CZ200997A3 - Anorganický scintilátor - Google Patents

Abstract

Anorganický scintilátor podle vynálezu je tvoren hafnicitanem strontnatým dopovaným olovem (SrHfO.sub.3.n.:Pb). Vykazuje emisní pás v ultrafialové oblasti u 334 nm a s relativne rychlým dosvitem s dobou života 140 - 150 ns. Lze ho využít k detekci velmi nízkých úrovní radiace ve vedeckém výzkumu, ve zdravotnictví i v prumyslu.

Description

Dosavadní stav techniky

Anorganické scintilátory na bázi vhodně dopovaných hafalových a luteciových sloučenin jsou zajímavou skupinou materiálů pro scintilační aplikace. Mají relativně vysokou hustotu a efektivní atomové číslo, účinně tedy zachycují vysokoenergetické záření.

Hafnium je ve srovnání s luteciem upřednostňováno, a to vzhledem k praktické absenci radioaktivních isotopů hafaia. Hafnium tak umožňuje přípravu sloučenin se zanedbatelnou radioaktivitou, tedy nízkým pozadím indukovaným kromě šumu elektronické detekce především vlastní radioaktivitou scintilačního materiálu.

V současné době je známý práškový hafaičitan strontnatý (SrHfOs), dopovaný trojmocnými kationty ceru (Ce³⁺). Cer je široce užívaným dopantem ve scintilačních materiálech. Jeho nevýhodu je však nesouměřitelnost jeho náboje s dvojmocným kationtem stroncia (Sr²*), který v mříži hafničitanu strontnatého při dopování nahrazuje. Vznikající nábojová nerovnováha znemožňuje dosažení vyšších koncentrací ceru v hafaičitanu strontnatém a dále vnáší další bodové defekty pro vyrovnání nábojové nerovnováhy, nejpravděpodobněji vakance stroncia nebo eventuelně intersticiální kyslík, které mohou negativně ovlivňovat časové charakteristiky scintilační odezvy nebo samotnou scintilační účinnost.

Podstata vynálezu

Uvedenou nevýhodu odstraňuje použití dvojmocného kationtu olova (Pb²⁺) jako dopantu v mříži hafničitanu strontnatého (SrHfO₃), kde při dopování nahrazuje dvojmocný kation stroncia (Sr²’). Díky stejné valenci olovnatého a strontnatého iontu a jejich podobné velikosti nevnáší přítomnost iontu Pb²⁺ do mříže hafničitanu strontnatého žádné další defekty a lze dosáhnout dotací až několika desítek procent iontu Pb²⁺ v mříži hafničitanu strontnatého, přičemž jeho struktura je zachována. Dotaci iontů Pb²⁺ do mříže hafničitanu strontnatého tak lze získat vysoce účinný scintilační materiál s velmi nízkou vlastní radioaktivitou, s emisním pásem v ultrafialové oblasti u 334 nm, situovaným podobně jako v případě dotace 3+ iontem Ce\ a s relativně rychlým dosvitem 140 r 150 ns, dosaženým díky významné spinorbitální interakci charakteristické pro skupinu 6s² iontů, ke které ion Pb²⁺ patří.

Práškové vzorky hafničitanu strontnatého dopovaného olovem jsou připravovány žíháním směsi uhličitanu strontnatého,(SrCO₃X oxidu hafničitého fHfOzJa oxidu olovnatého (PbOJpři teplotách 500 až 1200j°C.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 jsou zobrazena excitační (a,b) a emisní (c,d) spektra vzorků SrHfOj s 0,3 a s 3 % mol. Pb²⁺ (Sr_Oi997Pbo.oo3HfO₃ a Sro^Pbo^HfCh).

Obr. 2 znázorňuje kinetiku dosvitu měřenou u vzorku SrHfO₃ s 1 % mol. Pb²⁺ (Sro,99Pbo.oiHf0₃), excitace při 220 nm, emise při 340 nm, teplota 296 K. Naměřená závislost dosvitu na čase je aproximována funkcí I(t), v níž je dominantní doba života 145 ns.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Fotoiuminiscenční spektra hafničitanu strontnatého dopovaného olovem (SrHfO3:Pb) byla měřena na práškových vzorcích, které byly připraveny z výchozích práškových směsí složených z uhličitanu strontnatého (SrCCh^ oxidu hafničitého (ílfChfa oxidu olovnatého (PbOý Vzorek o složení Sro,9?7Pbo,oo3Hf0₃ sestával z 1,4058 gramu SrCCh, z 2,0103 gramu HfO₂ a z 0,0064 gramu PbO. Vzorek o složení Sro^Pbo.oaHfí^ sestával z 1,3677 gramu SrCOí, z 2,0103 gramu HfO₂ a z 0,0639 gramu PbO. Oba vzorky byly postupně žíhány při teplotách 500j°C (4 hod.), 600^C (4 hod.), 700fC (4 hod.), 800fC (4 hod.), lOOOfC (8 hod.), L ÍOO^C (8 hod.) a 1200fC (8 hodin). Výsledné práškové vzorky byly poté naneseny na duralové podložky s fixační vrstvou kaučukového lepidla.

U takto připravených vzorků byla naměřena fotoiuminiscenční spektra uvedená na obr.l, Spektra vykazují emisní luminiscenční pás u 334 nm, excitační spektra tohoto pásu mají maxima u 270 nm a u 212 nm. Excitační a emisní pásy jsou dány přechody 6s²<-»6s6p elektronů v elektronovém obalu iontu Pb²⁺, které jsou v literatuře známy v jiných sloučeninách.

Příklad 2

Kinetika do svitu hafničitanu strontnatého dopovaného olovem (SrHfOy.Pb) byla měřena na práškovém vzorku o výchozím složení Sro.^Pbo.oiHfCh (l,3959g SrCCh, 2,0103g HfO₂, 0,0213g PbO). Vzorek byl postupně žíhán při teplotách 500fC (4 hod.), 600^0 (4 hod.), 700fC (4 hod.), 800fC (4 hod.), lOOO^C (8 hod.), IlOOfC (8 hod.) a 1200fC (8 hodin). Výsledný práškový vzorek byl poté nanesen na duralovou podložku s fixační vrstvou kaučukového lepidla.

Naměřená kinetika fotoluminiscence při excitaci u 270 nm a měřené vlnové délce luminiscence 330 nm je na obr. 2. Relativně rychlá luminiscence (dominantní doba života v aproximační funkci dosvitu l(t) je 145ns) je dosažena díky spin-orbitální interakci charakteristické pro skupinu 6s² iontů, mezi něž patří i ion Pb²⁺.

— ₄-Příklad 3

Měření scintilační účinnosti hafničitanu strontnatého dopovaného olovem bylo provedeno u pěti vzorků o výchozím složení:

Sro._wPbo,oo3Hf0₃ (l,4058g SrCO₃,2,0103g HfO₂, 0,0064g PbO),

Sr₀,99Pbo,oiHf0₃ (l,3959g SrCO₃,2,0103g HfO₂, 0,0213g PbO),

Sr₀,9Pbo.iHf0₃ (l,2690g SrC0₃,2,0103gHÍ0₂,0,213lgPbO),

Sro._SPb₀,2Hf0₃ (l,1280g SrCO₃,2,0103g HfO₂,0,4263g PbO), a Sro,₅Pbo.₅Hf03 (0,7050g SrCO₃,2,0103g HfO₂,1,0658g PbO).

Pro srovnání bylo měření scintilační účinnosti provedeno i u dvou vzorků hafničitanu strontnatého dopovaného cerem (pomocí oxidu ceričitého, CeO₂) o složení

Sr₀.99Ce₀,0iHfO₃ (l,3959g SrCO₃,2,0103g HfO₂,0,0164g CeO₂) a Sro.qCeo.iHfOa (l,2690g SrCO₃,2,0103g HfO₂,0,1644g CeO₂).

Všech sedm vzorků bylo postupně žíháno při teplotách 500£C (4 hod.), 60Q°C (4 hod.), 700FC (4 hod.), 800^C (4 hod.), !00(£C (8 hod.), IlOOfC (8 hod.) a 1200^C (8 hodin). Výsledné práškové vzorky byly poté naneseny na duralové podložky s fixační vrstvou kaučukového lepidla.

Vzorky byly excitovány rentgenovým zářením (rentgenka s molybdenovou antikatodou, napětí 30 kV) a byla změřena jejich radioluminiscenční (RL) spektra. Scintilační účinnost měřených vzorků byla odvozena ze srovnání výšek jejich emisních pásů u 334 nm s výškou maxima RL spektra standardního vzorku germaničitanu vizmutitého, BÍ4Ge₃0i₂ (BGO). Tímto standardem byla monokrystalická destička o průměru 14 mm a tloušťce 1,7 mm, zobou stran leštěná. Výška maxima emisního pásu BGO u 500 nm je brána jako 100%. Naměřená spektra jsou korigována na spektrální závislost detekční části aparatury.

Výšky emisního píku u 334 nm v sintrovaných prášcích o výchozím složení Sr].xAxHíO₃, (A = Pb, Ce), vyjádřené v procentech výšky píku BGO u 500 nm jsou:

Sro997Pbo.oojHf0₃ ... 51,0%,

Sr₀.₉9Pb₀,₀|HfO₃ ...118,01%,

Sr₀<>Pb₀,iHÍO₃

Sr_0iSPbo,₂Hf0₃

Sro₃Pbo,5Hf03

... 242,5%,

... 6,0%,

... 1,5%,

Sro^Ce₀,₀iHfO₃ ... 113,8%,

Sro_₉Ce... 31,1%.

Důvodem poklesu scintilační účinnosti při vyšších koncentracích dopantu může být v případě ceru i rozdílná valence iontů Cc³⁺ a Sr²⁺. Dále se v případě obou dopantů nejspíše jedná o koncentrační zhášení luminiscence, což je při takto vysokých koncentracích dopantu obecně velmi častý jev.

Průmyslová využitelnost

Anorganický scintilátor hafničitan strontnatý dopovaný olovem (SrHfCh-.Pb) lze využít, vzhledem k jeho vysoké scintilační účinnosti a velmi nízké vlastní radioaktivitě, k detekci velmi nízkých úrovní radiace ve vědeckém výzkumu, ve zdravotnictví i v průmyslu.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   L·. Anorganický scintiiátor, dopovaný hafničitan strontnatý, vyznačující se tím, že dopantem je dvojmocný kation olova (Pb²⁺)í

   Normalizovaná luminiscenční intensita

   200

   300 400 vlnová délka (nm)