RU2031987C1 - Сцинтилляционный материал - Google Patents
Сцинтилляционный материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2031987C1 RU2031987C1 SU4954472A RU2031987C1 RU 2031987 C1 RU2031987 C1 RU 2031987C1 SU 4954472 A SU4954472 A SU 4954472A RU 2031987 C1 RU2031987 C1 RU 2031987C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scintillation
- ytterbium
- crystals
- bgo
- time
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области сцинтилляционных материалов, используемых для регистрации и спектрокопии ионизирующих излучений. Материал на основе триортогерманата висмута содержит примесь иттербия в количестве 0,07 - 1,50 мас.% мас. Достигнуто время высвечивания сцинтилляционного импульса τ = 16 нс, что в 18,7 раз меньше, чем без добавки иттербия в материал. Кристаллы получали методом Чохральского. 1 табл.
Description
Изобретение относится к технике для регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, конкретно к области сцинтилляционных материалов.
Монокристаллы триортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (BGO) известны как сцинтилляционный материал, применяемый в различных устройствах детектирования ионизирующих излучений.
Известны кристаллы BGO, выращиваемые методами Чохральского, зонной плавки, Бриджмена из расплава оксидов Bi2O3-GeO2, состав которых отвечает стехиометрическому Bi4Ge3O12 [1]. Этот материал является истинным сцинтиллятором, т.е. не содержащим активирующих добавок. Его сцинтилляционные свойства обусловлены электронным переходом 3Р1-1S0 в ионах Bi3+. Кинетика высвечивания сцинтилляционного импульса лимитируется компонентой с постоянной времени τ = 300-310 нс, при этом вклад послесвечения матрицы незначителен (через 3 мс не более 0,005% пиковой интенсивности импульса), что препятствует применению данного сцинтилляционного материала в устройствах регистрации ионизирующих излучений, требующих временного разрешения менее 300 нс.
Наиболее близким к предложенному является лазерный монокристаллический материал на основе Bi4Ge3О12, содержащий в качестве активатора лазерных свойств примесь иттербия (Yb), вводившегося в исходную шихту в виде оксида Yb2O3 в концентрациях 2,0; 4,0; 4,5 мас.% [2].
Соответственно присутствие Yb в кристаллах составляло 1,76; 3,51 и 3,95 мас. % . Пригодность использования этого материала в указанном качестве определяется тем, что кристаллы BGO, содержащие примесь в диапазоне 1,76-3,95 мас. % , обладают повышенным выходом люминесценции при фотовозбуждении, возрастающем с увеличением концентрации активатора.
При возбуждении этих кристаллов ионизирующим излучением наблюдается затягивание сцинтилляционного импульса до 350 нс, а также появление интенсивного длительного послесвечения, превышающего послесвечение нелегированного BGO.
Таким образом легирование BGO иттербия в диапазоне 1,76-3,95 мас.% не обеспечивает повышения его быстродействия как сцинтилляционного материала.
Целью изобретения является создание сцинтилляционного материала с малым временем высвечивания сцинтилляционного импульса.
Указанная цель достигается тем, что сцинтилляционный материал на основе триортогерманата висмута, содержит примесь иттербия Yb в количестве: 0,07-1,5 мас.%.
Выбор иттербия Yb в качестве примеси, обеспечивающий достижение поставленной цели, обусловлен наличием у ионов Yb3+ интенсивных f ->> f, f ->> d и иных абсорбционных переходов, локализованных в области длинноволнового края полосы собственного поглощения матрицы Bi4Ge3O12 и ее люминесценции, возможностью перезарядки ионов Yb3+ до состояния Yb2+, а также малым ионным радиусом Yb3+ (0,858 ), облегчающим его вхождение в BGO в качестве структурной примеси. Совокупность первых двух факторов делает возможным интенсивный энергообмен между матрицей и вводимым примесным центром с образованием эффективного канала тушения собственной люминесценции BGO, а также появление дополнительных короткоживущих компонент сцинтилляционного импульса. Механизм тушения обусловлен захватом термализованного электрона (е) в зоне проводимости и осуществляется по схеме:
Yb3+ + e ->> (Yb3+) ->> (Yb3+)- + h ->> Yb3+ Снятие возбужденного состояния (Yb3+) происходит через виртуальную форму (Yb3+)- за счет внутрицентровых безизлучательных переходов ионов (Yb3+)- с дальнейшим захватом дырок (h) из валентной зоны.
Yb3+ + e ->> (Yb3+) ->> (Yb3+)- + h ->> Yb3+ Снятие возбужденного состояния (Yb3+) происходит через виртуальную форму (Yb3+)- за счет внутрицентровых безизлучательных переходов ионов (Yb3+)- с дальнейшим захватом дырок (h) из валентной зоны.
С повышением концентрации Yb в BGO возрастает доля распадов состояния ионов (Yb3+ ) в зоне проводимости, что затягивает дальнюю стадию сцинтилляционного импульса. Данный процесс, вклад которого становится преобладающим при содержаниях Yb свыше 1,76 мас.%, маскирует действие безизлучательного канала тушения и удлиняет сцинтилляционный импульс до 350 нс и более. Это наряду с появлением длительного послесвечения матрицы ограничивает верхнее значение интервала концентраций примеси Yb.
Монокристаллы сцинтилляционного материала получают следующим образом. Из смеси оксидов Bi2O3 и GeO2 готовят исходную шихту состава, соответствующего стехиометрии Bi4Ge3O12 или используют в качестве исходной шихты предварительно синтезированный мелкокристаллический триортогерманат висмута. К исходной шихте добавляют определенное количество оксида иттербия (Yb2O3). При этом применяют высокочистые вещества, предназначенные для получения монокристаллов. Полученную шихту для обеспечения гомогенности тщательно перемешивают в условиях исключающих занос посторонних примесей. Выращивание монокристаллов из шихты проводят методом Чохральского из платиновых тиглей в окислительной атмосфере при 1000-1100оС и скорости вытягивания кристалла 0,1-0,4 см/ч. После окончания процесса охлаждение ведут со скоростью не более 50 К/ч, что обеспечивает получение ненапряженных кристаллов.
Измерения времен высвечивания сцинтилляций материала проводят одноэлектронным методом при возбуждении α-частицами от источника 238Рu на установке, включающей два фотоэлектронных умножителя, формирователи стартового и стопового импульсов, время-амплитудный преобразователь и многоканальный амплитудный анализатор АИ-1024. По известной стандартизованной методике при возбуждении γ-квантами от источника 137Cs контролируют также световой выход сцинтилляций и собственное энергетическое разрешение кристаллов. Кроме того неразрушающим рентгенорадиометрическим методом определяют содержание Yb в сцинтилляционном материале.
П р и м е р. Исходную шихту готовили из смеси оксидов Bi2O3 и GeO2, взятых в массовом отношении 3:1. В пять навесок исходной шихты вводили добавки оксида иттербия Yb2O3 в количестве 0,011; 0,080; 0,6; 1,7; 2,0 мас.%. Из данных составов были выращены кристаллы - прозрачны, бесцветны, с незначительным содержанием тонкодисперсных включений вдоль оси вытягивания, не содержат трещин и механических напряжений. Длина кристаллов до 120 мм. Из кристаллов для измерений изготовили цилиндрические элементы высотой и диаметром 15 мм, один из торцов которых полировали по классу PZ 0,025, остальная поверхность была матирована. Результаты измерений содержания Yb в кристаллах, времени высвечивания сцинтилляционного импульса, светового выхода и энергетического разрешения приведены в таблице. Также приведены сцинтилляционные параметры кристалла Bi4Ge3O12, выращенного идентичным образом, не содержащего добавки иттербия.
Из таблицы следует, что положительный эффект, достигнутый при введении в указанном количестве примeси Yb в кристаллы BGO, состоит в том, что полученный сцинтилляционный материал обладает малым временем высвечивания сцинтилляционного импульса, составляющим при оптимальном содержании добавки Yb 0,5 мас. %, τ = 16 нс, т.е. в 18,7 раза меньшим, чем у нелегированного Bi4Ge3O12 и в 21,9 раза меньше, чем у лазерного материала. В этом случае доля энергии, высвечиваемой в короткой компоненте, составляет 70% от суммарной энергии сцинтилляционного импульса. При концентрации 0,01 мас.% доля короткой компоненты мала (не более 11%). Соответствующее снижение времени высвечивания сцинтилляционного импульса составляет 15 нс (до 285 нс), что несущественно для повышения быстродействия детекторов. Превышение концентрации Yb более 1,5 мас. % ведет к снижению световыхода, ухудшению энергетического разрешения и возрастанию времени высвечивания, что ограничивает указанной величиной верхнее значение диапазона содержаний примеси.
Таким образом интервал концентраций примеси Yb в кристаллах BGO составляет 0,7-1,5 мас.%. Причем в этом интервале не происходит существенного изменения других основных сцинтилляционных параметров материала.
Полученный сцинтилляционный материал вследствие улучшения важной характеристики - времени высвечивания сцинтилляционного импульса обладает большим относительно BGO с содержанием Yb 1,76-3,95 мас.%, а также исходного Bi4Ge3O12 диапазоном применения в качестве сцинтиллятора. Материал найдет использование в физике высоких энергий для создания устройств регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, требующих высокого временного разрешения, в частности, в системах регистрации частиц и квантов в потоках высокой плотности, для рентгеновской диагностики плазмы, в сцинтилляционных блоках электромагнитных калориметров и т.п..
Claims (1)
- СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ на основе триортогерманата висмута, содержащего примесь иттербия, - Bi4 Ge3O1 2 : Yb, отличающийся тем, что, с целью улучщения времени высвечивания сцинтилляционного импульса, материал содержит иттербий в количестве 0,07 - 1,50 мас.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4954472 RU2031987C1 (ru) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | Сцинтилляционный материал |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4954472 RU2031987C1 (ru) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | Сцинтилляционный материал |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2031987C1 true RU2031987C1 (ru) | 1995-03-27 |
Family
ID=21584019
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4954472 RU2031987C1 (ru) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | Сцинтилляционный материал |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2031987C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2659268C1 (ru) * | 2018-02-16 | 2018-06-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) | Способ получения поликристаллического ортогерманата висмута |
WO2018222078A1 (ru) | 2017-06-02 | 2018-12-06 | Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" | Монокристалл со структурой граната для сцинтилляционных датчиков и способ его получения |
-
1991
- 1991-06-20 RU SU4954472 patent/RU2031987C1/ru active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Патент Франции N 2548689, кл. C 30B 23/08, 1983. * |
2. S.K.Dickinson et al./Czochralski synthesis and properties of rare-earth-doped bismuth dermanate (Bi4 Ge3O12) // Mat.Res.bull., 1972, V.7, p.181-192. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018222078A1 (ru) | 2017-06-02 | 2018-12-06 | Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" | Монокристалл со структурой граната для сцинтилляционных датчиков и способ его получения |
RU2659268C1 (ru) * | 2018-02-16 | 2018-06-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) | Способ получения поликристаллического ортогерманата висмута |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Grabmaier | Crystal scintillators | |
US6437336B1 (en) | Scintillator crystals and their applications and manufacturing process | |
Ishii et al. | Development of BSO (Bi4Si3O12) crystal for radiation detector | |
Kobayashi et al. | Significant improvement of PbWO4 scintillating crystals by doping with trivalent ions | |
US5728213A (en) | Method of growing a rare earth silicate single crystal | |
Linares | Growth and properties of CeO2 and ThO2 single crystals | |
Lecoq et al. | Progress and prospects in the development of new scintillators for future high energy physics experiments | |
Ishibashi et al. | Scintillation performance of large Ce-doped Gd/sub 2/SiO/sub 5/(GSO) single crystal | |
WO2006071236A1 (en) | Method of enhancing performance of cerium doped lutetium yttrium orthosilicate crystals and crystals produced thereby | |
US4988882A (en) | Monocrystals of silicates of lanthanides usable as scintillators for the detection of X and gamma radiation | |
US7060982B2 (en) | Fluoride single crystal for detecting radiation, scintillator and radiation detector using the single crystal, and method for detecting radiation | |
Sekita et al. | Strong Tb3+ emission of TbAlO3 at room temperature | |
EP3633081A1 (en) | Single crystal with garnet structure for scintillation counters and method for producing same | |
RU2031987C1 (ru) | Сцинтилляционный материал | |
RU2138585C1 (ru) | Сцинтилляционный материал на основе йодида цезия и способ его получения | |
US3257327A (en) | Process for growing neodymium doped single crystal divalent metal ion tungstates | |
Horowitz et al. | The growth of high quality large Bi4Ge3O12 (BGO) crystals | |
US2577161A (en) | Cerium activated calcium-magnesium silicates | |
Yiting et al. | Vertical bridgman growth and scintillation properties of doped Bi4Si3O12 crystals | |
Kamada et al. | Improvement of Scintillation Properties in Pr Doped ${\rm Lu} _ {3}{\hbox {Al}} _ {5}{\rm O} _ {12} $ Scintillator by Ga and Y Substitutions | |
US20070277726A1 (en) | Method for heat treating single crystal | |
Starzhinskiy et al. | New Trends in the Development of A $^{\rm II} $ B $^{\rm VI} $-Based Scintillators | |
Kvapil et al. | The luminescence efficiency of YAG: Ce phosphors | |
Pierrard et al. | Luminescence study of Eu3+: KGd2F7 | |
EP0760403B1 (en) | Method of growing a rare earth silicate single crystal |