (Се), для получения эффективной люминесценции при возбуждении ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением. В следующем аспекте примеров воплощения ион трехвалентного церия (Се) можно комбинировать с одним или более из ионов одновалентного таллия (Tl) и трехвалентного висмута (Bi) для увеличения плотности и, соответственно, задерживающей способности композиции (100) сцинтиллятора. В другом аспекте примера воплощения такое «легирование» трехвалентным церием позволяет изготовить более тонкие кристаллы с такой же задерживающей способностью, как и у более толстых нелегированных кристаллов. В другом аспекте примера воплощения предполагается, что добавление ионов одновалентного таллия (Tl) и трехвалентного висмута (Bi) улучшает световой выход путем уменьшения ширины запрещенной зоны.
3+
3
3
3
3
2
4
2
В качестве примера световой выход (СВ) активированных Ce LaBrи LaCl составляет 61000 и 46000 фотонов на МэВ соответственно. Соответственно примеры воплощения обеспечивают разрешение по энергии 2,85% для LaBr и 3,30% для LaCl. Приведенная в качестве примера композиция 100 сцинтиллятора из эльпазолита, CsNaLaBrI, обеспечивает неожиданные результаты в отношении более высокой эффективности для смешанного галогенида по сравнению с индивидуальным галогенидом. Было сделано предположение, что конкретный галогенид мог бы иметь более высокую эффективность и что смешанные галогениды могли бы снижать эффективность в зависимости от типа и количества введенных галогенидов, то есть обладать эффективностью примерно промежуточной между эффективностями индивидуальных галогенидов. В результате осуществления этого примера воплощения по сравнению с этим предположением оказалось, что смесь галогенидов из четырех ионов брома и двух ионов иода дает более высокую эффективность, чем для каждого из индивидуальных галогенидов, если использовать их по отдельности в композиции 100 сцинтиллятора.
Предложенные композиции 100 сцинтиллятора в примере воплощения будут иметь световой выход (СВ), превышающий световой выход имеющихся в продаже материалов, таких как германат висмута (ВГО) и легированный церием ортосиликат лютеция (ЛСО). Дополнительно в примере воплощения предложенные композиции 100 сцинтиллятора могут значительно повысить способность различать гамма-излучения, слабо отличающиеся по энергиям.
3+
Продолжая рассматривать пример воплощения данного изобретения, приемлемый уровень активатора 112 будет зависеть от различных факторов, таких как конкретные галогениды 110 и элементы группы «А» 104 и группы «В» 106, присутствующие в материале 102 матрицы; желаемые эмиссионные свойства и время послесвечения; и тип детектирующего устройства, в которое вводят композицию 100 сцинтиллятора. Обычно в примерах воплощения активатор 112 (Се) применяют на уровне в диапазоне примерно от 1% мол. до 100% мол. в расчете на общее количество молей активатора 112 и материала 102 матрицы. Во многих предпочтительных примерах воплощения количество активатора 112 находится в диапазоне примерно от 1% мол. до 30% мол. при таком же расчете.
2
0,98
0,02
4
2
Кроме того, в примере воплощения следует отметить, что композицию 100 сцинтиллятора обычно описывают в терминах компонента - материала 102 матрицы и компонента - активатора 112. Однако в примере воплощения следует отметить, что, когда компоненты объединяют, их можно рассматривать как единую, находящуюся в тесном контакте композицию, которая все еще сохраняет отличительные свойства компонента 112 активатора и компонента 102 материала матрицы. Например, приведенную в качестве примера композицию 100 сцинтиллятора можно выразить как CsNaLaCeBrI.
В некоторых примерах воплощения материал 102 матрицы может дополнительно содержать висмут. Присутствие висмута в примере воплощения может улучшать различные свойства, такие как задерживающая способность (не ограничиваясь этим). Количество висмута, если он присутствует, в примере воплощения может до некоторой степени изменяться. Примерные количества могут находиться в диапазоне примерно от 1% мол. до 40% мол. от общей мольной массы материала матрицы, включая висмут.
Продолжая рассматривать примеры воплощения, композиции 100 сцинтиллятора можно приготовить и использовать в различных формах. Например, в некоторых примерах воплощения композиция 100 сцинтиллятора находится в монокристаллической форме (в виде одного кристалла). В примере воплощения следует отметить, что монокристаллические кристаллы композиции 100 сцинтиллятора обладают более высокой тенденцией к прозрачности и особенно применимы для детекторов 200 высокоэнергетического излучения (см. Фиг.2), например для детекторов, регистрирующих гамма-лучи.
В некоторых примерах воплощения композицию 100 сцинтиллятора можно использовать и в других формах в зависимости от предполагаемого конечного использования. Например, композиция 100 сцинтиллятора может находиться в порошковой форме. В примере воплощения следует отметить, что композиция 100 сцинтиллятора может содержать малые количества примесей, как описано в публикациях WO 01/60944 A2 и WO 01/60945 A2, включенных в текст данного описания путем ссылок. Эти примеси обычно привносятся с исходными компонентами, и обычно они составляют менее чем примерно 0,1% масс. от композиции 100 сцинтиллятора и могут составлять лишь 0,01% масс. В примере воплощения следует дополнительно отметить, что композиция 100 сцинтиллятора может также включать паразитические добавки, объемное процентное содержание которых обычно составляет менее чем примерно 1%. Кроме того, в примере воплощения в композицию 100 сцинтиллятора можно преднамеренно включать незначительные количества других материалов.
Для получения композиций 100 сцинтиллятора согласно примеру воплощения можно применять различные технологии. В одном примере воплощения сначала получают подходящий порошок, содержащий желаемые материалы в правильных отношениях, а затем проводят такие операции, как прокаливание, прессование в форме, спекание и/или горячее изостатическое прессование. Подходящий порошок по примеру воплощения можно получить путем смешивания различных форм реагентов, например солей, галогенидов или их смесей. В некоторых случаях индивидуальные составляющие применяют в объединенной форме, например в виде комбинации компонентов, имеющейся в продаже. Например, можно применять различные галогениды щелочных металлов и щелочноземельных металлов. Неограничивающие примеры этих соединений включают хлорид цезия, бромид калия, бромид цезия, иодид цезия и т.п.
В примере воплощения смешивание реагентов можно осуществить любым подходящим способом, который гарантирует тщательное, однородное смешивание. Например, смешивание можно проводить с помощью агатовой ступки и пестика. В качестве альтернативного примера воплощения можно применять блендер или измельчающее устройство, такое как шаровая мельница, чашевая мельница, молотковая дробилка или струйная вихревая мельница. Продолжая рассматривать пример воплощения, смесь может также содержать различные добавки, такие как флюсы и связующие, и в зависимости от совместимости и/или растворимости иногда в качестве транспортной среды при размоле можно применять различные жидкости. В примере воплощения следует отметить, что следует применять подходящую измельчающую среду, то есть материал, который не может загрязнить композицию 100 сцинтиллятора, поскольку такое загрязнение могло бы снизить мощность светоиспускания.
Далее в примере воплощения смесь можно прокалить в температурных и временных условиях, достаточных для превращения смеси в твердый раствор. Условия, необходимые в примерах воплощения, будут зависеть, в частности, от конкретных выбранных реагентов. При прокаливании смесь согласно примеру воплощения обычно находится в герметично закрытой емкости, например в трубке или тигле, изготовленных из кварцевого стекла или серебра, чтобы компоненты не могли уйти в атмосферу. Прокаливание согласно примеру воплощения обычно можно проводить в печи при температуре в диапазоне примерно от 500 до 1500°C, а время прокаливания обычно составляет примерно от 15 минут до 10 часов. Прокаливание согласно примеру воплощения обычно проводят в атмосфере, не содержащей кислорода и влаги, например в вакууме или в атмосфере инертного газа, такого как азот, гелий, неон, аргон, криптон и ксенон, не ограничиваясь этим. После прокаливания композиции 100 сцинтиллятора согласно примеру воплощения полученный материал можно измельчить, чтобы перевести композицию 100 сцинтиллятора в форму порошка; для получения из порошка элементов детектора излучения можно применять обычные технологии.
В другом аспекте примера воплощения можно получить монокристаллический материал с помощью хорошо известных в данной области методов. Неограничивающей, приведенной в качестве примера ссылкой является "Luminescent Materials" («Люминесцентные материалы») G.Blasse et al., Springer-Verlag (1994). Обычно, согласно одному из примеров воплощения, соответствующие реагенты расплавляют при температуре, достаточной для образования конгруэнтной расплавленной композиции.
Продолжая описание примера воплощения, для получения монокристалла композиции 100 сцинтиллятора из расплавленной композиции можно применять ряд способов, описанных в таких ссылках, как патент США №6437336 (Pauwels et al.) и "Crystal Growth Processes" (Процессы выращивания кристаллов), J.C.Brice, Blackie & Son Ltd. (1986), включенных в текст данного описания посредством ссылок, но не ограничиваясь ими. В другом неограничивающем примере воплощения данного изобретения примерами способов выращивания монокристаллов являются метод Бриджмена-Стокбаргера (Bridgman-Stockbarger), метод Чохральски (Czochralski), метод «зонной плавки» и метод «температурного градиента».
Другим неограничивающим примером воплощения способа получения монокристалла согласно примеру воплощения материала сцинтиллятора является патент США №6585913 (Lyons et al.), включенный в текст данного описания посредством ссылки. В этом неограничивающем примере воплощения способа в насыщенный раствор вводят кристаллический зародыш желаемой композиции 100 сцинтиллятора согласно примеру воплощения. В другом аспекте способа согласно примеру воплощения насыщенный раствор, который содержит соответствующие предшественники композиции 100 сцинтиллятора, помещают в соответствующий тигель. Продолжением способа согласно примеру воплощения является обеспечение возможности роста кристалла композиции 100 согласно примеру воплощения изобретения и его присоединения к монокристаллу с использованием одного или большего количества способов, которые обсуждались ранее; рост завершают в тот момент, когда кристалл композиции 100 сцинтиллятора согласно примеру воплощения достигает размера, пригодного для предполагаемого применения.
Рассмотрим теперь Фиг.2 и другой пример воплощения; описано устройство для регистрации высокоэнергетического излучения сцинтилляционным детектором 200 излучения. В примере воплощения сцинтилляционный детектор 200 излучения включает один или более кристаллов 202 композиции сцинтиллятора, полученных из композиции 100 сцинтиллятора, описанной в тексте данного описания. Сцинтилляционные детекторы 200 излучения хорошо известны в уровне техники, и нет необходимости подробно описывать их в тексте данного описания. В качестве нескольких неограничивающих ссылок, обсуждающих такие устройства, можно привести патенты США 6585913 и 6437336, описанные выше, и патент США №6624420 (Chai et al.), которые включены в текст данного описания путем ссылок. В другом примере воплощения, проиллюстрированном на Фиг.3, описан способ регистрации высокоэнергетического излучения сцинтилляционным детектором 200 излучения. На первой стадии 302 кристаллы 202 из композиции 100 сцинтиллятора в этом устройстве принимают излучение от исследуемого источника и производят фотоны, которые являются характеристичными для этого излучения. На следующей стадии 304 эти фотоны регистрируют каким-либо типом детектора фотонов, известным как фотодетектор 204, соединенным с кристаллом 202 из композиции 100 сцинтиллятора с помощью обычных электронных и механических систем соединения.
Фотодетектором 204 может быть ряд устройств, которые все хорошо известны из уровня техники. Неограничивающие примеры включают трубки фотоумножителей, фотодиоды, ПЗС-сенсоры и усилители изображения. Выбор конкретного фотодетектора 204 будет зависеть, в частности, от типа конструируемого детектора 200 излучения и от предполагаемого применения детектора 200 излучения.
Сами по себе детекторы 200 излучения, которые включают кристалл 202 из композиции 100 сцинтиллятора и фотодетектор 204, можно присоединить к ряду приборов и устройств. Неограничивающие примеры включают устройства для каротажа нефтяных скважин и ядерные медицинские устройства. В другом неограничивающем примере детекторы 200 излучения можно присоединить к устройству цифрового отображения. В дополнительном примере воплощения кристалл 202 из композиции 100 сцинтиллятора может служить компонентом сцинтилляторного экрана.
Эмиссионный спектр для образца композиции 100 сцинтиллятора был получен при возбуждении рентгеновским излучением с использованием оптического спектрометра. На Фиг.4 представлена зависимость интенсивности (условные единицы) от длины волны (нм). Длина волны на пике испускания для образца составляла около 365 нм. Также определили, что композицию 100 сцинтиллятора можно возбуждать гамма-лучами до уровня испускания, характеристичного для иона церия. Эти эмиссионные характеристики ясно указывают, что описанная в тексте данного описания композиция может быть очень полезной для ряда устройств, применяемых для регистрации гамма-излучения.
Раскрытые примеры воплощения обеспечивают описание новой композиции 100 сцинтиллятора и существующих способов получения новой композиции 100 сцинтиллятора. Следует понимать, что данное описание не предполагает ограничения данного изобретения. Напротив, предполагается, что примеры воплощения охватывают и альтернативные случаи, модификации и эквиваленты, которые включены в сущность и объем данного изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, в подробном описании примеров воплощения приведены многочисленные подробности, чтобы обеспечить адекватное понимание заявленного изобретения. Однако для специалиста понятно, что различные примеры воплощения можно осуществить на практике и без таких конкретных деталей.
В данном патентном описании использованы примеры для раскрытия новой композиции 100 сцинтиллятора, включая наилучший способ ее получения, а также обеспечения любому специалисту возможности приготовления новой композиции 100 сцинтиллятора на основе существующих способов, включая изготовление композиции 100 сцинтиллятора в виде монокристалла. Объем патентной защиты композиции 100 сцинтиллятора определен формулой изобретения и может включать другие примеры, с которыми встречаются специалисты. Предполагается, что такие другие примеры входят в объем защиты формулы изобретения, если они обладают структурными элементами, которые не отличаются от буквально изложенного в формуле изобретения, или если они включают структурные элементы, эквивалентные приведенным в буквальном изложении в формуле изобретения.