НЕОРГАНИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР И ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ
INORGANIC SCINTILLATION MATERIAL, CRYSTALLINE SCINTILLATOR AND RADIATION DETECTOR

Изобретение относится к новым неорганическим сцинтилляционным материалам, главным образом, к сцинтиллятору кристаллического типа, в частности, в форме монокристалла и к его использованию в детекторах гамма-излучения, рентгеновского излучения, космических лучей и др.
4
Сцинтилляционные материалы, особенно в виде монокристаллов, широко используются для детектирования ионизирующего излучения как в виде электромагнитных волн низких энергий, так и гамма-излучения, рентгеновского излучения, космических лучей и частиц. Механизм сцинтилляции основан на преобразовании энергии фотонов или частиц в свет видимого (близкого к видимому диапазона), который может регистрироваться с помощью стандартных фотодетекторов. Основными характеристиками кристаллических сцинтилляторов являются: способность задержки рентгеновских или гамма-лучей, которая в первом приближении является функцией ρ·Z (где ρ - плотность, Z - эффективный атомный номер), световой выход сцинтилляций, постоянная времени высвечивания, энергетическое разрешение. Чем меньше постоянная времени высвечивания, тем лучше временное разрешение детектора. Чем меньше численное значение энергетического разрешения, тем лучше качество детектора. Энергетическое разрешение порядка 7% (стандартное для NaI) уже позволяет получать хорошие результаты при решении определенного вида задач. Особый интерес представляют собой монокристаллические формы сцинтилляторов (сцинтилляторы в виде монокристаллов). Для эффективного использования такие сцинтилляторы должны быть нетоксичны, обладать достаточной твердостью и, что весьма важно - должны быть негигроскопичными.
137
Известны и широко используются кристаллы-сцинтилляторы типа иодида натрия с примесью таллия NaI(Tl), обнаруженные в 1948 г. Robert Holstadter. Такие материалы характеризуются высоким световым выходом порядка 38000-40000 фотонов/МэВ, являются основой современных сцинтилляторов и до сих пор остаются преобладающими в этой области техники. Такие материалы, как NaI(Tl), имеют среднее энергетическое разрешение (~7% на линии 662 кэВ Cs), но имеют большую постоянную времени высвечивания, равную приблизительно 230 нс. CsI(Tl) также имеет большую постоянную времени высвечивания, превышающую 500 нс. Сцинтилляционные материалы типа NaI(Tl) характеризуются высокой гигроскопичностью, что является их существенным недостатком. По причинам, изложенным выше, разработка новых сцинтилляционных материалов с улучшенными характеристиками в настоящее время продолжает оставаться предметом многочисленных исследований.
3
3
В 2001 году появились публикации (см. ниже) о новой группе сцинтилляторов на основе галогенидов лантана, допированных церием, в частности на основе хлорида лантана LaCl и бромида лантана LaBr. Эти сцинтилляторы имеют постоянную времени высвечивания около 20 нс и световой выход, сравнимый со световым выходом материалов типа NaI(Tl) и даже превышающий его.
1-x
x
3
1-x
x
3
3
3
7
Известны сцинтилляционные материалы на основе редкоземельных элементов типа LnCeCl и LnCeBr, где Ln выбирается среди лантаноидов или их смесей, а х - мольная доля замещения Ln церием, а также детекторы излучения, в которых применяются такие сцинтилляционные материалы (Заявки РСТ/ЕР01/01837 и РСТ/ЕР01/01838. МПК С09К 11/85. «Кристаллы сцинтилляторы, процесс изготовления, применение этих кристаллов». Публикации РСТ WO 01/60944 от 23.08.2001 и WO 01/60945 от 23.08.2001). В частности, монокристаллы LaCl:Се и LaBr:Се характеризуются коротким временем высвечивания с быстрой составляющей 25-36 нс и превосходным энергетическим разрешением, достигающим ~2,9%-3,1%. Однако эти сцинтилляторы при всех своих достоинствах обладают существенным недостатком - высокой гигроскопичностью. Применение таких кристаллов в детекторах излучения при атмосферных условиях без специальной защиты от влаги весьма проблематично.
(1-x-y)
y
x
3
3
Известен неорганический сцинтилляционный материал, в том числе в форме монокристалла, содержащий галогенид празеодима и галогенид церия и имеющий общую формулу PrLnCeX, где Ln выбирается среди элементов La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Y или их смесей, X выбирается из группы элементов Cl, Br, I или их смесей, x - мольная доля замещения празеодима (Pr) церием, y - мольная доля замещения празеодима лантаном (Заявка РСТ ЕР 2006/066427. МПК G01T 1/203 (2006.01). Быстрый сцинтиллятор с высоким световым выходом. Публикация заявки РСТ WO 2007/031583 от 22.03.2007). В этой заявке также описаны детекторы излучения на основе указанного сцинтилляционного материала. Сцинтилляционный материал по настоящему изобретению, представляющий интерес для области детектирования гамма-излучения, обладает худшим энергетическим разрешением, чем LaBr:Се по заявке WO 01/60945, но лучшим быстродействием (выше 100 kcps (килоотсчетов в секунду), или даже выше 1 Mcps (мегаотсчетов в секунду)). Такой материал представляет особенный интерес для его применения в детекторах с высокой скоростью счета, особенно в сканерах PET (позитронной эмиссионной томографии). К недостаткам описанного материала относится необходимость улучшения энергетического разрешения путем получения материала с хорошей кристалличностью и гомогенностью в хорошо контролируемых печах при адекватном выборе тепловых условий, градиентов температуры на границе раздела твердое тело/жидкость. Указанные материалы обладают высокой гигроскопичностью.
(1-y)
y
3
(1-y)
y
3
Известны сцинтилляционные кристаллы формулы LnCeX:М, где LnCeX - состав матрицы сцинтилляционного материала, Ln - один или более элементов, выбранных из группы редкоземельных элементов, Х - один или более элементов из группы галогенов, М - легирующая добавка к матрице материала, которая представляет собой один или более элементов, выбранных из группы Li, Na, К, 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, Та, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg (Заявка США №2008/0067391. МПК G01T 1/202 (2006.01). Сцинтилляционный кристалл и детектор излучения. Опубликовано 20.03.2008). Введение в матрицу кристалла перечисленных выше элементов позволяет получать кристаллы, у которых пик интенсивности сцинтилляционного излучения сдвинут в длинноволновую область, что повышает эффективность работы детекторов на основе таких кристаллов, обычно в устройствах с фотоумножителем с двущелочным (bialkali) фотокатодом в качестве фотодетектора. Основным недостатком разработанных сцинтилляционных кристаллов является их высокая гигроскопичность.
Перед авторами настоящего изобретения стояла задача разработать негигроскопичные неорганические сцинтилляционные материалы, преимущественно кристаллические сцинтилляторы, и детекторы излучения на их основе, обладающие необходимыми сцинтилляционными свойствами, такими как плотность и задерживающая способность, небольшое время высвечивания, хорошее энергетическое разрешение.
Для решения поставленной задачи по настоящему изобретению предлагается неорганический сцинтилляционный материал типа галогенида формулы
(1-m-n)
n
m
(3+n)
LnHfCeA,
где А представляет собой либо Br, либо Cl, либо I, либо смесь, по меньшей мере, двух галогенов из этой группы,
Ln представляет собой элемент из группы: La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Lu, Y,
m - мольная доля замещения Ln церием,
n - мольная доля замещения Ln гафнием,
m и n - числа больше 0, но меньше 1,
сумма (m+n) меньше 1.
Предпочтительно m изменяется от 0,0005 до 0,3 (это значит, что мольная доля замещения Ln церием предпочтительно составляет от 0,05 до 30% мол.).
Предпочтительно n изменяется от 0,0005 до 0,015 (это значит, что мольная доля замещения Ln гафнием предпочтительно составляет от 0,05 до 1,5% мол.).
Материал, где Ln - это лантан (La), является предпочтительным.
Материал, где Ln - это лантан (La), А - это бром (Br), является особенно предпочтительным.
Для материала, где Ln - это лантан (La), А - это бром (Br), предпочтительно m изменяется от 0,005 до 0,1 (это значит, что мольная доля замещения Ln церием предпочтительно составляет от 0,5 до 10% мол.).
Для материала, где Ln - это лантан (La), А - это бром (Br), предпочтительно n изменяется от 0,002 до 0,01 (это значит, что мольная доля замещения Ln гафнием предпочтительно составляет от 0,2 до 1,0% мол.).
Сцинтилляционный материал по настоящему изобретению может быть изготовлен в виде монокристалла.
3
Объем монокристалла обычно составляет не менее 10 мм.
Сцинтилляционный материал по настоящему изобретению может быть в виде порошка, предпочтительно поликристаллического.
Сцинтилляционный материал по настоящему изобретению может быть либо уплотненным, например спрессованным, либо спеченным, либо смешанным со связующим.
Для решения поставленной задачи по настоящему изобретению предлагается кристаллический сцинтиллятор формулы
(1-m)
m
3
4+
LnCeA:n·Hf,
(1-m)
m
3
где LnCeA представляет собой формулу матрицы материала, А представляет собой либо Br, либо Cl, либо I, либо смесь, по меньшей мере, двух галогенов из этой группы,
Ln представляет собой элемент из группы: La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Lu, Y,
4+
Hf - легирующая добавка,
m - число больше 0, но меньше или равно 0,3,
4+
n - содержание (% мол.) легирующей добавки Hf, составляет предпочтительно от 0,05% мол. до 1,5% мол.
Кристаллический сцинтиллятор, где Ln - это лантан (La), является предпочтительным.
Кристаллический сцинтиллятор, где А - это бром (Br), является предпочтительным.
Кристаллический сцинтиллятор по настоящему изобретению может быть изготовлен в виде монокристалла.
Монокристалл, где Ln - это лантан (La), А - это бром (Br), является особенно предпочтительным.
3
Объем монокристалла обычно составляет не менее 10 мм.
Детектор излучения по настоящему изобретению включает сцинтилляционный элемент на основе неорганического сцинтилляционного материала типа галогенида формулы
(1-m-n)
n
m
(3+n)
LnHfCeA,
где А представляет собой либо Br, либо Cl, либо I, либо смесь, по меньшей мере, двух галогенов из этой группы,
Ln представляет собой элемент из группы: La, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Lu, Y,
m - мольная доля замещения Ln церием,
n - мольная доля замещения Ln гафнием,
m и n - числа больше 0, но меньше 1,
сумма (m+n) меньше 1,
и фотодетектор, соединенный со сцинтилляционным элементом и обеспечивающий формирование электрических сигналов в ответ на излучение световых импульсов, формируемых посредством сцинтилляционного элемента.
Предпочтительные особенности качественного и количественного состава сцинтилляционного материала, из которого выполняют сцинтилляционный элемент по настоящему изобретению, описаны выше.
Предпочтительно, чтобы сцинтилляционный элемент был выполнен на основе монокристалла.
Особенно предпочтительно, чтобы сцинтилляционный элемент был выполнен из монокристалла, в котором Ln - это лантан (La), А - это бром (Br).
3
Предпочтительно, чтобы объем монокристалла составлял не менее 10 мм.
Сцинтилляционный элемент может быть выполнен из сцинтилляционного материала в виде порошка, например, поликристаллического порошка.
Сцинтилляционный элемент может быть выполнен на основе сцинтилляционного материала, предварительно либо уплотненного, в частности спрессованного, либо спеченного, либо смешанного со связующим.
В качестве фотодетектора может быть использован, например, фотоэлектронный умножитель или фотодиод.
4
Техническим результатом изобретения является создание неорганического сцинтилляционного материала, в том числе кристаллического сцинтиллятора, и детектора излучения, включающего новые сцинтилляционные материалы, обладающие необходимыми сцинтилляционными свойствами, такими как плотность и задерживающая способность, небольшое время высвечивания, хорошее разрешение по энергии и характеризующиеся очень низкой гигроскопичностью. Оптимальные сцинтилляционные характеристики (короткое время высвечивания и низкое значение энергетического разрешения) достигается за счет наличия в матрице материала соединений типа галогенидов Ln, в которых Ln частично замещен церием. Для подавления гигроскопичности в материал вводится галогенид гафния HfA. Ионы гафния занимают места в кристаллической структуре материала, потенциально готовые к внедрению в нее молекул воды. Исследованные в изобретении соединения Ln типа галогенидов имеют достаточно сложную кристаллическую структуру. Бромид лантана, например, имеет гексагональную кристаллическую решетку с ярко выраженной спайностью. По этой причине связи между кристаллическими плоскостями весьма слабы, что проявляется в склонности материала на его основе к растрескиванию и появлению системы каналов при кристаллизации. Именно наличие слабых связей в матрице материала позволяет молекулам воды эффективно проникать в структуру кристалла и постепенно его растворять. При внедрении ионов гафния в матрицу материала, происходит блокирование доступа в матрицу молекул воды с образованием модифицированной кристаллической негигроскопичной структуры. Снижение гигроскопичности материала до минимальной величины одновременно приводит к увеличению срока службы детекторов излучения в условиях влажной атмосферы.
Материал по настоящему изобретению может быть получен, в частности, в виде монокристалла путем выращивания известными способами, такими как выращивание методом Бриджмена, или методом Киропулоса, или методом Чохральского. Для выращивания монокристалла методом Бриджмена в кварцевых вакуумированных ампулах использовали исходные материалы квалификации 99,999. Загрузку ампулы ростовым материалом, представляющим собой смесь исходных галогенидов в необходимом соотношении, производили в сухом боксе. Ампулу с ростовым материалом вакуумировали и помещали в двухзонную печь, конструктивно содержащую горячую и холодную зоны (зону расплавления и зону кристаллизации). Скорость опускания ампулы из горячей зоны в холодную составляла ~2 мм/ч. В результате получали прозрачные без посторонних включений кристаллы, которые могут содержать примеси, обычные в области настоящего изобретения, поступающие из исходного материала.
Для изучения влияния качественного и количественного состава полученного материала на его гигроскопичность и сцинтилляционные свойства выращенные образцы экспонировались в течение нескольких часов в атмосфере с влажностью ~50%.
Визуально гигроскопичность проявлялась в помутнении поверхности кристалла и в изменении структуры поверхностного слоя. Количественными показателями, связанными с этими проявлениями гигроскопичности, являются изменение световыхода и энергетического разрешения кристаллов. Уменьшение содержания гафния в материале за нижнюю границу интервала значений по настоящему изобретению (или при отсутствии гафния) приводит к получению материала с гигроскопичными свойствами. Увеличение содержания гафния в материале в большую сторону за верхнюю границу интервала значений по настоящему изобретению приводит к получению окрашенного кристалла и ухудшению сцинтилляционных свойств (см. ниже примеры и таблицы).
Настоящее изобретение иллюстрируется приведенными ниже примерами, но не ограничивается ими.
0,95
0,05
3
Пример 1. (сравнительный). Методом Бриджмена выращен монокристалл LaСеBr. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~2.8%. Световыход полученного кристалла принят за 100%. При экспонировании в течение 2-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла мутнеет, меняется структура поверхности. Световыход составляет 40%, энергетическое разрешение ~6,3%.
0,948
0,002
0,05
3,002
Пример 2. Методом Бриджмена выращен монокристалл LaHfСеBr. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~2.8%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 4-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла визуально не изменилась. Световыход составляет 96%, энергетическое разрешение ~2,9%.
0,986
0,004
0,01
3,004
Пример 3. Методом Бриджмена выращен монокристалл LaHfСеBr. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~2.9%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 4-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла визуально не изменилась. Световыход составляет 96%, энергетическое разрешение -3,0%.
0,935
0,015
0,05
3,015
Пример 4. Методом Бриджмена выращен монокристалл. LaHfСеBr. Кристалл без посторонних включений и без трещин, но имеет окраску. Энергетическое разрешение ~3.0%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 4-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла визуально не изменилась. Световыход составляет 97%, энергетическое разрешение ~3,1%.
0,90
0,10
3
Пример 5. (сравнительный). Методом Бриджмена выращен монокристалл LaСеCl. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~3.8%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 2-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла мутнеет, незначительно меняется структура поверхности. Световыход составляет 50%, энергетическое разрешение ~7%.
0,919
0,001
0,08
3,001
Пример 6. Методом Бриджмена выращен монокристалл LaHfСеCl. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~4,2%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 4-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла слегка мутнеет, структура поверхности визуально не изменилась. Световыход составляет 90%, энергетическое разрешение ~4,6%.
0,916
0,004
0,08
3,004
Пример 7. Методом Бриджмена выращен монокристалл LaHfСеCl. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~4,3%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 4-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла визуально не изменилась. Световыход составляет 94%, энергетическое разрешение ~4,4%.
0,905
0,015
0,08
3,015
Пример 8. Методом Бриджмена выращен монокристалл LaHfСеCl. Кристалл окрашен, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~4,4%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 4-х часов в атмосфере с влажностью ~50% поверхность кристалла визуально не изменилась. Световыход составляет 96%, энергетическое разрешение ~4,5%.
0,95
0,05
3
Пример 9 (сравнительный). Методом Бриджмена выращен монокристалл LaCeI. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~5,3%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 2-х часов при влажности 50% поверхность кристалла мутнеет с различной интенсивностью по кристаллографическим направлениям, меняется структура поверхности. Световыход составляет 48%, энергетическое разрешение ~7,2%.
0,945
0,005
0,05
3,005
Пример 10. Методом Бриджмена выращен монокристалл LaHfСеI. Кристалл прозрачный, без посторонних включений и без трещин. Энергетическое разрешение ~5,4%. Световыход принят за 100%. При экспонировании в течение 4-х часов при влажности 50% поверхность кристалла визуально не изменилась. Световыход составляет 95%, энергетическое разрешение ~5,5%.
Соединения с другими Ln получали аналогично приведенным выше примерам. Свойства полученных соединений по настоящему изобретению для наглядности и удобства сравнения приведены ниже в таблицах 1 и 2, где энергетическое разрешение, постоянная времени высвечивания и поверхность кристалла соответственно обозначены как Э/р, t (нс) и Пв, обозначение АА (axial anisotropy) в таблицах означает - осевая анизотропия скорости деградации поверхности (изобретение не ограничивается приведенными примерами, а только иллюстрируется ими).
(1-m)
m
3
4+
Для наглядности и удобства сравнения ниже в таблице 2 отдельно сгруппированы свойства кристаллического сцинтиллятора общей формулы LnCeA:n-Hf.
Сцинтилляционный материал по настоящему изобретению может успешно использоваться, в частности, в качестве сцинтилляционного элемента детектора излучения, например, гамма-излучения и/или рентгеновских лучей. Детектор излучения по настоящему изобретению включает сцинтилляционный элемент, соединенный с фотодетектором, обеспечивающий формирование электрических сигналов в ответ на излучение световых импульсов, формируемых посредством сцинтилляционного элемента. В качестве фотодетектора в детекторе излучения может быть использован, например, фотоэлектронный умножитель, или фотодиод, или датчик CCD (от английского Charge Coupled Device).
Предпочтительное использование детекторов по настоящему изобретению относится к регистрации ионизирующего излучения как в виде электромагнитных волн низких энергий, так и для регистрации гамма-излучения, рентгеновского излучения, космических лучей и частиц. Использование детекторов полезно в фундаментальной физике, устройствах компьютерной томографии (СТ), РЕТ-томографах, в томографах нового поколения time of flight PET, в ручных (hand-held) гамма-спектрометрах, в карго-сканерах, в системах каротажа скважин, в системах радиационного контроля, а также в сочетании детекторов с оптоволоконными линиями для передачи световой вспышки на удаленный регистратор (фотоумножитель или фотодиод).