CS245641B1

CS245641B1 - Scintillation material

Info

Publication number: CS245641B1
Application number: CS848621A
Authority: CS
Inventors: Cestmir Barta; Oldrich Gilar; Ljuba Jursova; Jitka Kubatova; Zdenek Pavlicek; Jan Polecha; Ales Triska
Original assignee: Cestmir Barta; Oldrich Gilar; Ljuba Jursova; Jitka Kubatova; Zdenek Pavlicek; Jan Polecha; Ales Triska
Priority date: 1984-11-13
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1986-10-16
Also published as: CS862184A1

Abstract

Scintilační materiál, který je předmětem vynálezu, je tvořen monokrystalem chloridu olovnatého aktivovaného manganem PbCl2/Mn/ v rozsahu 0,01 mol. % až 10 mol,% a je určen pro detekci ionizujícího záření s využitím jeho luminiscenčních vlastností. Při použití monokrystalu podle vynálezu se zvýší detekční účinnost přibližně o 35 % vůči alkalickým halogenidům za předpokladu stejných rozměrů scintilačního detektoru.Scintillation material subject to of the invention is formed by a single crystal of chloride lead-activated manganese PbCl2 / Mn / in the range of 0.01 mol. % to 10 mol% and is determined for the detection of ionizing radiation using its luminescent properties. While using of the single crystal of the invention is increased by detection efficiency about 35% relative to alkaline halides provided the same of the scintillation detector.

Description

Vynález se týká nového monokrystalického scintilačního materiálu pro detekci ionizujícího záření na principu jeho luminiscenčních vlastností.The invention relates to a novel single crystal scintillation material for detecting ionizing radiation on the basis of its luminescence properties.

Scintilační detektory patří v současné době mezi nejčastěji používané detektory v zařízeních pro detekci ionizujícího záření. Řada jejich vlastností, jako jsou vysoká detekční účinnost pro záření gama, neutrony a nabité částice, možnost spektrometřického měření především pro záření gama, vysoká časová rozlišovací schopnost a další, umožňují velký počet aplikací v nejrůznějších oborech vědy a techniky. \Scintillation detectors are currently among the most commonly used detectors in ionizing radiation detection devices. Many of their properties, such as high detection efficiency for gamma radiation, neutrons and charged particles, the possibility of spectrometric measurement especially for gamma radiation, high time resolution and others, allow a large number of applications in various fields of science and technology. \

Během třicetiletého vývoje scintilační techniky byla objevena a zdokonalena řada organických a anorganických látek, které je možno využít ve scintilační technice. V poslední době stále roste potřeba nových detekčních elementů ionizujícího záření, což má přímou spojitost s rozvojem jaderné techniky, jaderných zdrojů energie, stále náročnějšími metodami geologického průzkumu, rozvojem lékařských věd a dalších oborů.During the thirty-year development of scintillation technology, a number of organic and inorganic substances have been discovered and improved that can be used in scintillation technology. Recently there is a growing need for new detection elements of ionizing radiation, which is directly linked to the development of nuclear technology, nuclear energy sources, increasingly demanding methods of geological exploration, the development of medical sciences and other fields.

Dosavadní způsoby detekce ionizující v; záření, které využívají monokrystalů, jsou založeny buá na změně jejich elektrického odporu úměrně s ozářením nebo jejich luminiscenci, která je potom detekována a zesilována s využitím fotonásobiče.Existing methods for detecting ionizing v; The radiation utilizing single crystals is based either on a change in their electrical resistance in proportion to the irradiation or their luminescence, which is then detected and amplified using a photomultiplier.

Monokrystaly vhodné pro tyto, takzvané scintilační detektory, musí především být schopny v dostatečné míře absorbovat primární ionizující záření, a proto musí obsahovat pokud možno prvky s vysokým atomovým číslem.Monocrystals suitable for these so-called scintillation detectors must first of all be capable of absorbing primary ionizing radiation to a sufficient extent and therefore must preferably contain elements with a high atomic number.

V tomto směru je dosavadní technika omezena v podstatě jen na scintilační krystaly s vysokým atomovým číslem orientované složky. Jako typický příklad může sloužit nejvíce používaný krystal pro detekci záření gama - jodid sodný aktivovaný thaliem - NaJ/Tl/.In this regard, the prior art is limited essentially to scintillation crystals with a high atomic number of the oriented component. As a typical example, the most widely used crystal for detecting gamma-sodium iodide activated by thallium - NaJ (Tl) may serve.

Pro mnohé aplikace je zapotřebí scintilačních detektorů s neobyčejně velkými rozměry krystalového funkčního elementu. Náhrada sodíku cesiem, to je posledním členem řady alkalických kovů, naráží jednak na jeho neobyčejně vysokou cenu, která kromě toho není úměrná poměrně malému zvýšení průměrného atomového čísla funkčního elementu.For many applications, scintillation detectors with extremely large crystal functional element dimensions are required. The replacement of sodium by cesium, the last member of a series of alkali metals, encounters an extraordinarily high price, which in addition is not proportional to the relatively small increase in the average atomic number of the functional element.

Dosavadní používané scintilační detektory mají rovněž nevýhodu v tom, že nemohou pracovat při zvýšených pracovních teplotách a je obtížné je chladit. Proto výzkum v oblasti vyhledávání nových monokrystalů pro scintilační detektory je orientován na získání nových materiálů s vysokým atomovým číslem.The scintillation detectors used to date also have the disadvantage that they cannot operate at elevated operating temperatures and are difficult to cool. Therefore, research into the search for new single crystals for scintillation detectors is focused on obtaining new materials with high atomic number.

Tento požadavek splňuje scintilační materiál podle vynálezu, jehož podstatou je, že je tvořen monokrystalem chloridu olovnatého aktivovaného manganem v rozsahu 0,01 mol. až 10 mol. iThis requirement is met by the scintillation material according to the invention which consists of a single crystal of manganese-activated lead chloride in the range of 0.01 mol. up to 10 mol. and

Při použití monokrystalu PbC^/Mn/ se zvýší detekční účinnost přibližně o 35 S vůči alkalickým halogenidúm za předpokladu stejných rozměrů scintilačního detektoru, nebo při požadavku stejné detekční účinnosti je možno použít scintilačního detektoru menších rozměrů.When using a single crystal of PbCl2 (Mn), the detection efficiency is increased by about 35 S relative to the alkali halides provided the scintillation detector has the same dimensions, or a smaller scintillation detector can be used if the same detection efficiency is required.

Krystalizací z taveniny v uzavřeném kelímku byl vykultivován monokrystal chloridu olovnatého aktivovaného 0,5 mol. % manganu. Monokrystal byl pak opracován na rozměr o 0 20 mm x •χ 20 mm a zapouzdřen do hliníkového pouzdra s reflektorem a čelním skleněným okénkem, které pak bylo silikonovým olejem opticky připojeno na fotonásobič.The melt crystallization in a closed crucible resulted in the cultivation of 0.5 mol of lead chloride single crystal. % manganese. The single crystal was then machined to 0 20 mm x 20 mm and encapsulated in an aluminum housing with a reflector and a windshield, which was then optically attached to the photomultiplier with silicone oil.

Takto zhotovený scintilátor byl potom za stejných podmínek srovnán s klasickým scintilátorem NaJ/Tl/ stejných rozměrů. Scintilátor s monokrystalem Pbcl₂/Mn/ podle vynálezu vykazoval o 35 í vyšší účinnost při teplotě - 175 °C. 'The scintillator so produced was then compared to a conventional NaJ (T1) scintillator of the same dimensions under the same conditions. The single crystal scintillator Pbcl ₂ (Mn) according to the invention showed a 35 vyšší higher efficiency at - 175 ° C. '

Při ozáření krystalu dochází k přenosu energie absorbované základní mříží PbCl^iMn, Účinnost tohoto přenosu činí zhruba 75 Ϊ pro teplotu kolem 25 ''C, účinnost mírně roste od -20 °C do 65 °C.During irradiation of the crystal, the energy absorbed by the basic lattice PbCl2-iMn is transferred. The efficiency of this transfer is about 75 Ϊ for a temperature of about 25 ° C, the efficiency slightly increases from -20 ° C to 65 ° C.

Účinnost je zde brána jako poměr intenzity vyjádřené počtem fotonů infračervené emise při pokojové teplotě k intenzitě celkové enm. v oboru 400 az 850 nm.Efficiency is taken here as the ratio of the intensity expressed by the number of infrared emission photons at room temperature to the intensity of the total enm. in the range 400 to 850 nm.

Optimální koncentrace je v zásadě určena možností zabudování manganu do mříže chloridu olovnatého při zachování dostatečné optické kvality krystalu. Ke znatelnému koncentračnímu zhášení při koncentraci 0,1 mol. % Mn ve vzorku nedochází.The optimal concentration is essentially determined by the possibility of incorporating manganese into the lead chloride grid while maintaining sufficient optical quality of the crystal. A noticeable concentration quench at a concentration of 0.1 mol. % Mn in the sample does not occur.

Světelný výtěžek i zisk fotonásobiče jsou funkce teploty. Její kolísání v čase může mít za následek zhoršení energetické rozlišovací schopnosti a může vyvolat potíže při cejchování podle energie.Light output and photomultiplier gain are a function of temperature. Its fluctuation over time may result in a deterioration in the energy resolution and may cause difficulties in calibrating by energy.

V řadě případů je použití fotonásobičů limitováno, což znesnadňuje využití systémů scintilátor - fotonásobič, zvláště když je současně požadována vysoká mechanická pevnost, teplotní odolnost systémů a jejích malé rozměry.In many cases, the use of photomultipliers is limited, making it difficult to use scintillator-photomultiplier systems, especially when high mechanical strength, thermal resistance of systems and their small dimensions are required at the same time.

Rozptyl parametrů fotonásobiče znemožňuje jejich využití v systémech s mozaikovou strukturou tvořenou desítkami a stovkami detekčních prvků, které jsou nutné k vizualizaci funkce vnitřních orgánů v medicině, k detekci kosmického záření a podobně.The dispersion of photomultiplier parameters makes it impossible to use them in systems with a mosaic structure made up of tens and hundreds of detection elements, which are necessary to visualize the function of internal organs in medicine, to detect cosmic rays and the like.

Překonat tyto potíže umožňuje systém scintilátor a polovodičový fotočítlivý element. Polovodičový fotocitlivý element v kombinaci s operačním zesilovačem se co do citlivosti vyrovná fotonásobiči, má větší dynamický rozsah fotocitlivosti, malé rozměry a vyznačuje se vysokou spolehlivostí.The scintillator and the semiconductor photo-reader allow the system to overcome these problems. The semiconductor photosensitive element in combination with an operational amplifier is comparable to photomultipliers in sensitivity, has a larger dynamic range of photosensitivity, small dimensions and is characterized by high reliability.

Právě krystal PbCl₂/Mh/ je vhodný pro spojení s polovodičovým fotocitlivým elementem vzhledem k tomu, že emisní spektrum jmenovaného scintilátoru leží v oblasti maximální cítlivos ti polovodičových fotoeleraentů.The PbCl ₂ (Mh) crystal is suitable for connection with a semiconductor photosensitive element, since the emission spectrum of said scintillator lies in the region of maximum sensitivity of the semiconductor photoeleraents.

Claims

Scintillation material characterized in that it is a single crystal of manganese activated PbCl ₂ (Mn) in the range of 0.01 mol. % to 10 mol. %.