CN1651548B - 基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在中子和γ-量子监控上具有高的光输出和能量分辨率的闪烁材料。该提供的闪烁材料基于含有对碘化锂熔体具有化学耐力的铕化合物的掺杂碘化锂晶体，具有较碘中的离子更小的阴离子离子半径，各组份之间具有如下比率：铕化合物(依据铕)：6·10-3-9·10-2，碘化锂：剩余部分。这些化合物可以用铕的氧化物、氟化物、氧氟化物、或其混合物来表示。

Description

基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料
技术领域
本发明涉及基于无机物质的闪烁剂，该闪烁剂用于核辐射(γ-、α-、β-辐射，热中子，微中子等)的监控和检测。
背景技术
基于碘化锂的闪烁剂的特性，事实上在于该闪烁剂是双重转化器。一方面，这些闪烁剂将电离辐射(γ-、α-和β-辐射)转化为光能，因而作为通常的闪烁剂。另一方面，它们能够监控在双阶段过程(double stage process)框架中的热中子。在第一阶段，中子通过以下反应与6Li原子相互作用
3 6Li+0 1n→2 4He+1 3H+Q          (1)
其中，Q-α-粒子和氚核的总能量，等于4.78MeV。
在第二阶段，在反应(1)形成的粒子的能量转化为光能。
基于碘化锂晶体的该材料的高功效由两种因素决定：一方面，由获得包括α-粒子和氚核的电离辐射的有效检测器的可能性决定；另一方面，由获得具有高6Li原子含量的材料的可能性决定。依据这些，两组参数被认作这种闪烁剂的特性。
第一组由表征在电离辐射如γ-量子(gamma-quanta)监控上的闪烁剂工作效率的参数组成。考虑时间衰减、发光峰最大位置、能量分辨率(energyresolution)和光输出(light yield)作为第一组参数(对于任意闪烁材料都是类似的)。基于这点，在多数情形中137Cs被用作γ-量子源。
第二组由表征闪烁剂在热中子监控上的参数组成。它们是依据反应(1)决定用于热中子的材料吸收能力的参数，和表征闪烁剂自身在监控反应(1)中产生的α-粒子和氚核的参数。在具有钚-铍源的中子的辐射下，能量分辨率和光输出被认为是该第二组的主要闪烁参数。在此，将光输出值确定为在该γ量子当量范围中的热中子峰位置，并命名为“γ-当量(gamma-equivalent)”。
最近，用于中子监控的有效闪烁材料的创造，不仅对于基础科学和核能学，而且对于全球社会来说，都是目前关注的问题，因为基于这些闪烁剂的工业创造，对于发现和监控爆炸物的未确定储存和分散是必要的。
基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料是公知的，其中锂-、铕-、铊-、锡-和钐的碘化物被用作掺杂剂。在表1中给出了这些公知闪烁剂的组成和特性。
表1
依据表1，含有Tl、Sn和Sm的碘化物作为掺杂剂(实施例1-3)[O.Smakula，Einkristalle，Springer，Berlin，1962.-p.365]的公知闪烁材料，在γ-量子监控上具有低的光输出。这使得人们在中子监控上假设其有低的光输出，因此，这些材料尚未发现实际应用。
基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料是公知的，其中掺杂剂是浓度(依据铕)为0.056wt％的二价铕碘化物(表1，实施例4)[Harshaw Chemie BVCatalogue.-80p.]。
依据RSC“应用化学(Applied Chemistry)”(St.Petersburg，Russia)和乌克兰国家科学院闪烁材料学会(Institute for Scintillation Maerials of NASofUkraine)(Kharkiv，Ukraine)的数据，碘化锂可以用具有依据铕的浓度为0.005wt％的三价铕碘化物掺杂(表1，实施例5)。
已发现这些材料主要在包括混合中子和γ领域(存在γ背景)的中子监控方面上具有广阔应用。
“Harshaw Chemie BV”公司的类似物被选作具有最大共特的原型(表1，实施例4)。
但是，这种材料在中子监控上具有相当高的光输出(与α-粒子和氚核的总能量-4.78MeV相比较，γ-当量等于3MeV)，限制了该材料的可行性，并且在γ背景存在下使中子识别很困难。对于这种材料的能量分辨率值没有具体化，这使人们假设其低于如NaI(Tl)的分辨率值。该特性不支持γ-和中子辐射光谱的可行性。
发明内容
所提供的本发明是基于任务：获得具有最大可能的能量分辨率的基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料。
基于以下事实确保该问题的解决：依据本发明，基于碘化锂晶体的闪烁材料含有对碘化锂熔体具有化学耐力的铕化合物，具有较碘中的离子显著更小的阴离子半径，各组份之间具有如下比率，wt％。
铕化合物(依据铕)-6·10-3-9·10-2，
碘化锂          -剩余部分。
特别地，上述材料可以含有氟化物和(或)铕的氧化物作为掺杂剂，也可以含有满足上述要求的其它铕化合物，例如氧氟化物、氢氧化物等。在该设定材料中，可以含有作为单独物质或作为其混合物的掺杂剂。在后一情形中，混合物可以具有任意组成，但是总掺杂剂浓度必须符合给定的浓度范围。
具体实施方式
铕化合物掺杂剂对碘化锂熔体的耐力，使人们能防止该掺杂剂与LiI之间在熔体中的交换反应流，并且，与原型不同，使得假分子(pseudomolecular)发光中心(在氟化物和铕氧化物情形中分别为“Eu-F”或“Eu-O”中心)的产生成为可能，因此，显著减少由阴离子半径与锂和铕的阳离子电荷的差别导致的基本物质的晶体结构变形。在此，该发光中心最紧邻处的结构严重发生改变。
当使用所述掺杂剂时，在组成、浓度和发光中心结构上的改变，大概确保了该既定任务的解决，并且使得人们获得一种具有显著改进光输出与能量分辨率值的闪烁材料。
在此，该给定材料的组成由最佳掺杂浓度(依据铕)0.006～0.09wt％来确定，其通过在当量范围-4.6MeV-4.9MeV中的最大γ-当量值来表征。在这种情形下，用于该粒子能量的能量分辨率为最佳值(3.5～5.5％)。同时，在该特定掺杂浓度范围中，可以采用0.06～0.08wt％的小范围，其中，观测到在γ-量子当量范围(4.8-4.9MeV)中的最大γ-当量值和用于反应(1)中形成的粒子能量的能量分辨率值(3.5％)。
在掺杂浓度降低时晶体参数的恶化可以与发光中心数量的减少相联系。在此，掺杂剂浓度的降低主要导致该能量分辨率恶化，并且，在较小程度上导致γ-当量值的降低，其可以在表2中看出。当掺杂浓度的增加超过0.09wt％时，材料特性同样会恶化，因此，可以认为这种影响是晶体透明性降低(crystal transparency)和淬灭过程(quenching process)的结果，两者对于发光材料来说都是特有的。
在表1中给出了模拟特性(analog characteristics)。
在表2中给出了给定材料的特性。
为了获得该给定材料，分别使用100gr.重量的LiI和60gr.重量的EuF3、Eu2O3、EuOF或Eu(OH)3(0.06wt％，表2，实施例4、12、18和24)。在复合掺杂剂(composite dopant)的情形下，制备Eu2O3和EuF3量均为30gr.的混合物。在此，总浓度为0.06wt％(表2，实施例28)。将这些物质放置在石英管(quartz ampoule)中。在温度380℃下，将该制备的混合物真空脱水。将该管脱开，并放置在晶体生长炉内。在具有隔离膜的双重炉(double furnace)中通过布里奇曼(Bridgman)法生长晶体。从获得的晶体(通过它们的高度)切割相应尺寸的工作元件的闪烁剂厚片(slab)，并且密封在具有输出镜(output glass)的密封容器中。制得的闪烁剂尺寸分别是直径为13、16、23和25mm，且高度为3、8和25mm。
在表2中给出了具有另一掺杂剂和其它掺杂剂的实施例。在表中未给出其它不同的掺杂剂混合物(除了Eu2O3+EuF3之外)，因为它们可以被还原为这种混合物。
使用Hamamatsu光电放大器，在室温下采用标准程序进行闪烁特性测量。使用具有尺寸10×10和40×40mm且光输出分别为3.8和4.2LYAU(光输出任意单位(light yield arbitrary units))的NaI(Tl)检测器作为参考试样。
表2
*)6LiI[Eu(OH)3]闪烁材料；
**)具有复合掺杂剂的6LiI(Eu2O3+EuF3)闪烁材料。
从表中可以看到，该设定材料的γ当量值等于或超过反应(1)中形成的α-粒子和氘核的总能量，并且等于4.6-4.9MeV。可以认为达到了最终目的。
也可以认为在热中子(3.5-5.5％)辐射下的能量分辨率是最佳成果。在此，662KeVγ-量子能量的分辨率代表了最好的NaI(Tl)试样(6-7％)的水平。
这些情况使人们得出获得了独特的闪烁材料的结论，这可以认为是目前已知的用于热中子监控的最有效的材料，可以用于中子和γ-量子光谱中。在后一情形中，最具吸引力的材料含量为0.06-0.08wt％，具有能量分辨率值3.5％。在此，所研究材料的参数最大值对应于实施例2-7、10-14、17-20、23-25和28(表2)，确定最佳掺杂浓度范围为0.006-0.9wt％。

Claims (6)

1.一种闪烁材料，包括含有对碘化锂熔体具有化学稳定性的铕化合物作为掺杂剂的掺杂LiI晶体，具有较碘中的离子更小的阴离子离子半径，各组份之间具有如下比率，wt％：
铕化合物，依据铕-6·10-3-9·10-2，
碘化锂-剩余部分，
其中所述闪烁材料含有铕的氧化物、或氟化物、或氧氟化物、或氢氧化物、或它们的混合物作为掺杂剂。
2.权利要求1的基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料，其中该铕化合物选自EuF3、Eu2O3、EuOF、Eu(OH)3或EuF3+Eu2O3。
3.权利要求1的基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料，其中铕化合物依据铕的含量比为0.06-0.08wt％。
4.铕化合物作为掺杂剂用于基于掺杂碘化锂晶体的闪烁材料的用途，其中铕化合物对碘化锂熔体具有化学稳定性，具有较碘中的离子更小的阴离子离子半径，各组份之间具有如下比率，wt％：
铕化合物，依据铕-0.006-0.09，
碘化锂-剩余部分，
其中所述闪烁材料含有铕的氧化物、或氟化物、或氧氟化物、或氢氧化物、或它们的混合物作为掺杂剂。
5.权利要求4的铕化合物的用途，其中该铕化合物选自EuF3、Eu2O3、EuOF、Eu(OH)3或EuF3+Eu2O3。
6.权利要求4的铕化合物的用途，其中铕化合物依据铕的含量比为0.06-0.09wt％。
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