CZ295948B6 - Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého - Google Patents

Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého Download PDF

Info

Publication number
CZ295948B6
CZ295948B6 CZ20012452A CZ20012452A CZ295948B6 CZ 295948 B6 CZ295948 B6 CZ 295948B6 CZ 20012452 A CZ20012452 A CZ 20012452A CZ 20012452 A CZ20012452 A CZ 20012452A CZ 295948 B6 CZ295948 B6 CZ 295948B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
ppm
crystal
molybdenum
doped
crystals
Prior art date
Application number
CZ20012452A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ20012452A3 (cs
Inventor
Martin Ing. Csc. Nikl
Pavel Prom. Fyz. Boháček
Original Assignee
Fyzikální Ústav Av Čr
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fyzikální Ústav Av Čr filed Critical Fyzikální Ústav Av Čr
Priority to CZ20012452A priority Critical patent/CZ295948B6/cs
Publication of CZ20012452A3 publication Critical patent/CZ20012452A3/cs
Publication of CZ295948B6 publication Critical patent/CZ295948B6/cs

Links

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého, který je dotován molybdenem a kodotován pětimocnými prvky vybranými ze skupiny zahrnující vanad, niob a tantal. Jeho celková scintilační účinnost je více než desetkrát vyšší v porovnání s nedotovaným materiálem a může být ještě dále zvýšena další kodotací trojmocnými prvky vybranými ze skupiny zahrnující yttrium, lanthan, gadolinium a lutecium, buď samotnými nebo v kombinaci.

Description

Vynález se týká scintilátoru na bázi wolframanu olovnatého dopovaného molybdenem.
Dosavadní stav techniky
Scintilační materiály užívané k detekci elektromagnetického a korpuskulárního záření přeměňují dopadající fotony a částice na fotony z ultrafialové nebo viditelné oblasti spektra, které jsou pak detekovány fotonásobičem, případně polovodičovým detektorem. Od konce minulého století byla objevena takovýchto materiálů celá řada a jsou dále vyvíjeny s ohledem na specifické nároky na jejich užití ve fyzice vysokých energií, v lékařské technice (tomografie zobrazovací metody), v průmyslu, v bezpečnostních systémech, apod.
Monokrystalický wolframan olovnatý PbWO4 (zkráceně označený PWO) byl v devadesátých letech předmětem intenzivního výzkumu, protože bylo zjištěno, že může být použit ve scintilačních detektorech vysokoenergetického záření (částic) v urychlovačích ve fyzice vysokých energií. Pro tyto aplikace je navržen a vyráběn materiál, který převádí energii záření na světle v modré oblasti spektra (420 mm), které vznikla na emisních centrech typu autolokalizovaného excitonu na komplexním anionu (WO4)2. Dotace PbWO4 vybranými trivalentními ionty (La, Y, Lu, Gd) dále výrazně zvýšila radiační odolnost a rychlost scintilační odezvy materiálu (viz přehledový článek: M. Nikl, phys.stat.sol. (a) 178, 595 (2000)). Ve finálním uspořádání je tento materiál průmyslově vyráběn s dvojnou dotací (Y, Nb) (viz A.Annenkov., E.Auffray, S.Borisevich, M.Korzhik, P.Lecoq, V.Ligun, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A426,486 (1999)).
Takto připravený materiál vykazuje extrémně rychlou scintilační odezvu, ale jeho celková scintilační účinnost je oproti klasickým scintilátorům, jakým je na příklad germaničitan vizmutitý Bi4Ge3Oi2 (BGO), velmi nízká, takže jeho použití mimo fyziku vysokých energií je prakticky nemožné. Vzhledem k teplotě indukovanému rozkladu excitonového centra při teplotách nad cca 150 K (viz V.Murk, M.Nikl, E.Mihokova, K.Nitsch : J.Phys. Cond. Mat. 9, 249 (1997)) je teoreticky možné zachytit na jiných emisích centrech uvolněné elektrony a díry a jejich zářivou rekombinací tak zvýšit celkovou produkci světla (integrální scintilační účinnost). Nejznámějším systémem tohoto typu je molybdenem dotovaný PWO (PbWO4:Mo), kde (MoO4)2~ anion poskytuje nové emisní centrum s maximem na volné délce kolem 500 nm (viz M.Kobayashi et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A373, 333(1996), dále R.Y.Zhu, D.A.Ma, H.B.Newman, C.L.Woody, J.A.Kierstead, S.P.Stolí, P.W.Levy, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A376, 319 (1996), a též M.Bohm et al., phys.stat.sol. (a) 167, 243 (1998)). Emise na podobné vlnové délce je přiřazována i defektní skupině WO3 (viz J.A.Groening, G.Blasse, J.Sol.St.Chem. 32, 9 (1980)). U takových „zeleně emitujících“ PWO se ale vždy vyskytovaly pomalé komponenty v dostihu v časové škále mikro-milisekundy, které jsou pro rychlou scintilační konverzi nežádoucí (viz M.Nikl, K.Nitsch. K.Polak, E.Mihokova, I.Dafinei, E.Auffray, P.Lecoq, P.Reiche, R.Uecker: phys.stat.sol. (b) 195, 311 (1996)). Potlačení těchto pomalých scintilačních komponent na úroveň nedotovaného PWO bylo dosaženo v dvojitě dotovaném PWO:Mo, Y, který současně vykazuje cca 2-3x vyšší celkovou scintilační účinnost ve srovnání s nedotovaným krystalem (viz M.Nikl, P.Bohacek, A.Vedda, M.Martini, G.O.Pazzi, P.Fabeni, M. Kobayashi: phys.stat.sol. (a) 182, R3 (2000)). Ve zmíněné práci je ale současně ukázáno, že konotace ionty Y vede ke snížení celkové scintilační účinnosti (cca 2x pro koncentraci Y 100 ppm vtavenině), pokud srovnáme PWO:Mo a PWO:Mo, Y systémy s jinak stejnou koncentrací iontů Mo v krystalu.
Nevýhodou současného stavu ve vývoji scintilátoru PWO je tedy jeho nízká celková scintilační účinnost. Při jejím hypotetickém zvýšení alespoň o jeden řád by přicházely v úvahu aplikace i mimo fyziku vysokých energií a PWO zde má prokazatelné výhody: vysoká měrná hmotnost,
-1 CZ 295948 B6 techniky zvládnutá příprava monokrystalů a v neposlední řadě nízká výrobní cena (zejména pokud je dotaci užit molybden, který tvoří hlavní přirozenou příměs wolframu, není tedy potřeba vstupní WO3 surovina s vysokou čistotou).
Podstata vynálezu
Uvedenou nevýhodu odstraňuje scintilátor na bázi wolframanu olovnatého dotovaného molybdenem, který je podle vynálezu kodotován jedním nebo více pětimocnými prvky vybranými ze skupiny vanad, niob, tantal. Celková scintilační účinnost dosahovaná u krystalů PbWO4 dotovaných molybdenem a jedním nebo více pětimocnými prvky jmenovanými výše dosahuje hodnot více než desetkrát vyšších, než celková scintilační účinnost u nedotovaných krystalů PbWO4 a více než čtyřikrát vyšších, než u krystalů PbWO4 dotovaných pouze molybdenem. Jejího dalšího zvýšení lze podle vynálezu dosáhnout další konotaci jedním nebo více troj mocnými prvky vybranými ze skupiny yttrium, lanthan, gadolinium, lutecium.
U krystalů PWO dotovaných pouze molybdenem celková scintilační účinnost s rostoucí koncentrací molybdenu nejprve vzrůstá, v oboru koncentrací 100-200 ppm Mo dosahuje ve srovnání s nedotovaným krystalem asi dvojnásobné hodnoty a pro koncentrace kolem 1 % (10 000 ppm) Mo dosahuje asi pětinásobku. Pro vyšší koncentrace začíná účinek molybdenu klesat, u 4 % Mo má celková scintilační účinnost opět jen asi dvojnásobek hodnoty odpovídající nedotovanému krystalu.
Podobně závisí zvýšení celkové scintilační účinnosti na koncentraci kodopantu u krystalů PWO podvojně dotovaných molybdenem a kodopantem z výše jmenovaných pětimocných prvků. Pro koncentrace kodopantů v oboru 50 - 100 ppm dosahuje celková scintilační účinnost asi dvojnásobku hodnoty odpovídající krystalu dotovanému pouze molybdenem (při stejné koncentraci molybdenu v obou krystalech). Při koncentracích molybdenu v oboru 1000-11 000 ppm jsou optimální koncentrace pětimocných kodopantů, při nichž celková scintilační účinnost u podvojně dotovaného krystalu dosahuje více než čtyřnásobku ve srovnání s hodnotou odpovídající krystalu dotovanému pouze molybdenem, v blízkosti hodnot 300 - 400 ppm.
Dalšího zvýšení celkové scintilační účinnosti u krystalů PWO lze dosáhnout tím, že kromě molybdenu a pětimocného kodopantu přidáme ještě druhý kodopant vybraný z výše zmíněných trojmocných prvků, o koncentraci 50 ppm.
Scintilátor podle vynálezu je srovnatelný z hlediska parametru celkové scintilační účinnosti s široce používaným scintilačním materiálem BGO, ale je výrobně výrazně levnější (nižší cena vstupních surovin a nižší bod tání).
Příklady konkrétního provedení
Metodologie měření, definice pojmů:
1) Celková scintilační účinnost je odvozena od maxima spektra radioluminiscence (dále ozn. RL). RL je excitována rentgenovým zářením (rentgenka s molybdenovou antikatodou, napětí 35 kV) a měřena na stejně tvarovaných vzorcích (typ. destičky o tloušťce 2 mm oboustranně leštěné) v přesně stejných experimentálních podmínkách při pokojové teplotě. Spektra jsou korigována na spektrální závislosti detekční části aparatury (další detaily vizM. Nikl et al, phys.stat.sol. (b) 195, 311 (1996)).
2) Uvedené úrovně dotace jsou v molámích ppm (part per milion) a není-li řečeno jinak, označují skutečné koncentrace v krystalu. Např. 100 ppm Mo označuje situaci, kdy se v krystalu na každý jeden milion atomů/iontů Pb vyskytuje 100 atomů/iontů Mo, atp.
-2CZ 295948 B6
Příklad 1
Metodou Czochralského byly připraveny čtyři monokrystaly PbWO4. Výchozími materiály pro přípravu těchto krystal byly směsi práškových oxidů PbO a WO3 o čistotách lepších než 4N (tj. 99,99 %), které byly dotovány ionty Mo aNb přidáním práškového MoCý a Nb2O5. do výchozího materiálu v níže uvedených koncentracích:
• materiál číslo 1: bez příměsi • materiál číslo 2: 200 ppm Mo v tavenině • materiál číslo 3: 200 ppm Nb v tavenině • materiál číslo 4: 200 ppm Mo + 200 ppm Nb v tavenině
Vypěstované krystaly měly tvar válce o průměru 14 mm a délce několika centimetrů. Z krystalů byly kolmo k ose válce vyříznuty destičky o tloušťce 2 mm, na nichž byla měřena spektra radioluminiscence (RL). Pomocí chemických analýz byl určen obsah příměsi v destičkách -tab. 1.
Tab. 1. Složení vzorků a maxima RL z krystalů 1 -4.
Krystal č. ppmMo ppmNb RL maximum
1 - - 900
2 192 - 1550
3 - 123 850
4 192 123 3300
Příslušná RL spektra krystalů č. 1 až 4 jsou na obrázku 1 (viz příloha) a jejich maxima jsou uvedena v tab. 1. Je patrné že RL spektrum krystalu č. 3 dotovaného jen niobem se od spektra nedotovaného krystalu č. 1 liší jen málo. Přídavek samotného molybdenu (krystal č.2) změní barvu RL z modré (intrinsická luminiscence PbWO4, jmenovitě centra (WO4)2') na zelenou (luminiscence centra (MoO4)2'), maximální intenzita vzrost v tomto případě asi o 50 %. Dvojitá dotace krystalu molybdenem a niobem zvyšuje intenzitu RL, tj. celkovou scintilační účinnost, nejvýrazněji.
Příklad 2
Krystaly PWO č.5 až 8 s vyšším obsahem příměsí (0 nebo 2750 ppm Mo a O nebo 500 ppm Nb v tavenině) byly připraveny stejným způsobem jako krystaly v předcházejícím příkladu. Do výchozího materiálu pro krystaly č. 8 bylo navíc dále přidáno 50 ppm yttria. Složení destiček připravených z krystalů 5-8 jsou v následující tabulce 2, naměřená RL spektra jsou na obrázku 2.
Tab. 2. Složení vzorků a maxima RL z krystalů 5-8, srovnání s BGO scintilátorem.
Krystal č. ppm Mo ppmNb ppm Y RL maximum
5 700
6 2260 1900
7-1 2755 352 14500
7-2 3026 475 10000
8 2642 305 48 15500
BGO - - - 18000
-3CZ 295948 B6
Na obrázku 2 (viz příloha) se nacházejí RL spektra krystalů PWO č. 5 až 8 a krystalu BGO. Krystal č.7 nabývá nejvyšší intenzity RL při obsahu niobu kolem 350 ppm a s dále se zvyšujícím obsahem Nb intenzita RL klesá. Příměs yttria v krystalu ě.8 posouvá optimální obsah Nb na asi 300 ppm a současně dále zvyšuje celkovou intenzitu RL. Pro srovnání byla změřena RL na stejně tvarované destičce BGO (Bi4Ge3Oj2), což je široce užívaný scintilátor pro průmyslové a vybrané lékařské aplikace. Je vidět, že krystal č. 8 přesahuje 80 % celkové scintilační účinnosti krystalu BGO.
Příklad 3
Krystal 9-13 byly připraveny stejně jako krystaly předcházející. Výchozí matriály obsahovaly 1 % (10 000 ppm) Mo a 200 ppm kodopantu (v, Nb, Ta) v tavenině. Je zahrnut také krystal s 5 % (50 000 ppm) Mo dotací.
Jak vyplývá z tabulky 3, jsou účinky vanadu a tantalu jako kodopantů srovnatelné s účinkem niobu, kterým jsou se zabývali podrobněji. Pro koncentraci Mo 5 % již RL výrazně klesá, optimální koncentrace Mo z hlediska maximální dosažitelné RL je tedy v rozmezí cca 2000 10 000 ppm. Koncentrační rozmezí uvedená v tabulce 3 u obsahů vanadu a tantalu odpovídají menšímu počtu dosud provedených chemických analýz.
Tab. 3. Složení vzorků a maxima RL z krystalů 9-13.
Krystal č. ppm Mo ppm kodopant RL maximum
9 8130 2500
10 40650 1000
11 8506 63-117V 4800
12-1 8043 70 Nb 4200
12-2 8966 100 Nb 5000
12-3 11922 245 Nb 11000
13-1 8114 53-104 Ta 3800
13-2 9898 111-170 Ta 6450
Průmyslová využitelnost
Scintilátor podle vynálezu lze využít kromě vědeckých aplikací ve fyzice středních a vysokých energií především v průmyslové detekci rentgenového a gama zařízení a ve vybraných aplikacích ve zdravotnictví.

Claims (2)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    1. Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého PbWO4 dotovaného molybdenem, vyznačující se tím, že je dále ko-dotován pětimocnými prvky vybranými ze skupiny zahrnující vanad, niob a tantal, buď samostatnými nebo v kombinaci.
  2. 2. Scintilátor podle nároku 1, vyznačující se t í m , že je dále ko-dotován trojmocnými prvky vybranými ze skupiny zahrnující yttrium, lanthan, gadolinium a lutecium, buď samotnými nebo v kombinaci.
CZ20012452A 2001-07-03 2001-07-03 Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého CZ295948B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20012452A CZ295948B6 (cs) 2001-07-03 2001-07-03 Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20012452A CZ295948B6 (cs) 2001-07-03 2001-07-03 Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ20012452A3 CZ20012452A3 (cs) 2003-02-12
CZ295948B6 true CZ295948B6 (cs) 2005-12-14

Family

ID=5473466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20012452A CZ295948B6 (cs) 2001-07-03 2001-07-03 Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ295948B6 (cs)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ304458B6 (cs) * 2012-09-27 2014-05-14 České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Jaderná A Fyzikálně Inženýrská Anorganický scintilátor nebo luminofor na bázi sulfidu draselno-lutecitého dopovaného europiem (KLuS2:Eu)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ304459B6 (cs) * 2012-09-27 2014-05-14 České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Jaderná A Fyzikálně Inženýrská Anorganický scintilátor na bázi sulfidu draselno-lutecitého dopovaného cerem (KLuS2:Ce)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ304458B6 (cs) * 2012-09-27 2014-05-14 České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Jaderná A Fyzikálně Inženýrská Anorganický scintilátor nebo luminofor na bázi sulfidu draselno-lutecitého dopovaného europiem (KLuS2:Eu)

Also Published As

Publication number Publication date
CZ20012452A3 (cs) 2003-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yuan Air-stable bulk halide single-crystal scintillator Cs3Cu2I5 by melt growth: intrinsic and Tl doped with high light yield
Yanagida Inorganic scintillating materials and scintillation detectors
Van Loef et al. High-energy-resolution scintillator: Ce 3+ activated LaBr 3
CN104508192B (zh) 具有改进光学特性的多掺杂镥基氧正硅酸盐闪烁体
JP5103879B2 (ja) シンチレータ用結晶及び放射線検出器
JP5389328B2 (ja) Prを含むシンチレータ用単結晶及びその製造方法並びに放射線検出器及び検査装置
He et al. Ultra-fast scintillation properties of β-Ga2O3 single crystals grown by floating zone method
US7048872B2 (en) Codoped direct-gap semiconductor scintillators
US20120119092A1 (en) Scintillating material having low afterglow
Jary et al. Luminescence characteristics of the Ce3+-doped pyrosilicates: The case of La-admixed Gd2Si2O7 single crystals
Kantuptim et al. Optical and scintillation characteristics of Tb-doped La2Si2O7 single crystal
CN113563882A (zh) 一种闪烁发光材料及其制备方法
Ayer et al. BaWO 2 F 4: a mixed anion X-ray scintillator with excellent photoluminescence quantum efficiency
Průša et al. Garnet scintillators of superior timing characteristics: material, engineering by liquid phase epitaxy
Visser et al. The scintillation intensity and decay from Nd3+ 4f25d and 4f3 excited states in several fluoride crystals
Wen et al. Scintillator‐oriented near‐infrared emitting Cs4SrI6: Yb2+, Sm2+ single crystals via sensitization strategy
Kobayashi et al. Doping PbWO4 with different ions to increase the light yield
Wu et al. Ultralow-concentration Sm codoping in CsI: Tl scintillator: A case of little things can make a big difference
Koshimizu et al. Luminescence properties of Gd2Si2O7: Ce and Gd2Si2O7: La, Ce under vacuum ultraviolet irradiation
US11512251B2 (en) Rare-earth halide scintillating material and application thereof
Dorenbos et al. The intensity of the 173 nm emission of LaFs3: Nd3+ scintillation crystals
CN115506007B (zh) 一种近红外发光金属卤化物闪烁晶体及其制备方法和应用
Annenkov et al. Slow components and afterglow in PWO crystal scintillations
CZ295948B6 (cs) Scintilátor na bázi wolframanu olovnatého
US20100224798A1 (en) Scintillator based on lanthanum iodide and lanthanum bromide

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20090703