CS220542B1

CS220542B1 - Process for preparing single crystals of yttrium-aluminum garnet for scintillation detectors

Info

Publication number: CS220542B1
Application number: CS195881A
Authority: CS
Inventors: Josef Vecernik; Josef Kvapil; Jiri Kvapil; Karel Blazek; Eva Vecernikova
Original assignee: Josef Vecernik; Josef Kvapil; Jiri Kvapil; Karel Blazek; Eva Vecernikova
Priority date: 1981-03-18
Filing date: 1981-03-18
Publication date: 1983-04-29

Abstract

Podstatou předloženého vynálezu je příprava aktivního materiálu pro scintilátory na bázi ytritohlinitého granátu (YAG). Způsob přípravy podle vynálezu je vyznačen tím, že monokrystaly YAG se pěstují z taveniny kysličníků hliníku a ytria v atomárním poměru AI : Y = 5 : 2,9 — 3,1 obsahující dále 10~5 až 10“2 hmotnostních procent titanu a nejvýše 1,2 hmotnostních procent vzácných zemin, přičemž pěstování monokrystalů je prováděno v redukční atmosféře vodíku ve směsi s inertním plynem.The essence of the present invention is the preparation of an active material for scintillators based on yttrium aluminum garnet (YAG). The method of preparation according to the invention is characterized in that YAG single crystals are grown from a melt of aluminum and yttrium oxides in the atomic ratio Al : Y = 5 : 2.9 — 3.1, further containing 10~5 to 10“2 weight percent of titanium and not more than 1.2 weight percent of rare earths, while the growth of single crystals is carried out in a reducing atmosphere of hydrogen in a mixture with an inert gas.

Description

Vynález se týká způsobu přípravy aktivního materiálu pro scintilátory s vysokou účinností detekce alfa a beta záření, krátkou dobou života luminiscence a značnou chemickou, mechanickou a radiační odolností, které jsou použitelné k detekci radioaktivního záření, zejména v jaderně technologickém provozu.The invention relates to a process for the preparation of active material for scintillators with high alpha and beta radiation detection efficiency, short luminescence lifetime and considerable chemical, mechanical and radiation resistance, which are useful for the detection of radioactive radiation, especially in nuclear technology operation.

Mezi novými typy aktivních látek pro scintilátory zaujímá význačné místo monokrystal ytritohlinitého granátu, dále YAG, který je v současné době používán k registraci sekundárních elektronů. Především se YAG používá jako aktivní materiál laserů. U obou aplikací je YAG aktivován některým prvkem vzácných zemin. V případě scintilátorů pro registraci sekundárních elektronů je aktivátorem cer a u laserů je to neodym.Among the new types of active substances for scintillators, the single crystal of yttrium-aluminum garnet (YAG), which is currently used for the registration of secondary electrons, occupies an important place. First of all, YAG is used as an active laser material. In both applications, YAG is activated by some rare earth element. In the case of secondary electron scintillators, the activator is cerium and in the case of lasers it is neodymium.

Autoři předloženého vynálezu zjistili, že monokrystaly YAG nedotované nebo dotované prvky vzácných zemin vykazují též fluorescenci pod účinkem radioaktivního záření. Je proto možné z nich připravit scintilátory, které se vyznačují mimořádně vysokou mechanickou, tepelnou, radiační a chemickou odolností. Uvedené vlastnosti mají význam pro detekci jaderného záření, zvláště alfa a beta, v jaderně technologických provozech při vyšších teplotách a tlacích nebo v silně agresivním prostředí. Vynikající fyzikálně chemické vlastnosti monokrystalů YAG však nejsou současně doprovázeny vhodnými fluorescenčními vlastnostmi. Ve srovnání s komerčně dostupnými alfa a beta scintilátory mají scintilátory připravené z monokrystalů YAG malé rozlišení mezi alfa a beta zářením a vykazují sekundární dosvit.The present inventors have found that YAG single crystals of non-doped or doped rare earth elements also exhibit fluorescence under the effect of radioactive radiation. It is therefore possible to prepare scintillators from them which are characterized by an extremely high mechanical, thermal, radiation and chemical resistance. These properties are important for the detection of nuclear radiation, especially alpha and beta, in nuclear technology operations at higher temperatures and pressures or in strongly aggressive environments. However, the excellent physicochemical properties of YAG single crystals are not simultaneously accompanied by suitable fluorescent properties. Compared to commercially available alpha and beta scintillators, scintillators prepared from YAG single crystals have a low resolution between alpha and beta radiation and exhibit secondary afterglow.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob přípravy monokrystalů YAG podle tohoto vynálezu, který je vyznačen tím, že monokrystaly YAG se pěstují z taveniny kysličníků hliníku a ytria v atomárním poměru AI: : Y = 5 : 2,9 — 3,1, obsahující dále 10“⁵ až 10 ² hmotnostních procent titanu a nejvýšeThese drawbacks are eliminated by a method of preparing single crystal YAG laser according to the invention which is characterized in that the single crystal YAG is grown from a melt of aluminum and yttrium oxides in an atomic ratio of Al: Y = 5: 2.9 to 3.1, further containing 10 ^"5 ² to 10 weight percent titanium and not more than

1,2 hmotnostních procent vzácných zemin, přičemž pěstování monokrystalů je prováděno v redukční atmosféře vodíku ve směsi s inertním plynem. Vzácnými zeminami jsou zde míněny lanthanoidy, to je prvky s atomovým číslem 57 až 71.1.2% by weight of rare earths, the cultivation of single crystals being carried out in a reducing atmosphere of hydrogen in a mixture with an inert gas. By rare earths are meant lanthanides, i.e. elements with atomic numbers 57 to 71.

Uvedený způsob přípravy monokrystalů YAG se odlišuje od známých způsobů příprav v tom, že do základní taveniny je přidáván titan a v průběhu vlastního tažení je udržována redukční atmosféra. V současné době používané tažení na vzduchu se podle tohoto vynálezu nepoužívá, neboť i za přítomnosti titanu v tavenině se fluorescenční vlastnosti monokrystalů YAG zhoršují. Monokrystaly připravené podle tohoto vynálezu se řezáním, broušením a leštěním upraví do požadovaného tvaru scintilátoru. Fluorescenční vlastnosti takto připravených scintilátorů jsou závislé na množství a druhu přidaných vzácných zemin a na množství titanu. Přídavky titanu zlepšují rozlišení, v případě registrace monoenergetického beta záření, za současného zvýšení odstupu signálu pro alfa a beta částice. Radiometrická účinnost při detekci alfa a beta záření přitom zůstává stejná, to je 12 až 15 % z celkové 4 aktivity. Vzhledem ke gama záření se radiometrická účinnost monokrystalů YAG, připravených podle tohoto vynálezu, pohybuje od 0,1 do 5 % v porovnání s účinností scintilátorů z Nal(Tl).Said method for preparing YAG single crystals differs from the known methods in that titanium is added to the base melt and a reducing atmosphere is maintained during the actual drawing process. The present drawing in air is not used according to the invention, since even in the presence of titanium in the melt, the fluorescence properties of the YAG single crystals deteriorate. The single crystals prepared according to the invention are cut, grinded and polished to the desired scintillator shape. The fluorescence properties of scintillators thus prepared are dependent on the amount and type of rare earth added and the amount of titanium. Titanium additions improve the resolution when mono-energy beta radiation is registered, while increasing the signal separation for alpha and beta particles. The radiometric efficiency in detecting alpha and beta radiation remains the same, that is 12 to 15% of the total 4 activity. With respect to gamma radiation, the radiometric efficiency of the YAG single crystals prepared according to the present invention ranges from 0.1 to 5% compared to that of the Nal (Tl) scintillators.

Příklad 1Example 1

Základní surovina ve formě směsi kysličníků hliníku a ytria v atomárním poměru AI: Y = 5:3 spolu s 1.10~⁵ hmotnostními procenty titanu a 1,2 hmotnostními procenty ceru nebo kteréhokoliv z dalších prvků vzácných zemin se taví v elektrické peci v molybdenovém kelímku pod ochrannou redukční atmosférou složenou z argonu a 0,1 objemovými procenty vodíku. Monokrystal YAG se z této taveniny vypěstuje tažením metodou Czochralskiho nebo Stockbargerovou do tvaru válce o průměru 30 a délce 80 mm.The base material in the form of a mixture of aluminum and yttrium in an atomic ratio of Al: Y = 5: 3 together with 1.10 ~ ⁵ weight percent titanium and 1.2 weight percent cerium or any other rare earth element is melted in an electric furnace in a molybdenum crucible below a protective reducing atmosphere composed of argon and 0.1 volume percent hydrogen. The YAG single crystal is grown from this melt by drawing by Czochralski or Stockbarger method into a cylinder shape of 30 mm diameter and 80 mm length.

P ř í k 1 a d 2Example 1 a d 2

Základní surovina ve formě směsi kysličníků hliníku a ytria v atomárním poměru AI: Y = 5 : 2,9 spolu s 5.10“⁴ hmotnostními procenty titanu a 1,0* hmotnostními procenty neodymu nebo kteréhokoliv z dalších prvků vzácných zemin se taví v elektrické peci v molybdenovém kelímku pod ochrannou redukční atmosférou složenou z argonu a 10 objemovými procenty vodíku. Monokrystal YAG se z této taveniny vypěstuje tažením metodou Czochralskiho nebo Stockbargerovou do tvaru válce o průměru 30 a délce 80 milimetrů.The basic raw material in the form of mixed oxides of aluminum and yttrium in an atomic ratio of Al: Y = 5: 2.9 together with 5.10 ^"4 weight percent titanium and 1.0 weight percent neodymium * or any of the other rare earth elements were melted in an electric furnace in molybdenum crucible under a protective reducing atmosphere composed of argon and 10 volume percent hydrogen. The YAG single crystal is grown from this melt by drawing using the Czochralski or Stockbarger method to form a cylinder having a diameter of 30 and a length of 80 millimeters.

Příklad 3Example 3

Základní surovina ve formě směsi kysličníků hliníku a ytria v atomárním poměru AI: Y = 5 : 3,1 spolu s 1.10 -³ hmotnostními procenty titanu a 0,75 hmotnostními procenty europia nebo kteréhokoliv z dalších prvků vzácných zemin se taví v elektrické peci v molybdenovém kelímku pod ochrannou redukční atmosférou složenou z helia a 2 objemovými procenty vodíku. Monokrystal YAG se z této taveniny vypěstuje tažením metodou Czochralskiho nebo Stockbargerovou do tvaru válce o průměru 30 a délce 80 mm.The basic raw material in the form of mixed oxides of aluminum and yttrium in an atomic ratio of Al: Y = 5: 3.1 together with 1.10 - ³ percent by weight titanium and 0.75 percent by weight of europium or any of the other rare earth elements were melted in an electric furnace of molybdenum crucible under a protective reducing atmosphere composed of helium and 2 volume percent hydrogen. The YAG single crystal is grown from this melt by drawing by Czochralski or Stockbarger method into a cylinder shape of 30 mm diameter and 80 mm length.

PřikládáHe attaches

Základní surovina ve formě směsi kysličníků hliníku a ytria v atomárním poměru AI: Y = 5 : 3,1 spolu s 1.10^-2 hmotnostními procenty titanu se taví v elektrické peci v molybdenovém kelímku pod ochrannou redukční atmosférou složenou z helia a 0,01 objemovými procenty vodíku. Monokrystal YAG se z této taveniny vypěstuje tažením metódou Czochralskiho nebo Stockbargerovou do tvaru válce o průměru 30 a délce 60 milimetrů.The base material in the form of a mixture of aluminum oxides and yttrium in an atomic ratio of Al: Y = 5: 3.1 together with 1.10 ^-2 weight percent titanium is melted in an electric furnace in a molybdenum crucible under a protective reducing atmosphere composed of helium and 0.01 volume percent hydrogen. The YAG single crystal is grown from this melt by drawing using the Czochralski or Stockbarger method to form a cylinder having a diameter of 30 and a length of 60 millimeters.

Claims

Process for preparing yttrium aluminum garnet single crystals for scintillation detectors characterized in that yttrium aluminum garnet monocrystals are grown from a melt of aluminum and yttrium in an atomic ratio of Al: Y equal to 5: 2.9-3.1 containing further 10 ^-5 to 10 ^{-2 by} weight 0 to 1.2 weight percent of some of the rare earth elements, the single crystal cultivation being carried out in a protective reducing atmosphere of inert gas with the addition of 0.01 to 10 volume percent hydrogen.