рабочее вещество для термоэкзоэлектронной дозиметрии гамма- и электронного излучения

Формула изобретения

Рабочее вещество для термоэкзоэлектронной дозиметрии на основе соединений алюминия и оксида, отличающееся тем, что в качестве соединения алюминия используют нитрид алюминия, а в качестве оксида - оксид иттрия при следующем соотношении компонентов, об.%:

AlN	97-98
Y2О3	2-3

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дозиметрии гамма- и электронного излучения и может быть пригодно для систем радиационного контроля биологической защиты ядерно-энергетических установок, для мониторинга радиационной обстановки в зоне захоронения радиоактивных отходов, для оценки и прогнозирования радиационной обстановки в помещениях торговых центров и спортивных комплексов, в больницах и медицинских диагностических центрах, в церковных храмах, банках, а также для контроля радиационной обстановки в местах базирования электронно-лучевой техники.

Известно рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии рентгеновского излучения (Авт. свид. СССР № 723470) на основе ванадата кальция Са₃(VO₄)₂. Это рабочее вещество имеет пики ТЭЭ при 497-507°С (770-780 К). Оно обеспечивает измерение доз рентгеновского излучения до 10⁵ Гр (10 ⁷рад). Однако недостатком известного рабочего вещества для ТЭЭ дозиметрии ванадата кальция является его повышенный Z _эфф=18.48, превышающий Z_эфф (биологической и костной ткани) в несколько раз, что с метрологической точки зрения делает его непригодным для использования в индивидуально дозиметрии. Кроме того, применение Са₃(VO₄)₂ в качестве рабочего вещества для ТЭЭ дозиметрии электронного излучения неизвестно.

Известно рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии (Phys. Stat. Sol(a) 1973, v.19, p.243) на основе MgO. Оно имеет пики ТЭЭ в области 150-300°С. Известное рабочее вещество на основе MgO имеет эффективный атомный номер Z _эфф=10.75, близкий к Z_эфф биологической ткани. Однако известное рабочее вещество на основе MgO обладает низкой химической стойкостью по отношению к плавиковой кислоте, под действием которой MgO переходит во фторид магния и теряег свои свойства как рабочего вещества для ТЭЭ.

Известно рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии (J.Kramer, J.Angew. Phys. 1966, Bd 20, № 5, р.411; А.И.Слесарев и др. Письма в ЖТФ, 2000, т.26, в.9, с.60-64) на основе LiF. Оно имеет пик ТЭЭ при 210°С (по Крамеру), при 90, 126, 148, 270, 337 и 464°С (по Слесареву) и пригодно для индивидуальной дозиметрии, поскольку его Z _эфф близок к Z_эфф биологической ткани. Однако известное рабочее вещество на основе LiF имеет низкую предельную температуру хранения, не превышающую 846°С. При более высокой температуре оно плавится и теряет свою форму.

Известен термолюминофор на основе керамики нитрида алюминия AlN-Y ₂О₃, получаемый при 1785°С из порошков AlN и Y₂О₃ методом плазменного синтеза. Содержание кислородного компонента в нитриде алюминия, допированного крупинками Y₂О₃, составляло от 0,15 до 0,7 мол.% (S.Schweizer, U.Rogulis, J.-M.Spaeth, L.Trinkler, B.Berzina. Proceedings of Fifth Int. Conf. On Inorganic Scintillators and their Applications. M. Moscow State University, 2000, p.715-719; L.Trinkler, P.Christensen, N.A.Larsen, B.Berzina. Radiation Measurements 1998, v.29, p.341; B.Berzina, L.Trinkler, E.Palcevskis, J.Sils. Science Forum 1996, v.239-241, p. 145). Однако для известного состава AlN-Y₂O₃ (0,15-0,7 мол.%) известны только термолюминесцентные свойства. Возможность использования состава AlN-Y₂O₃ (0,15-0,7 мол.%) в качестве экзоэлектронного дозиметра в вышеперчисленных работах не оговаривалась. Такая возможность была неизвестна.

Из всех известных рабочих веществ для термоэкзоэмиссионной дозиметрии наиболее близким к заявляемому по составу является рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии на основе соединения алюминия Al₂О₃-Cr ³⁺ (З.Г.Цинцадзе и др. Сообщения АН Грузинской ССР, 1976, т.84, №2, с.341). Пики ТЭЭ известного рабочего вещества на основе Al₂О₃-Cr для ТЭЭ дозиметрии рентгеновского излучения находятся при 127 и 227°С. Эффективный атомный номер Al₂О₃-Cr, равный 11.59, близок к Z_эфф биологической ткани. Однако известное рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии неустойчиво при хранении в парах плавиковой кислоты HF, вещество разлагается и теряет свои свойства.

Предложенное рабочее вещество для термоэкзоэлектронной дозиметрии включает в себя соединение алюминия в виде нитрида алюминия с добавкой оксида, в качестве которого выступает оксид иттрия, при следующем соотношении компонентов (объемные %):

AlN 97÷98

Y₂О₃ 2÷3.

Предложенное рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет пики ТЭЭ при 78, 107.9, 151.4, 174.0, 282.0°С, фиг.1 (облучение электронами). На фиг.1 приведены кривые ТЭЭ с разложением общего спектра на составляющие. Разложение сложного спектра ТЭЭ на элементарные полосы проведено после его предварительного сглаживания в предположении кинетики первого порядка (по методу Мохарила: S.V.Moharil. J.Phys. D.: Appl. Phys. 1983, v.16, p.2017-2025). Основной рабочий пик ТЭЭ для AlN-Y₂О₃ расположен при температурах 70-110°С, что обеспечивает быстрый съем дозиметрической информации при термостимуляции. Диапазон измеряемых флюенсов электронов изменяется от 10⁸ до 10¹² см ^-2.

Предложенное рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии на основе нитрида алюминия имеет Z_эфф=11.57, близкий к Z_эфф костной ткани (10.5), отличается повышенной термической и химической стойкостью и высокой твердостью: твердость по Моосу 9. Холодная плавиковая кислота на AlN не действует. На нитрид алюминия не действуют расплавленный алюминий (до 2000°С), галлий (до 1300°С), борный ангидрид (до 1400°С), он устойчив в контакте с вольфрамом и молибденом - до 1800°С (G.Long, L.M.Foster. Journ. Elektrochem. Soc. - 1962, N109, p.1176).

Основные пики термостимулированной экзоэлектронной эмиссии рабочего вещества для ТЭЭ дозиметрии на основе нитрида алюминия (температура пиков ТЭЭ Т_m, значения интенсивности экзоэмиссионного тока I_экз и энергии активации Е) приведены в таблице 1. Основной рабочий пик ТЭЭ находится при температуре 107.9°С, его интенсивность в 1.5-6 раз превышает интенсивность остальных пиков ТЭЭ.

Пример 1.

Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав (объемн. %):

AlN 98.0, Y₂О₃ 2.0. Эффективный атомный номер Z_эфф˜11.57. Плотность 3,12 кг/м³, структура типа вюртцита с параметрами а=3,104, с=4,965Å.

Измерения ТЭЭ выполнены на автоматизированном экзоэмиссионном спектрометре (АЭЭС) в вакууме ˜10^-5 Па. Измерительный тракт экзоэмиссионного спектрометра включает в себя систему термостимуляции, обеспечивающую линейный нагрев образцов в диапазоне 300-800 К со скоростью 0.1÷1.0 К/с и термостатирование. Спектрометр имеет систему возбуждения, состоящую из электронной пушки (энергия - 150 кэВ; плотность тока - 150 A/см²; длительность импульса 10 нс; флюенс электронов за один импульс - 10¹² см^-2 при использовании диаграммы флюенс электронов составляет 10 см^-2). С помощью применения специальных диафрагм были проведены измерения экзоэмиссии образцов, облученных электронами с флюенсами от 10⁸ см^-2 до 10¹² см^-2. Для рабочего вещества для ТЭЭ дозиметрии вышеуказанного состава термоэкзоэмиссионные характеристики приведены в таблице для флюенса 10¹² см^-2 . В таблице 1 указаны позиции максимумов пиков ТЭЭ (Т_m ) и, соответствующие им интенсивности экзоэмиссионного тока I _экз, а также энергии активации (Е) процессов экзоэмиссии.

Основным достоинством предлагаемого рабочего вещества для ТЭЭ является его повышенная химическая и термическая стойкость и повышенная чувствительность к малым флюенсам электронного излучения на уровне 10⁸ см^-2. Предлагаемое рабочее вещество чувствительно также к гамма- и рентгеновскому излучению.

Таблица 1
Характеристики рабочего вещества для ТЭЭ дозиметрии, имеющего состав (объемн. %): AlN - 98, Y2О 3 - 2
Тm , °C	Iэкз, имп/сек	Е, эВ
282	1070	1,725
174	500	1,724
151,4	1640	1,222
107,9	3100	1,124
78,5	1725	0,756

Пример 2.

Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав (объемн. %): AlN 97.0, Y₂О₃ 3.0. Основные физико-химические свойства рабочего вещества такие же, как и в Примере 1. Измерения характеристик рабочего вещества данного состава проводились так же, как и в Примере 1. Позиции пиков ТЭЭ расположены при температурах, близких к температурам рабочего вещества в Примере 1, а именно при ˜78-80, 107-110, 151-152, 174-175, 280-285°С. Основным рабочим пиком остается пик при 107-110°С. Линейный диапазон измеряемых флюенсов электронов составляет 10⁸-10¹² см^-2 .

Пример 3.

Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав (объемн. %): AlN 96.4, Y₂О₃ 2.6. Измерения характеристик рабочего вещества данного состава проводились так же, как и в предыдущем примере. Позиции пиков ТЭЭ расположены при температурах, близких к температурам рабочего вещества, описанного в примере 1, а именно пики ТСЭ расположены при ˜78-80, 107-110, 151-152, 174-175, 280-285°С. Основным рабочим пиком остается пик при 107-110°С. Линейный диапазон измеряемых флюенсов электронов составляет 10⁸-10¹² см^-2 .

Пример 4.

Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав (объемн. %): AlN 99.5, Y₂О₃ 0.5. Измерения экзоэмиссионных характеристик рабочего вещества данного состава для ТЭЭ дозиметрии проводились так же, как в примере 1. Однако чувствительность данного рабочего вещества к флюенсу электронов оказалась на 30-40% ниже, чем в примере 1.

Пример 5.

Рабочее вещество для ТЭЭ дозиметрии имеет состав (объемн. %): AlN 96.0, Y₂O₃ 4.0. Измерения эхарактеристик рабочего вещества данного состава для ТЭЭ дозиметрии проводились так же, как в примере 1. Однако чувствительность данного рабочего вещества к флюенсу электронов оказалась на 35-42% ниже, чем в примере 1. Синтез керамических образцов нитрида алюминия с добавкой оксида иттрия, используемых в примерах 1-5, проводили путем спекания исходной шихты в атмосфере азота при температуре 1800°С в течение часа в графитовом тигле с внутренним диаметром 15 мм. Шихта состояла из исходных порошков нитрида алюминия, полученного из Института макрокинетики (г.Черноголовка), и оксида иттрия. Оксид иттрия использовался как активатор спекания. Исходная крупность порошка нитрида алюминия составляла минус 5 мкм. После синтеза образцы извлекались из графитового тигля, разрезались на диски диаметром 10-15 мм, толщиной 2 мм.