СЦИНТИЛЛЯТОР ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ И НЕЙТРОННЫЙ ДЕТЕКТОР
SCINTILLATOR FOR DETECTING NEUTRONS AND NEUTRON DETECTOR

Область техники
Изобретение относится к сцинтиллятору нейтронного детектирования, который используется для детектирования нейтронов. Более определенно, изобретение относится к сцинтиллятору для детектирования нейтронов, который состоит из кристалла фторида металла, содержащего лантаноид.
Уровень техники
Сцинтиллятор представляет собой вещество которое, при попадании в него радиации, например, α-лучей, β-лучей, γ-лучей, рентгеновских лучей или нейтронных лучей, поглощает радиацию и испускает флуоресцентное свечение. Сцинтиллятор используется для радиационного детектирования в комбинации с фотодетектором, например электронным фотоумножителем, и имеет многочисленные области применения, например в медицине, например для томографии, в промышленности, например при неразрушающем контроле, в области обеспечения безопасности, например для осмотра личного имущества, и в науке, например в области физики высоких энергий.
4
3
12
2
5
4
Имеются различные типы сцинтилляторов, используемые в соответствии с видом радиации и целями применения. Они включают в себя неорганические кристаллы, например BiGeO, GdSi O:Ce, PbWO, CsI и KI, органические кристаллы, например антрацен, флуоресцентные вещества, содержащие полимеры, например полистирол и поливинилтолуол, и специальные сцинтилляторы, включающие в себя жидкие сцинтилляторы и газовые сцинтилляторы. Когда объектом детектирования являются нейтронные лучи, они обычно детектируются с использованием ядерной реакции, которая преобразовывает нейтроны непосредственно в энергичные заряженные частицы, поскольку нейтроны характеризуются способностью прохождения через вещество без какого-либо взаимодействия с веществом.
Типичные характеристики, требуемые для сцинтиллятора, включают в себя большое количество света (интенсивность излучаемого света), высокую тормозную способность для радиации (эффективность детектирования), и быстрое затухание флюоресценции (быстрый отклик). Сцинтиллятор, разработанный для детектирования нейтронов должен, в частности, иметь способность различать нейтроны и γ-лучи, поскольку может произойти реакция радиационного захвата между нейтронами и поглощающим веществом с образованием γ-лучей.
6
До сих пор в качестве сцинтиллятора для детектирования нейтронов использовался сцинтиллятор из стекла Li. Однако процесс его производства был очень трудным и, таким образом, дорогостоящим, и имелся предел для увеличения его размеров. С другой стороны, сцинтиллятор для детектирования нейтронов, содержащий кристалл фторида, имеет преимущество в том, что при низкой стоимости может быть получен сцинтиллятор с увеличенными размерами. Например, был предложен сцинтиллятор, содержащий кристалл фторида лития бария. Однако этот сцинтиллятор имеет высокую чувствительность к γ-лучам, и свойственный γ-лучам фоновый шум был большим. Таким образом, возникла потребность применять сложную технику при его использовании в качестве сцинтиллятора для детектирования нейтронов (см. Непатентный Документ 1).
6
6
6
3
В связи с этими проблемами, изобретатели попытались применить допированные церием кристаллы LiCaAlF в качестве сцинтилляторов для детектирования нейтронов. В этих попытках была выполнена оценка, и т.д. параметров сцинтилляции при моделируемых условиях, включая излучение света, возбужденного ультрафиолетом, или облучение α-лучами. Эти кристаллы дают излучение света по двухстадийному механизму, а именно, генерация α-лучей, которые являются вторичным излучением из-за реакции падающих нейтронов с Li (первичный механизм), и ультрафиолетовое излучение с длиной волны приблизительно 290 нм, связанное с электронными переходами в ионах Ce из-за α-лучей (вторичный механизм). Однако делавшиеся до сих пор оценки по существу не учитывали облучение нейтронами. Это означает, что первичный механизм не оценивался, а именно, эффективность генерации α-лучей не оценивалась вовсе. Из этого следует, что истинные характеристики кристаллов в качестве сцинтилляторов для детектирования нейтронов не оценивались. В результате оптимальный состав сцинтиллятора для детектирования нейтронов до сих пор не был определен (см. Непатентный Документ 2). Содержание Li (описываемое ниже) в кристаллах, используемых в вышеупомянутых общеизвестных технологиях, составляло только порядка 0.73атом/нм, и сами изобретатели подтвердили, что такое содержание приводит к недостаточной эффективности детектирования нейтронов.
Таким образом, идеальный сцинтиллятор для детектирования нейтронов, который удовлетворяет всем требуемым характеристикам, в настоящее время отсутствует. В настоящем изобретении, материал, содержащий вещество, которое поглощает падающие нейтроны, чтобы испустить флюоресценцию, называется сцинтиллятором для детектирования нейтронов.
3
Непатентный Документ 1: C.W.E. van Eijik и др., "LiBaF - тепловой нейтронный сцинтиллятор с оптимальной n-гамма дискриминацией", Nuclear Instruments and Methods in Ohysics Research A 374 (1996) 197-201.
th
Непатентный Документ 2: Kentaro Fukuda, Kenji Aoki, Akira Yoshikawa и Tsuguo Fukuda, Abstracts of Lectures at the 66 Congress of the Japan Society of Applied Physics, No.1, 211 (2005)
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Настоящее изобретение предоставляет сцинтиллятор для детектирования нейтронов, который имеет высокую чувствительность к нейтронному излучению, пониженный фоновый шум, связанный с γ-лучами, то есть, имеет низкую чувствительность к γ-лучам и, таким образом, является предпочтительным для сцинтилляционного детектора нейтронов.
6
Изобретатели приготовили различные кристаллы фторидов металлов и оценили их параметры в качестве сцинтилляторов для детектирования нейтронов в экспериментах с облучением нейтронами. В результате изобретатели нашли, что кристаллы фторидов металлов, содержащие Li, и имеющие эффективный атомный номер в определенных пределах, могут быть высокоэффективными сцинтилляторами для детектирования нейтронов, которые имеют высокую чувствительность к нейтронному излучению и пониженный фоновый шум, связанный с γ-лучами. Осознание этого и привело изобретателей к реализации настоящего изобретения.
Средства решения проблем
3
6
В соответствии с настоящим изобретением предоставляется сцинтиллятор для детектирования нейтронов, содержащий кристалл фторида металла, содержащий литий, металлический элемент, имеющий валентность 2 или выше, и фтор, как составляющие элементы, кристалл фторида металла, содержащий от 1,1 до 20 атомов в единице объема (атом/нм) Li, имеющий эффективный атомный номер от 10 до 40, и содержащий лантаноид.
В сцинтилляторе для детектирования нейтронов предпочтительны следующие характеристики:
3
6
(1) Сцинтиллятор содержит от 2,9 до 20 атомов в единице объема (атом/нм) Li, и/или
(2) Эффективный атомный номер от 10 до 30, и/или
(3) Лантаноид представляет собой церий, празеодим или европий.
В соответствии с настоящим изобретением, предоставляется также нейтронный детектор, содержащий сцинтиллятор для детектирования нейтронов, и фотодетектор, который детектирует свет, испускаемый от сцинтиллятора для детектирования нейтронов, и преобразует свет в электрический сигнал.
В нейтронном детекторе, фотодетектор предпочтительно представляет собой электронный фотоумножитель.
6
В соответствии с настоящим изобретением, дополнительно предоставляется способ производства кристалла фторида металла для сцинтиллятора для детектирования нейтронов, содержащий: плавление материальной смеси, составленной из фторида лития, имеющего изотопическое отношение Li 20% или больше, фторида металлического элемента, имеющего валентность 2 или выше, и фторида лантаноида, чтобы сформировать расплав материала; и выращивание монокристалла из расплава материала способом выращивания из расплава.
6
4
Вышеупомянутый способ для производства предпочтительно принимается для производства кристалла фторида алюминия кальция лития с содержанием лантаноида (M:LiCaAlF (М - лантаноид), или кристалла фторида иттрия лития с содержанием лантаноида (M:LiYF (М - лантаноид).
Осуществление изобретения
Сцинтиллятор настоящего изобретения имеет высокую чувствительность к нейтронному излучению, и способен подавить фоновый шум, связанный с γ-лучами. Кроме того, сцинтиллятор прозрачен и хорошо пропускает испускаемый свет (сцинтилляционный свет). Такой сцинтиллятор полезен как сцинтиллятор для детектирования нейтронов, и может использоваться предпочтительно в промышленности, например, при различных неразрушающих испытаниях, и в области обеспечения безопасности, например, при досмотре личного имущества.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает спектр амплитуд импульсов, полученный сцинтилляторами для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - спектр амплитуд импульсов, полученный сцинтиллятором для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - схематический вид аппарата производства кристалла способом медленной протяжки, который используется для сцинтиллятора по настоящему изобретению.
Фиг.4 - схематический вид нейтронного детектора в соответствии с настоящим изобретением.
Описание цифровых обозначений
1 Вторичный нагреватель
2 Нагреватель
3 Теплоизолирующий материал
4 Платформа
5 Тигель
6 Камера
7 Высокочастотная катушка
8 Протяжной стержень
9 Сцинтиллятор для детектирования нейтронов
10 Фотодетектор
Лучший вариант осуществления изобретения
6
Сцинтиллятор для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением содержит кристалл фторида металла, содержащий литий, металлический элемент, имеющий валентность 2 или выше, и фтор, кристалл фторида металла, содержащий также лантаноид. Кристалл фторида металла представляет собой кристалл фторида металла с содержанием лития, отличающийся главным образом наличием определенного содержания Li и определенным эффективным атомным номером, и содержащий лантаноид. В настоящем изобретении, термин "кристалл фторида металла" относится к кристаллу, содержащему все вышеупомянутые компоненты, тогда как термин "матричный кристалл фторида металла" относится к кристаллу, содержащему компоненты, отличные от лантаноида.
6
3
6
6
6
В настоящем изобретении вышеупомянутое содержание Li означает число элементов Li, содержащихся в 1 нм сцинтиллятора. Падающие нейтроны вызывают ядерную реакцию с этим Li, образуя α-лучи, которые являются вторичной радиацией. Таким образом, содержание Li влияет на чувствительность к нейтронному излучению, и чем выше содержание Li, тем выше становится чувствительность к нейтронному излучению.
6
6
6
6
6
6
6
6
6
Соответствующее содержание Li может быть подобрано выбором химического состава сцинтиллятора для детектирования нейтронов и подбором процентного содержания Li (обозначаемого как изотопное отношение Li) во фториде лития (LiF) или подобном, используемом как литиевый материал. Изотопическое отношение Li означает элементное отношение изотопа Li ко всем литиевым элементам, и составляет приблизительно 7,6% в естественном литии. Способом подбора изотопического отношения Li может быть, например, способ, содержащий использование материала общего назначения в качестве исходного материала, имеющего естественное изотопическое отношение, и концентрирование изотопа Li до желаемого изотопического отношения; или способ, в котором приготавливается концентрированный материал с Li, сконцентрированный заранее до отношения равного или большего желаемого изотопического отношения Li, и для подбора смешиваются концентрированный материал и вышеупомянутый материал общего назначения.
6
3
6
3
6
6
3
В настоящем изобретении, вышеупомянутое содержание Li должно быть установлено как 1,1 атом/нм или больше. Установлением содержания Li как 1,1 атом/нм или больше, обеспечивается достаточная чувствительность к нейтронному излучению. Это содержание может быть достигнуто выбором типа кристалла фторида металла, без использования литиевого материала со специально увеличенным изотопическим отношением Li. Таким образом, сцинтиллятор для детектирования нейтронов может быть предоставлен при низкой стоимости. Для дополнительного увеличения чувствительности к нейтронному излучению, особенно предпочтительно, чтобы содержание Li было установленным как 2,9 атом/нм или больше. Эта чувствительность к нейтронам может быть отображена площадью пика в спектре амплитуд импульсов, показанном на Фиг.1. Эту площадь (отсчет в секунду) называют эффективностью нейтронного детектирования. Чем больше ее значение, тем выше чувствительность к нейтронам.
6
3
6
3
6
С другой стороны, верхний предел содержания Li устанавливается как 20 атом/нм. Чтобы достичь содержания Li выше 20 атом/нм, необходимо использовать большое количество специального литиевого материала, имеющего Li, сконцентрированный заранее до высокого уровня. Это приводит к чрезвычайно высокой стоимости производства. Кроме того, выбор типа кристалла фторида металла существенно ограничен.
6
6
Вышеупомянутое содержание Li может быть определено, нахождением заранее плотности сцинтиллятора, массовой доли элементов Li в сцинтилляторе, и изотопического отношения Li литиевого материала, и подстановкой этих параметров в следующее Уравнение [1]:
6
-23
Содержание Li=ρ×W×C/(700-C)×A×10 [1]
3
6
23
где ρ означает плотность сцинтиллятора [г/см], W обозначает массовую долю элементов Li в сцинтилляторе [массовый %], C обозначает изотопическое отношение Li материала [%], и A обозначает число Авогадро [6,02×10].
Матричный кристалл фторида металла в настоящем изобретении должен содержать металлический элемент, имеющий валентность 2 или выше, как составляющий элемент. Как будет описано ниже, лантаноид заменяет в кристалле часть металлического элемента, имеющего валентность 2 или выше и, тем самым, оказывается включенным в кристалл фторида металла. Металлический элемент, имеющий валентность 2 или выше, может быть металлическим элементом, который может сформировать кристалл фторида, содержащий Li. Чтобы сделать эффективный атомный номер малым, предпочтительны типичный металлический элемент или переходный металлический элемент, имеющие атомный номер 56 или ниже, в частности, 40 или ниже. Типичные примеры - металлические элементы, имеющие валентность 2, например, магний, кальций, стронций и барий, металлические элементы, имеющие валентность 3, например, алюминий, скандий и иттрий, и металлические элементы, имеющие валентность 4, например, цирконий. Матричный кристалл фторида металла, содержащий металлический элемент, выбранный из металлических элементов, имеющих валентность от 2 до 4 предпочтительно принимается из-за простоты производства. Один или два, или больше, металлических элементов, имеющих валентность 2 или выше, могут содержаться в матричном металлическом кристалле фторида. Матричный кристалл фторида металла может также содержать одновалентный металлический элемент, кроме лития, например, натрий, калий или рубидий.
Сцинтиллятор для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением должен иметь эффективный атомный номер от 10 до 40, что определяется Уравнением [2], приведенным ниже. Устанавливая эффективный атомный номер как 40 или ниже, возможно составить сцинтиллятор для детектирования нейтронов, который может иметь достаточно пониженный фоновый шум, связанный с γ-лучами, и может измерять нейтронное излучение без искажений γ-лучами. Даже когда эффективный атомный номер установлен меньше чем 10, с другой стороны, эффект снижения шума существенно не изменяется, и только выбор типа кристалла фторида металла заметно ограничивается. Это не является предпочтительным. В частности, в отношении снижения фонового шума, предпочтительно, чтобы эффективный атомный номер составлял от 10 до 30.
В настоящем изобретении, эффективный атомный номер представляет собой индикатор, определенный Уравнением [2], приведенным ниже. Эффективный атомный номер влияет на фоновый шум, связанный с γ-лучами, и наблюдается эффект, когда чем меньше оказывается эффективный атомный номер, тем в большей степени снижается фоновый шум.
i
i
4
1/4
Эффективный атомный номер=(ΣWZ ) [2],
i
i
где W и Z означают массовую долю и атомный номер i-того элемента среди элементов, составляющих сцинтиллятор, соответственно.
Эффективный атомный номер определен для данного химического состава сцинтиллятора для детектирования нейтронов, как это ясно из вышеупомянутого Уравнения [2]. Выбирая тип кристалла фторида металла, так же как, например, и содержание лантаноида, введенного в кристалл фторида металла, может быть подобран соответствующим образом и эффективный атомный номер.
Сцинтиллятор для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением отличается содержанием лантаноида как центра люминесценции. Лантаноид используется без ограничений, и может быть выбран и использован церий (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm) или иттербий (Yb), в соответствии с желаемой длиной волны испускаемого света, интенсивностью испускаемого света и продолжительностью испускаемого света.
2+
Когда α-лучи, как вышеупомянутая вторичная радиация, попадают на сцинтиллятор, в сцинтилляторе образуется много электронно-дырочных пар. Когда некоторые из электронно-дырочных пар рекомбинируют через лантаноид, происходит испускание света. В случае Ce или Pr, например, происходит испускание света вследствие 5d-4f перехода, т.е. вследствие электронного перехода от 5d уровня к 4f уровню. Это испускание света вследствие 5d-4f перехода в Ce или Pr происходит при достаточно коротком времени затухания, и может быть получен сцинтиллятор с чрезвычайно быстрым откликом. В случае Eu испускание света также происходит вследствие 5d-4f перехода. Однако, испускание света вследствие 5d-4f перехода в Eu характерно для долгоживущих состояний, в отличие от Ce или Pr, в то время как интенсивность испускаемого света чрезвычайно высока.
Содержание лантаноида, введенного в кристалл фторида металла, не ограничено, но его предпочтительный диапазон составляет от 0,005 до 5 молей относительно 100 молей лития, составляющего кристалл фторида металла. Обычно, при увеличении содержания лантаноида, увеличивается интенсивность испускаемого света. Однако, если содержание слишком высоко, интенсивность испускаемого света уменьшается вследствие концентрационного тушения. Кроме того, поскольку эффективный атомный номер увеличивается, то и фоновый шум из-за γ-лучей имеет тенденцию увеличиваться.
Предполагается, что лантаноид, содержащийся в кристалле, частично находится в междоузельных позициях кристаллической решетки, и частично присутствует как замещение некоторых из атомов элемента, составляющего кристаллическую решетку, например, кальция, стронция или иттрия.
Когда лантаноид вводится во время процесса изготовления кристалла фторида металла, который будет описан ниже, то может наблюдаться явление сегрегации лантаноида в кристалле фторида. Даже в случае, когда такое явление сегрегации наблюдается, эффективный коэффициент (k) сегрегации определяется заранее, и содержание лантаноида в исходном материале подбирается исходя из Уравнения [3], приведенного ниже. Именно так может быть легко получен кристалл фторида металла, имеющий желаемое содержание лантаноида.
s
0
k-1
C=kC(1-g) [3]
s
0
где C означает содержание лантаноида (M) в кристалле фторида металла [мол.% (М/Li)], k означает эффективный коэффициент сегрегации, C означает содержание лантаноида (M) в исходном материале [мол.% (М/Li)], и g означает закристаллизованную долю.
6
6
4
6
6
4
Как эффективный коэффициент сегрегации, может быть принято значение, описанное в литературе (например, Выращивание Ce-допированных монокристаллов LiCaAlF и LiSrAlF методом Чохральского в атмосфере CF). Если в литературе нет этого значения, то оно может быть определено измерениями в соответствии с описанным способом, например, в вышеупомянутом документе. Если матричный кристалл фторида металла представляет собой кристалл LiCaAlF, например, то эффективный коэффициент сегрегации для Ce составляет 0,02. В соответствии с результатами экспериментов, проведенных изобретателями, когда матричный кристалл фторида металла представляет собой кристалл LiCaAlF, эффективные коэффициенты сегрегации для Pr и Eu, каждый, составляют 0,02. Когда матричный кристалл фторида металла представляет собой кристалл LiYF, эффективный коэффициент сегрегации для Ce составляет 1.
Исследования изобретателей показывают, что лантаноид с 5d-4f переходом для испускаемого света предпочтителен для применений, требующих быстрого отклика (временное разрешение). Сцинтиллятор для детектирования нейтронов, который содержит Ce или Pr, в частности, имеет постоянную затухания для испускаемого света, составляющую обычно от 20 до 50 нс, демонстрируя исключительно быстрый отклик. Таким образом, этот сцинтиллятор предпочтительно принимается для детектирования нейтронного излучения в области атомной энергетики, например. С другой стороны, выбирая Eu в качестве лантаноида, может быть получен нейтронный сцинтиллятор, имеющий максимальную интенсивность испускаемого света. Такой сцинтиллятор может использоваться предпочтительно в тех применениях, где не требуется быстрый отклик, например, в области визуализации проходящей радиации при облучении нейтронными лучами.
6
6
5
6
4
Матричный кристалл фторида металла по настоящему изобретению не ограничен единственным вариантом, если он представляет собой кристалл, имеющий вышеупомянутое содержание Li и эффективный атомный номер, и может содержать ионы лантаноида. Матричные кристаллы фторидов металлов, например, кристаллы фторида лития кальция алюминия (LiCaAlF), фторида лития стронция алюминия (LiSrAlF), и фторида лития иттрия (LiYF), являются наиболее предпочтительными в отношении того, что в них можно достичь и специально высокое содержание Li, и специально низкий эффективный атомный номер, и они представляют собой относительно легко производимые высококачественные кристаллы.
6
6
4
Кристалл фторида металла по настоящему изобретению представляет собой монокристалл или поликристаллический материал, но монокристалл предпочтителен по следующим причинам: при использовании монокристалла, может быть создан нейтронный сцинтиллятор с высокой интенсивностью испускаемого света, не имеющий потерь вследствие неизлучающих переходов, обусловленных дефектами кристаллической решетки, или потерь сцинтилляционного света на границах зерен. В случае монокристалла, соответствующие кристаллы имеют их характерные кристаллические системы, и LiCaAlF и LiSrAlF представляют собой гексагональные системы, тогда как LiYF является тетрагональной системой.
Кристалл фторида металла с содержанием лантаноида, используемый в настоящем изобретении, представляет собой бесцветный или слегка окрашенный прозрачный кристалл, и высокопрозрачный для сцинтилляционного света. Этот кристалл имеет удовлетворительную химическую стабильность и, когда он используется обычным образом, его параметры не ухудшаются за короткий срок. Кроме того, его механическая прочность и обрабатываемость удовлетворительны, и он может быть легко обработан до требуемой для применения формы.
Способ создания кристалла фторида металла не ограничен единственным вариантом, и этот кристалл может быть изготовлен широко известным технологическим способом. Предпочтительно, кристалл изготавливается способом "медленной протяжки вниз" или способом Чохральского. Кристалл фторида металла, превосходный по качеству, например по прозрачности, может быть изготовлен способом "медленной протяжки вниз" или способом Чохральского. В соответствии со способом "медленной протяжки вниз", в частности, кристалл может быть непосредственно произведен в определенной форме и за короткое время. В соответствии со способом Чохральского, с другой стороны, может быть получен большой кристалл диаметром в несколько дюймов при низкой стоимости.
Пояснение предоставляется для общего способа получения кристалла фторида металла способом "медленной протяжки вниз".
Заданные количества материалов загружают в тигель 5, предоставленный с отверстием в его основании. Форма отверстия, предоставленного в основании тигля, не ограничена единственным вариантом, но предпочтительно представляет собой цилиндрическую форму, имеющую диаметр от 0,5 до 5 мм и длину от 0 до 2 мм.
Чистота материалов не ограничена единственным вариантом, но предпочтительно составляет 99,99% или выше. При использовании такой смеси материалов высокой чистоты, может быть увеличена чистота получающегося кристалла фторида металла, и характеристики, например, интенсивность испускаемого света, улучшаются. Такие используемые материалы могут быть порошкообразными или гранулированными, или могут использоваться, будучи спеченными или сплавленными и предварительно закристаллизованными.
2
3
3
3
3
3
В качестве этих материалов используются металлические фториды, например, фторид лития (LiF), фторид кальция (CaF), фторид алюминия (AlF), фторид иттрия (YF), фторид церия (CeF), фторид празеодима (PrF), и фторид европия (EuF).
В производстве кристалла фторида металла способом выращивания из расплава, например, способом "медленной протяжки вниз", или способом Чохральского, соотношение компонентов для этих материалов предпочтительно определяется исходя из равновесия фаз. Таким образом, если предполагаемый кристалл фторида металла плавится конгруэнтно, предпочтительно задать концентрацию компонентов в стехиометрическом отношении. Если предполагаемый кристалл фторида металла сплавляется не конгруэнтно, предпочтительно подобрать отношение компонентов так, чтобы предполагаемый кристалл фторида металла стал первичным кристаллом. Если при введении лантаноида наблюдается эффект сегрегации, то предпочтительно определить отношение компонентов материалов с использованием эффективного коэффициента сегрегации, как указано выше. Равновесие фаз желаемого кристалла фторида металла может быть определено заранее экспериментально, используя способ термического анализа, или может быть взято из имеющейся литературы или базы данных.
-3
Затем тигель 5 загружается вышеупомянутыми материалами, вторичный нагреватель 1, нагреватель 2, теплоизолирующий материал 3 и платформа 4 устанавливаются так, как показано на Фиг.3. Камера 6 откачивается до давления 1,0×10Па, или до более низкого давления, используя откачивающий насос и, затем, инертный газ, например высокочистый аргон, вводится в камеру для газообмена. Давление в камере после газообмена не ограничено, но обычно оно является атмосферным давлением. Газообмен может удалить воду, сцепленную с материалами или с внутренней частью камеры, и может предотвратить ухудшение качества кристалла из-за такой воды.
Для избежания неблагоприятного влияния воды, которая не может быть удалена даже газообменом, предпочтительно использовать твердый поглотитель, например, фторид цинка, или газовый поглотитель, например, тетрафторметан. Если используется твердый поглотитель, то предпочтителен способ предварительного смешивания его с материалами. Если используется газообразный поглотитель, то предпочтителен способ смешивания его с вышеупомянутым инертным газом, и введение смеси в камеру.
После того как газообмен осуществлен, материалы нагреваются высокочастотной катушкой 7 и нагревателем 2, пока они не расплавятся. Способ нагревания не ограничивается одним вариантом, и может быть использован, например, соответствующий углеродный нагреватель сопротивления, например, вместо нагрева высокочастотной катушкой. Затем расплав материалов выводится через отверстие в нижней части тигля, с чего и начинается получение кристалла. При выводе с соответствующим образом подобранной высокочастотной катушкой, расплав непрерывно протягивается вниз с постоянной скоростью протяжки, посредством чего может быть получен желаемый кристалл фторида металла. Скорость протяжки вниз не ограничивается одним вариантом, но предпочтительно находится в пределах от 0,5 до 50 мм/час.
С кристаллом фторида металла по настоящему изобретению после получения кристалла вышеописанным способом протяжки вниз или подобным может быть выполнена операция отжига для устранения дефектов кристалла из-за дефицита атомов фтора или из-за тепловых деформаций.
Получающийся кристалл фторида металла имеет удовлетворительную технологичность и легко обрабатывается до желаемой формы для применений. Во время обработки, без каких-либо ограничений могут быть использованы хорошо известные режущие устройства, например, дисковая пила или проволочная пила, шлифовальная машина или полировочный станок.
Сцинтиллятор для детектирования нейтронов, который содержит кристалл фторида металла по настоящему изобретению, может быть превращен в очень эффективный нейтронный детектор в комбинации с фотодетектором, например, электронным фотоумножителем. Таким образом, свет (сцинтилляционный свет), испускаемый от сцинтиллятора (9) для детектирования нейтронов при облучении нейтронами, преобразуется в электрический сигнал фотодетектором (10), посредством чего наличие или отсутствие нейтронного излучения может быть установлено, и интенсивность нейтронного излучения может быть определена из электрического сигнала. Типичная длина волны сцинтилляционного света, испускаемого от сцинтиллятора по настоящему изобретению, составляет от 250 до 400 нм. Электронный фотоумножитель, кремниевый фотодиод, или подобное, могут использоваться предпочтительно как фотодетектор, который может детектировать свет в этой области.
Практический пример - способ, который содержит соединение блока кристалла фторида металла с окном фотокатода электронного фотоумножителя с помощью оптической смазки, или подобного, подачу высокого напряжения на электронный фотоумножитель, и наблюдение электрического сигнала, снимаемого с электронного фотоумножителя. Усилитель и многоканальный импульсный амплитудный анализатор могут быть использованы для определения интенсивности нейтронного излучения, и т.д. по электрическому сигналу.
Дополнительно, в качестве фотодетектора, используется позиционно-чувствительный фотодетектор, содержащий матрицу детектирующих блоков, каждый имеющий чувствительную область в несколько квадратных миллиметров, и кристалл фторида металла, размером, сопоставимым с чувствительной областью, присоединяется к каждому из детектирующих блоков позиционно-чувствительного фотодетектора. В соответствии с этой процедурой может быть сконструирован позиционно-чувствительный нейтронный детектор.
Примеры
Настоящее изобретение будет описано конкретно в связи с Примерами его применения, но настоящее изобретение никоим образом не ограничивается этими Примерами.
Пример 1
6
6
Кристалл LiCaAlF, содержащий Ce в качестве лантаноида, был выращен, используя аппарат для выращивания кристалла способом "медленной протяжки вниз", как показано на Фиг.3. Фторид лития, фторид кальция, фторид алюминия и фторид церия, каждый имеющий чистоту 99,99% или выше, использовались как материалы. Изотопическое отношение Li фторида лития составляло 50%. Использовались вторичный нагреватель 1, нагреватель 2, теплоизолирующий материал 3, платформа 4 и тигель 5, сделанный из высокочистого углерода, и форма отверстия у основания тигля была цилиндрической с диаметром 2,2 мм и длиной 0,5 мм.
-4
Вначале 68 мг фторида лития, 203 мг фторида кальция, 219 мг фторида алюминия, и 10 мг фторида церия были взвешены, и полностью перемешаны, чтобы получить смесь материалов, которая загружалась в тигель 5. Тигель 5, загруженный материалами, был помещен во вторичный нагреватель 1 и нагреватель 2, и теплоизолирующий материал 3 был последовательно помещен вокруг них. Затем, камера 6 откачивалась до давления 5,0×l0Па откачивающим насосом, содержащим ротационный масляный вакуумный насос и масляный диффузионный насос. Затем, смешанный газ тетрафторметан-аргон был введен при атмосферном давлении в камеру 6 для газообмена.
6
Высокочастотный ток подавался на высокочастотную катушку 7, чтобы нагреть материалы индукционным нагревом и расплавить их. Провод W-Re сверху протяжного стержня 8 был вставлен в вышеупомянутое отверстие основания тигля 5, чтобы протянуть вниз расплав материалов из отверстия и начать кристаллизацию. При регулировке выходной мощности высокой частоты должным образом, расплав протягивался вниз непрерывно в течение 15 часов при скорости 3 мм/час, чтобы получить кристалл LiCaAlF, содержащий церий как лантаноид. Полученный кристалл был высококачественным кристаллом диаметром 2,2 мм и длиной 45 мм и свободным от помутнения или трещин.
6
3
6
3
0,0004
6
Этот кристалл фторида металла был отрезан до длины 15 мм проволочной пилой, имеющей алмазную режущую проволоку, затем отшлифован и зеркально отполирован с доведением до формы, имеющей длину 15 мм, ширину 2 мм и толщину 1 мм и, таким образом, был получен сцинтиллятор для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением. Плотность сцинтиллятора, массовая доля элементов Li в сцинтилляторе, и изотопическое отношение Li в литиевом материале составляли 3,0 г/см, 3,7 массовых %, и 50%, соответственно. Таким образом, содержание Li было найдено как 5,1 атом/нм из Уравнения [1]. Состав нейтронного сцинтиллятора был CeLiCaAlF, и эффективный атомный номер, рассчитанный из Уравнения [2] с использованием этого состава, был 15.
Параметры полученного сцинтиллятора, как сцинтиллятора для детектирования нейтронов, были оценены следующим способом:
Сцинтиллятор для детектирования нейтронов прикреплялся к окну фотокатода электронного фотоумножителя (H7416, производства HAMAMATSU PHOTONICS K.K.) оптической смазкой, и затем сцинтиллятор и электронный фотоумножитель были экранированы защитным листом так, чтобы не попадал свет с внешней стороны.
252
Нейтронный источник Cf, имеющий радиоактивность 40 МБк был установлен на расстоянии 11 мм от сцинтиллятора, и сцинтиллятор был облучен нейтронами. Затем, чтобы измерить сцинтилляционный свет, испускаемый от сцинтиллятора, сцинтилляционный свет был преобразован в электрический сигнал с помощью электронного фотоумножителя, на который подавалось высокое напряжение 1000 В. Электрический сигнал от электронного фотоумножителя представлял собой импульсный сигнал, отображающий сцинтилляционный свет. Амплитуда импульса отображает интенсивность сцинтилляционного света, и форма импульса показывает кривую затухания в соответствии с постоянной затухания сцинтилляционного света. Электрические сигналы, снимаемые с электронного фотоумножителя, были сформированы и усилены усилителем-формирователем, и затем введены в многоканальный амплитудный импульсный анализатор для анализа, посредством чего был получен спектр амплитуд импульсов.
Полученный спектр амплитуд импульсов показан на Фиг.1. Абсцисса спектра амплитуд импульсов обозначает значение амплитуд импульсов электрического сигнала, а именно, интенсивность сцинтилляционного света. Здесь, значение амплитуд импульсов приведено как относительное значение, принимая пиковое значение этого спектра как 1. Ордината обозначает частоту электрического сигнала для каждого значения амплитуды импульсов, которая обозначена как отсчет за секунду (отсчет/секунда). В спектре амплитуд импульсов наблюдался ясный пик из-за сцинтилляционного света в области значений амплитуд импульсов от 0,7 до 1,3. Этот пик достаточно отделен от шумов, заметных при значении амплитуды импульсов 0,7 или ниже, показывая, что нейтронный сцинтиллятор настоящего изобретения имеет достаточную интенсивность испускаемого света.
Эффективность нейтронного детектирования, выраженная как площадь пика в спектре амплитуд импульсов составляла 1,3 отсчета в секунду, показывая, что нейтронный сцинтиллятор по настоящему изобретению имеет превосходную чувствительность к нейтронам. Дополнительно, базовая линия спектра амплитуд импульсов была постоянной в окрестности 0 отсчетов в секунду, показывая, что влияние фонового шума, связанного с γ-лучами, незначительно.
Электрические сигналы, снимаемые с вышеупомянутого электронного фотоумножителя, подавались на осциллограф (TDS3052B, произведенный Tektronix, Inc) для анализа формы импульса, посредством чего была определена постоянная затухания испускаемого света от сцинтиллятора для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением. Полученная постоянная затухания составляла 24 нс, показывая, что сцинтиллятор для детектирования нейтронов настоящего изобретения имеет превосходные характеристики временного отклика.
Примеры 2-5
6
6
6
6
Кристаллы фторидов металлов по настоящему изобретению были получены таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что типы и количества материалов были такими, как показано в Таблице 1. В Примерах 1, 3 и 4 использовался литиевый фторид с изотопическим отношением Li в 50%. В Примере 2 использовались фторид лития с изотопическим отношением Li в 50% и фторид лития с изотопическим отношением Li в 7,6%, смешанные в равных количествах. В Примере 5 использовался фторид лития с изотопическим отношением Li в 7,6%.
6
6
Плотности получающихся кристаллов фторида металла, массовые доли элементов Li в кристаллах фторида металла, изотопические отношения Li в литиевых материалах, и содержание Li, рассчитанное из этих параметров, показаны в Таблице 2. Кроме того, составы кристаллов фторида металла и эффективные атомные номера, рассчитанные из них, показаны в Таблице 2.
6
Работа сцинтилляторов для детектирования нейтронов была оценена тем же самым способом, как и в Примере 1. Значения амплитуд импульсов были получены из спектра амплитуд импульсов и выражены как индикатор интенсивности испускаемого света сцинтиллятором для каждого Примера. Значения амплитуд импульсов были показаны как относительные значения к Примеру 1. Кроме того, как индикатор эффективности нейтронного детектирования, была найдена пиковая площадь в вышеупомянутом спектре амплитуд импульсов. Кроме того, постоянная затухания испускаемого света была измерена таким же образом, как и в Примере 1. Результаты показаны в Таблице 3 наряду с содержанием Li и эффективным атомным номером каждого сцинтиллятора, и лантаноид, содержавшийся в каждом сцинтилляторе.
Пример 6
6
Кристалл фторида металла по настоящему изобретению был получен таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что типы и количества материалов были такими, как показано в Таблице 1. В настоящем Примере использовался фторид лития с изотопическим отношением Li в 50%.
6
6
Плотность получившегося кристалла фторида металла, массовая доля элементов Li в кристалле фторида металла, изотопическое отношение Li в литиевом материале, и содержание Li, рассчитанное из этих параметров, показаны в Таблице 2. Кроме того, состав кристалла фторида металла и эффективный атомный номер, рассчитанный из него, показаны в Таблице 2.
Работа сцинтиллятора для детектирования нейтронов была оценена тем же самым способом, как и в Примере 1, за исключением того, что в качестве электронного фотоумножителя использовался R7600, произведенный HAMAMATSU PHOTONICS K.K.. Полученные спектры амплитуд импульсов показаны на Фиг.2. В этих спектрах, сплошная линия отображает спектр, полученный с использованием сцинтиллятора по настоящему изобретению, и пунктирная линия отображает спектр, полученный облучением только электронного фотоумножителя радиацией, не используя по настоящему изобретению (значения амплитуд импульсов настоящего Примера не могут быть непосредственно сравнены со значениями амплитуд импульсов других Примеров и Сравнительных Примеров, поскольку используемые электронные фотоумножители различны). В спектрах распределения амплитуд импульсов из-за сцинтилляционного света ясно наблюдались увеличения сигналов в области значений амплитуд импульсов от 0,7 до 1,4, как показано в заштрихованном участке. Это демонстрирует, что нейтронный сцинтиллятор по настоящему изобретению имеет достаточную интенсивность испускаемого света.
6
Как индикатор эффективности нейтронного детектирования, площадь заштрихованного участка была найдена таким же образом, как и в Примере 1. Кроме того, постоянная затухания испускаемого света была измерена таким же образом, как и в Примере 1. Результаты показаны в Таблице 3 наряду с содержанием Li и эффективным атомным номером сцинтиллятора, и лантаноид, содержавшийся в сцинтилляторе.
Сравнительные Примеры 1 и 2
6
3
6
Кристаллы фторида металлов с содержанием Li на известном до настоящего времени уровне 0,73 атом/нм были приготовлены, и их работа была оценена таким же образом, как и в Примере 1, за исключением того, что типы и количества материалов были такими, как показано в Таблице 1. В этих Сравнительных Примерах как материал использовался фторид лития с изотопическим отношением Li в 7,6%. Составы и эффективные атомные номера получающихся кристаллов фторида металла показаны в Таблице 2, и результаты их оценки показаны в Таблице 3.
6
3
6
Результаты Примеров и Сравнительных Примеры показали, что сцинтилляторы для детектирования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением имели достаточные эффективности детектирования нейтронов, и что Примеры 1, 2, 3 и 4 с содержанием Li от 2 до 20 атом/нм имели превосходные эффективности детектирования нейтронов. Кроме того, Примеры 1, 2, 4 и 5, содержащие лантаноид, например, Ce, с переходом 5d-4f, как принцип испускания света, показали постоянную затухания испускаемого света от 22 до 45 нс, демонстрируя обладание особенно хорошими характеристиками временного отклика. Пример 6, содержащий Pr как лантаноид, имел постоянную затухания испускаемого света 18нс, демонстрируя обладание еще лучшими характеристиками временного отклика, чем в случае с Ce. Пример 3, имеющий Eu как лантаноид, продемонстрировал особенно высокую интенсивность испускаемого света. На Фиг.1 также показан спектр амплитуд импульсов кристалла LiCaAlF, содержащего Eu как лантаноид, который был получен в Примере 3.