CZ302205B6 - 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 až 150 ns. Lze ho využít k detekci velmi nízkých úrovní radiace ve vedeckém výzkumu, ve zdravotnictví i v prumyslu.

Description

Vynález se týká anorganického scintilátoru tvořeného dopovaným hafaičitanem strontnatým.

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.

Hafaium je ve srovnání s luteciem upřednostňováno, a to vzhledem k praktické absenci radioaktivních isotopů hafaia. Hafaium 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 (SrHfO₃), dopovaný trojmocnými kationty ceru (Ce³⁺). Cer je široce užívaným dopantem ve scintilačních materiálech. Jeho nevýhodu je však nesouměritelnost jeho náboje s dvojmocným kationtem stroncia (SrJ, který v mříži hafničítanu strontnatého pri dopování nahrazuje. Vznikající nábojová nerovnováha znemožňuje dosažení vyšších koncentrací ceru v hafaičitanu strontnatém a dále vnáší další bodové defekty pro vyrovnání nábojové nerovnováhy, nej pravděpodobněji 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 hafaičitanu strontnatého (SrHfD₃), kde pri dopování nahrazuje dvojmocný kation stroncia (SrJ. Díky stejné valenci olovnatého a strontnatého iontu ajejich podobné velikosti nevnáší přítomnost iontu Pb²⁺ do mříže hafaičitanu strontnatého žádné další defekty a lze dosáhnout dotací až několika desítek procent iontu Pb²⁺ v mříži hafaičitanu strontnatého, přičemž jeho struktura je zachována. Dotací iontů Pb²⁺ do mříže hafaičitanu 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 iontem Ce³⁺, a s relativně rychlým dosvitem 140 až

150 ns, dosaženým díky významné spinorbitální interakci charakteristické pro skupinu 6s² iontů, ke které ion Pb²⁺ patří.

Práškové vzorky hafaičitanu strontnatého dopovaného olovem jsou připravovány žíháním směsi uhličitanu strontnatého SrCO₃, oxidu hafaičitého HfO₂ a oxidu olovnatého PbO při teplotách 500 až 1200 °C.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 jsou zobrazena excitační (a,b) a emisní (c,d) spektra vzorků SrHfO₃ s 0,3 a s 3 % mol. Pb² (Sr_0t997Pbo,oo3Hf0₃ a Sro,97Pbo,o3Hf0₃).

Obr. 2 znázorňuje kinetiku dosvitu měřenou u vzorku SrHfO₃ s 1 % mol. Pb²⁺ (Sr₀,99Pbo,oiHf0₃), excitace pri 220 nm, emise pri 340 nm, teplota 296 K. Naměřená závislost dosvitu na čase je aproximována fankcí I(t), v níž je dominantní doba života 145 ns.

- 1 CZ 302205 B6

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Foto luminiscenční spektra hafničitanu strontnatého dopovaného olovem (SrHfO₃:Pb) byla měřena na práškových vzorcích, které byly připraveny z výchozích práškových směsí složených z uhličitanu strontnatého SrCO₃, oxidu hafničitého HfO₂ a oxidu olovnatého PbO. Vzorek o složení Sro wPboooiHfth sestával z 1,4058 gramu SrCO₃, z 2,0103 gramu HfO₂ a z 0,0064 gramu PbO. Vzorek o složení Sro,97Pbo,o₃Hf0₃ sestával z 1,3677 gamu SrCO₃, z 2,0103 gramu HfO₂ a z 0,0639 gramu PbO. Oba vzorky byly postupně žíhány při teplotách 500 °C (4 hod.), 600 °C (4 hod.), 700 °C (4 hod.), 800 °C (4 hod.), 1000°C (8 hod.), 1100°C (8 hod.) a 1200°C (8 hodin). Výsledné práškové vzorky byly poté naneseny na duralové podložky s fixační vrstvou kaučukového lepidla.

U takto připravených vzorků byla naměřena fotoluminiscenční spektra uvedená na obr. 1. 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 dosvitu hafničitanu strontnatého dopovaného olovem (SrHfO₃Pb) byla měřena na práškovém vzorku o výchozím složení Sr_0i99Pbo,oiHf0₃ (l,3959g SrCO₃, 2,0103g HfO₂, 0,0213g PbO). Vzorek byl postupně žíhán při teplotách 500 °C (4 hod.), 600 °C (4 hod.), 700 °C (4 hod.), 800 °C (4 hod.), 1000°C (8 hod.), 1100°C (8 hod.) a 1200 °C (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 aproximální funkci dosvítu l(t) je 145ns) je dosažena díky spin-orbitální interakci charakteristické pro skupinu 6s² iontů, mezi něž patří i ion Pb²⁺.

Příklad 3

Měření sci nt i lační účinností hafničitanu strontnatého dopovaného olovem bylo provedeno u pěti vzorků o výchozím složení:

Sr₀.997Pbo.oo3Hf0₃ (l,4058g SrCO₃,2,0103g HfO₂, 0,0064g PbO),

Sr₀,99Pb_0l0]HfO₃ (l,3959g SrCO₃, 2,0103g HfO₂, 0,0213g PbO),

Sr₀.₉PbojHf0₃ (l,2690g SrCO₃, 2,0103g HfO₂, 0,2131gPbO),

Sr₀.₈Pbo,2Hf0₃ (14280g SrCO₃, 2,0103g HfO₂, 0,4263g PbO), a Sr₀₍5Pbo.5Hf0₃ (0,7050g SrCO₃, 2,0103g HfO₂, l,0658g PbO).

Pro srovnání bylo měření scintilační účinnosti provedeno i u dvou vzorků hafničitanu strontnatého dopovaného cerem (pomocí oxidu ceričitého, CeO₂) o složení Sr₀.99Ceo,oiHf0₃ (l,3959g SrCO₃,2,0103g HfO₂, 0,0164g CeO₂) a Sro.oCeo.iHfOs (1,2690g SrCO₃, 2,0103g HfO₂, 0,1644g CeO₂).

-2 CZ 302205 B6

Všech sedm vzorků bylo postupně žíháno při teplotách 500 °C (4 hod.), 600 °C (4 hod.), 700 °C (4 hod.), 800 °C (4 hod.) 1000 °C (8 hod.), 1100 °C (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, Bi₄Ge₃Oi2 (BGO). Tímto standardem io byla monokrystalická destička o průměru 14 mm a tloušťce 1,7 mm, z obou stran leštěná. Výška maxima emisního pásu BGO u 500 mm 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 Sri__xA_xHfO₃, (A = Pb, Ce), vyjádřené v procentech výšky píku BGO u 500 nm jsou:

Sro<M7pbo<i3Hf03 ... 51,0 %,

Sr₀.99Pbo.oiHť0₃ ... 118,01%, Sr₀<>PbojHf0₃ ... 242,5%,

Sro.₈Pb₀.2Hf0₃ ... 6,0%,

Sr₀.₅Pb₀.₅HÍO₃ ... 1,5%,

Sro^Ce o.oiHfO₃ ... 113,8%, Sr₀,₉Ceo,iHf0₃ ... 31,1%.

Důvodem poklesu scintilační účinnosti při vyšších koncentracích dopantu může být v případě ceru i rozdílná valence iontů Ce³⁺ a Sr²’. Dále se v případě obou dopantů nejspíše jedná o kon20 centrační zhášení luminiscence, což je při takto vysokých koncentracích dopantu obecně velmi častý jev.

Průmyslová využitelnost

Anorganický scintilátor hafničitan strontnatý dopovaný olovem (SrHfO₃:Pb) lze využít, vzhledem kjeho vysoké scintilační účinnosti a velmi nízké vlastní radioaktivitě, k detekci velmi nízkých úrovní radiace ve vědeckém výzkumu, ve zdravotnictví i v průmyslu.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Anorganický scintilátor, dopovaný hafničitan strontnatý, vyznačující se tím, že dopantem je dvojmocný kation olova Pb²⁺.
2. 2 výkresy

   Normalizovaná luminiscenční intensita

   -4CZ 302205 B6 intensita luminiscence

   0 500 1000 , 1500 2000

   Čas [ns]