сцинтилляционный материал

Формула изобретения

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ на основе двойного вольфрамата натрия-висмута NaBi (WO₄)₂, отличающийся тем, что материал дополнительно содержит примесь щелочного металла из группы LiK, Rb, Cs в количестве 0,005 0,3 мас.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, в частности к сцинтилляционным материалам.

Известны сцинтилляционные кристаллы вольфраматов, в частности вольфрамата кадмия CdWO₄(CWO) [1] Достоинствами CWO, как сцинтиллятора, являются большая плотность (7г, 9 г/см³), высокий эффективный атомный номер (Z 62), малая радиационная длина (1,10 см), значительный световой выход сцинтилляций (до 40% относительно NaT(Tl), достаточно большая длина волны максимума спектра излучения (= 480-540 нм), позволяющая использовать CWO как с фотоэлектронными умножителями, так и с фотодиодами.

Недостатком CWO является значительное время высвечивания сцинтилляционного импульса, составляющее при комнатной температуре порядка 12000 нс (в импульсе присутствуют две компоненты с постоянными времени 5000 и 20000 нс). Кроме того, кристаллы CWO обладают невысокой радиационной стойкостью. Так, при облучении квантами средних энергий (Е 0,662 МэВ) снижение световыхода в зависимости от поглощенной дозы составляют 0,3% кГр. Эти факторы ограничивают применение сцинтиллятора CWO в устройствах детектирования ионизирующих излучений высоких энергий и трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения.

Наиболее близким к изобретению является кристалл двойного вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO₄)₂, используемый в радиаторах детекторов Черенкова [2]

Достоинства этого материала, как среды, преобразующей энергию ионизирующего излучения в кванты света, определяются его высокой плотностью (7,57 г/см³), большим эффективным атомным номером (Z71), малой радиационной длиной (1,01 см), высокой оптической прозрачностью в видимом и ультрафиолетовом (за исключением области 300-410 нм) диапазонах, быстродействием (порядка 3 нс) и значительной радиационной стойкостью снижение оптического пропускания происходит при дозах -облучения свыше 80 кГр и не превышает 0,15% кГр. Материал в качестве детекторов Черенкова находит применение для регистрации частиц высоких энергий. Как сцинтиллятор же кристалл NaBi(WO₄)₂ непригоден для детектирования -квантов, что определяется незначительным выходом света сцинтилляций, не превышающим при Е= 0,662 МэВ 0,2% относительно сцинтиллятора NaT(Tl).

Цель изобретения создание сцинтилляционного материала на основе двойного вольфрамата натрия-висмута, обладающего повышенным световым выходом сцинтилляций.

Цель достигается тем, что кристалл NaBi(WO₄)₂ содержит дополнительно примесь щелочного металла из группы Li, K, Pb, Cs в количестве 0,005-0,3 мас.

Выбор указанных щелочных металлов в качестве легирующей примеси обусловлен следующим. Известно, что сцинтиллирующие вольфраматы принадлежат к классу так называемых самоактивированных сцинтилляторов. Их радиолюминесценция обусловлена излучательным девозбуждением анионного комплекса WO₄^2- и практически индиферентна к присутствующим катионам. При этом свечение вольфраматов создается не всеми анионами WO₄², а только той их частью, которая находится в нерегулярных узлах решетки, то есть в искаженных участках анионной подрешетки. Двойной вольфрамат натрия-висмута кристаллизуется в структуре шеелита, причем катионы Na¹⁺и Bi³⁺ имеют координационные числа (к.ч.) 8, распределены по соответствующим структурным позициям статистически и обладают при данном к.ч. практически равными физическими ионными радиусами r_Na1+= 1,32 и r_Bi3+ 1,31 . Эти факторы обуславливают незначительную степень локальных искажений WO₄^2- комплексов (WO₄ тетраэдр слабо сжат по оси С и имеет два ребра по 2,97 и четыре ребра по 2,87 , то есть различие не превышает 3,4%). Создать локальные искажения WO₄² комплексов, достаточных для повышения светового выхода сцинтилляций NaBi(WO₄)², позволяет замещение части катионов Na¹⁺ или Bi³⁺ примесью, имеющей отличный от замещаемого катиона ионный радиус. При этом необходимо, чтобы примесь обладала тем же типом химической связи и способностью изовалентно замещать соответствующие катионы с сохранением к. ч. 8. Этим требованиям удовлетворяет замещение в NaBi(WO₄)₂ ионов натрия на одновалентные ионы щелочных металлов Li, K, Pb, Cs, для которых к. ч. 8 разрешены.

Монокристаллы сцинтиллятора NaBi(WO₄):Me, где Ме берется из группы металлов Li, K, Pb, Cs, получают следующим образом. Исходную шихту составляют из смеси компонентов Na₂CO₃:B₂O₃:WO₃ с добавкой соединения щелочного металла из указанной группы. Монокристаллы выращивают методом Чохральского в окислительной атмосфере в пластиновых тиглях при 935-980^оС со скоростью вытягивания 2,0-5,0 мм/ч и скоростью вращения затравки 20-30 мин^-1. По окончании процесса выращивания охлаждение кристаллов ведут со скоростью не более 50 К/ч.

Полученные монокристаллы контролируют по содержанию примеси щелочного металла, по величине светового выхода сцинтилляций, времени высвечивания импульса и радиационной стойкости. При этом используют соответственно метод атомно-абсорбционного анализа, стандартную методику измерения световыхода по пику полного поглощения -квантов источника

¹³⁷Cs, одноэлектронный метод при возбуждении -частицами от источника

²³⁸Pu и измерение оптического пропускания образцов до и после -облучения фиксированной дозой от источника 60_Со.

П р и м е р ы. Исходную шихту готовили из смеси основных компонентов Na₂CO₃:Bi₂O₃:WO₃. К навескам основной шихты вводили добавки щелочных металлов в виде карбонатов Ме₂СО₃, где Ме Li, K, Pb, Cs. Из составов методом Чохральского были выращены кристаллы NaBi(WO₄)₂:Me. Кристаллы, полученные в диапазоне содержаний примеси щелочных металлов до 0,3 мас. прозрачны, имеют желтую от слабой до средней интенсивности окраску, содержат малое количество визуально наблюдаемых дефектов (тонкодисперсных включений и микротрещин), локализованных в хвостовой зоне. Диаметр кристаллов составляет 20-23 мм, длина 60-80 мм. При содержании легирующей примеси 0,35 и более мас. присутствие включений и трещиноватость кристаллов резко возрастают, что связано с выпадением фаз, химически и структурно существенно отличающихся от матрицы. Такие образцы не прозрачны по всему объему.

Для измерения сцинтилляционных характеристик из кристаллов изготавливали элементы диаметром 18 и толщиной 5 мм, торцы которых были полированы по классу R_z 0,025, а боковая поверхность матирована. Дополнительно отбирали пробы материала для контроля содержания легирующего щелочного металла. На изготовленных элементах контролировали также по оптическим спектрам пропускания радиационную стойкость материала. Спектры снимали на спектрофотометре на длине волны 480 нм до и после облучения элемента от источника -квантов с энергией 1,33 МэВ (60_Со) дозами 12,0 Мрад. Результаты измерений содержания примеси, светового выхода сцинтилляций, времени высвечивания импульса и изменения оптического пропускания приведены в таблице.

Из таблицы следует, что положительный эффект, достигнутый при введении в указанном количестве примесей щелочных металлов в кристаллы NaBi(WO₄)₂, состоит в том, что полученный сцинтилляционный материал обладает световыходом сцинтилляций, составляющим при оптимальном содержании примеси 0,1 мас. в случае добавки Li 2,1, K 1,65, Pb 1,0, Cs 0,8% относительно NaT(Tl), то есть соответственно в 10,5; 8,2; 5,0; 4,0 раза выше, чем у нелегированного кристалла. При этом введение примесей щелочных металлов в диапазоне концентраций 0,005-0,3 мас. не привело к ухудшению быстродействия и радиационной стойкости кристалла относительно материала, описанного в прототипе. Эффект повышения световыхода не обеспечивается при содержаниях примеси, меньших 0,005 и больших 0,3 мас. (примеры 1,5, 12 и 16 с введением примесей с минимальным (Li) и максимальным (Cs) ионными радиусами). В первом случае это связано с малой величиной замещения в кристаллической матрице ионов натрия на ионы примеси. Во втором обусловлено непрозрачностью кристалла, препятствующей выходу света сцинтилляций. Таким образом, диапазон концентраций примеси щелочного металла из группы Li, K, Pb, Cs, обеспечивающих достижение поставленной цели, составляет 0,005-0,3 мас.

Полученный сцинтилляционный материал вследствие улучшения важной характеристики светового выхода сцинтилляций обладает большим относительно материала, описанного в прототипе, диапазоном применения. Сцинтилляционный кристалл может найти использование для регистрации спектрометрии частиц и квантов в устройствах физики высоких энергий, в частности в детекторах электромагнитных калориметров ускорителей на встречных пучках. В этом случае повышенный световыход обеспечит увеличение чувствительности регистрирующей системы, а малое время высвечивания и значительная радиационная стойкость обеспечат высокое временное разрешение и возможность работы в полях излучений большой интенсивности.