RU2244320C1 - Thermal neutron recording scintillator - Google Patents

Thermal neutron recording scintillator Download PDF

Info

Publication number
RU2244320C1
RU2244320C1 RU2003119786/28A RU2003119786A RU2244320C1 RU 2244320 C1 RU2244320 C1 RU 2244320C1 RU 2003119786/28 A RU2003119786/28 A RU 2003119786/28A RU 2003119786 A RU2003119786 A RU 2003119786A RU 2244320 C1 RU2244320 C1 RU 2244320C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scintillator
caf
scintillation
crystals
neutrons
Prior art date
Application number
RU2003119786/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003119786A (en
Inventor
Б.В. Шульгин (RU)
Б.В. Шульгин
В.Л. Петров (RU)
В.Л. Петров
Д.В. Райков (RU)
Д.В. Райков
В.Ю. Иванов (RU)
В.Ю. Иванов
А.Н. Черепанов (RU)
А.Н. Черепанов
Т.С. Королева (RU)
Т.С. Королева
Original Assignee
ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет УПИ
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 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет УПИ filed Critical ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет УПИ
Priority to RU2003119786/28A priority Critical patent/RU2244320C1/en
Publication of RU2003119786A publication Critical patent/RU2003119786A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2244320C1 publication Critical patent/RU2244320C1/en

Links

Abstract

FIELD: radiation monitoring of environment.
SUBSTANCE: proposed scintillator that can be used for radiation monitoring of lands and water areas and in engineering systems for inspecting primary nuclear fuel and items made of fissionable materials includes calcium fluoride activated by europium and 3 He helium isotope, proportion of ingredients being as follows, atom percent: calcium fluoride, 99.25 - 99.59; europium fluoride, 0.4 - 0.7; 3 He helium isotope, 0.01 - 0.05.
EFFECT: enhanced thermal neutron recording efficiency.
1 cl

Description

Изобретение относится к неорганическим сцинтилляционным материалам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе радиационных детекторов для радиоэкологического мониторинга территорий и акваторий, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за первичным ядерным топливом и за изделиями из делящихся материалов.The invention relates to inorganic scintillation materials for detecting thermal neutrons and suitable for creating radiation detectors based on them for radioecological monitoring of territories and water areas, monitoring of cosmic and man-made neutron background, for creating technical control complexes for primary nuclear fuel and products from fissile materials .

Для обнаружения и измерения плотности потока тепловых нейтронов сцинтилляционным методом необходимы сцинтилляционные материалы (вещества, в которых под действием тепловых нейтронов возникают световые вспышки - сцинтилляции), основными свойствами которых (веществ в целом или отдельных компонентов их состава) являются: повышенное сечение (вероятность) взаимодействия с тепловыми нейтронами; оптимальная длина волны излучения сцинтилляционной вспышки, согласующаяся со спектральной чувствительностью фотоприемника; высокий световыход сцинтилляций; небольшое, укладывающееся в нано-, микросекундный диапазон время высвечивания; а также достаточно широкий диапазон рабочих температур.To detect and measure the thermal neutron flux density by the scintillation method, scintillation materials are necessary (substances in which light flashes (scintillations) occur under the influence of thermal neutrons), the main properties of which (substances in general or individual components of their composition) are: increased cross-section (probability) of interaction with thermal neutrons; the optimal radiation wavelength of the scintillation flash, consistent with the spectral sensitivity of the photodetector; high light output of scintillations; a small flashing time within the nano- microsecond range; as well as a fairly wide range of operating temperatures.

Известен неорганический сцинтиллятор на основе кристалла 6LiKSО4-Cu (патент РФ 2148837), пригодный для регистрации тепловых нейтронов. Он обладает сцинтилляциями с длиной волны 435-445 нм и длительностью 90 нс. Однако он нетехнологичен, поскольку проблема получения крупных однородных кристаллов 6LiKSO4 не решена, обладает невысоким световыходом сцинтилляций (30% относительно световыхода кристаллов LiI-Eu) и, главное, недостаточно высоким сечением взаимодействия с тепловыми нейтронами, равным 940 барн, по реакции 6Li(n, α )3H. Таким образом, сцинтиллятор 6LiKSO4-Cu обладает невысокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. Все известные сцинтилляторы, в которых тепловые нейтроны регистрируются по реакции 6Li(n, α )3H, обладают недостаточно высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов, не превышающей 910 барн (Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. М.: Изд-во МГУ, 1963; Групен К. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. 408 с.).Known inorganic scintillator based on crystal 6 LiKSО 4 -Cu (RF patent 2148837), suitable for detecting thermal neutrons. It has scintillations with a wavelength of 435-445 nm and a duration of 90 ns. However, it is not technologically advanced, since the problem of obtaining large homogeneous 6 LiKSO 4 crystals has not been solved, has a low scintillation light yield (30% relative to the light output of LiI-Eu crystals) and, most importantly, an insufficiently high cross section for interaction with thermal neutrons equal to 940 barn by the 6 Li reaction (n, α) 3 H. Thus, the scintillator 6 LiKSO 4 -Cu has a low detection efficiency of thermal neutrons. All known scintillators in which thermal neutrons are detected by the reaction of 6 Li (n, α) 3 H have insufficiently high thermal neutron detection efficiency not exceeding 910 barn (Akimov Yu.K. Scintillation methods for detecting high-energy particles. M: Publishing House - at Moscow State University, 1963; K. Grupen. Detectors of elementary particles. Novosibirsk: Siberian Chronograph, 1999. 408 p.).

Известен комбинированный сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов на основе кристалла NaI-Tl с чехлом-радиатором из борсодержащего материала, окружающего кристалл NaI-Tl (патент РФ 2189057). Толщина радиаторов, изготовленных из карбида или нитрида бора, достаточна для полного поглощения тепловых нейтронов ядрами 10В. Сечение захвата тепловых нейтронов естественной смесью изотопов бора составляет 767 барн, а для чистого изотопа 10В - 3837 барн. Механизм регистрации нейтронов сводится к следующему. Вначале происходит захват тепловых нейтронов ядрами 10В, что вызывает ядерную реакцию (n, α γ )-типа, которая протекает в две стадии:Known combined scintillator for detecting thermal neutrons based on a NaI-Tl crystal with a sheath-radiator made of boron-containing material surrounding the NaI-Tl crystal (RF patent 2189057). The thickness of radiators made of boron carbide or boron nitride is sufficient for complete absorption of thermal neutrons by 10 V nuclei. The cross section for thermal neutron capture by a natural mixture of boron isotopes is 767 bar and 3837 bar for a pure 10 V isotope. The neutron registration mechanism is as follows. First, thermal neutrons are captured by 10 V nuclei, which causes a nuclear reaction of the (n, α γ) -type, which proceeds in two stages:

- первая стадия:- first stage:

Figure 00000001
Figure 00000001

- вторая стадия (через ~10-13 с после первой):- second stage (in ~ 10-13 s after the first):

Figure 00000002
- квант с энергией 0,482 МэВ.
Figure 00000002
- quantum with an energy of 0.482 MeV.

На первой стадии часть ядер лития образуется в возбужденном состоянии 7Li*, они обеспечивают протекание второй стадии реакции с испусканием γ -кванта с энергией 0,482 МэВ. Этот γ -квант, возникший вследствие реакции (n, α γ ), регистрируется сцинтиллятором NaI-Tl. Входящие в состав комбинированного детектора органические сцинтилляторы не способны регистрировать тепловые нейтроны, они могут регистрировать только быстрые нейтроны по протонам отдачи. Недостатком известного сцинтиллятора (патент РФ 2189057) является высокая гигроскопичность применяемого кристалла NaI-Tl, что делает его ненадежным в эксплуатации. Все известные потенциальные борсодержащие сцинтилляторы (Прайс В. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1964. 464 с.; Групен К. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. 408 с.; Огородников И.Н., Кружалов А.В. // Изв. ВУЗов, Физика. 1996. Т.39, №11. С.76-93) обладают невысокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов, обычно на уровне 767 барн.At the first stage, a part of lithium nuclei is formed in the excited state of 7 Li *; they provide the occurrence of the second stage of the reaction with the emission of a γ quantum with an energy of 0.482 MeV. This γ-quantum resulting from the reaction (n, α γ) is detected by the NaI-Tl scintillator. The organic scintillators that make up the combined detector are not capable of detecting thermal neutrons; they can only detect fast neutrons by recoil protons. A disadvantage of the known scintillator (RF patent 2189057) is the high hygroscopicity of the used NaI-Tl crystal, which makes it unreliable in operation. All known potential boron scintillators (Price V. Nuclear radiation registration. M: IIL, 1964. 464 p .; K. Grupen. Detectors of elementary particles. Novosibirsk: Siberian chronograph, 1999. 408 p .; Ogorodnikov I.N., Kruzhalov A .V. // Izv. VUZov, Physics. 1996. T.39, No. 11. P.76-93) have a low thermal neutron detection efficiency, usually at the level of 767 bar.

Известна сцинтилляционная композиция из кристаллов Bi4Ge3O12, пластика или стильбена (патент РФ 2158011) для регистрации нейтронов и γ -излучения. Однако такая сцинтилляционная композиция нечувствительна к тепловым нейтронам.Known scintillation composition of crystals of Bi 4 Ge 3 O 12 , plastic or stilbene (RF patent 2158011) for detecting neutrons and γ-radiation. However, such a scintillation composition is insensitive to thermal neutrons.

Известен сцинтиллятор для регистрации нейтронов на основе кристалла NaI-Tl с чехлом-радиатором из серебра (Прайс В. Регистрация ядерного излучения, М.: ИИЛ, 1964. 464 с.). Серебро эффективно поглощает нейтроны резонансных энергий и испускает γ -кванты по реакции (n, γ ). Последние и регистрируются кристаллом NaI-Tl. Резонансные реакции (n, γ ) на естественной смеси изотопов серебра имеют сечение взаимодействия 86,3 барн для медленных и промежуточных нейтронов и 63,3 барн для тепловых нейтронов. Однако стоимость такого детектора высока из-за высоких цен на серебро. Применение изотопа 109Ag, обладающего достаточно интенсивным поглощением тепловых нейтронов (сечение - 91 барн), для работы в сочетании с NaI-Tl нецелесообразно из-за малого периода его полураспада, равного всего 24,6 суткам.Known scintillator for detecting neutrons based on a NaI-Tl crystal with a sheath-radiator made of silver (Price V. Registration of nuclear radiation, M .: IIL, 1964. 464 p.). Silver effectively absorbs neutrons of resonant energies and emits γ quanta by the reaction (n, γ). The latter are recorded by a NaI-Tl crystal. Resonance reactions (n, γ) on a natural mixture of silver isotopes have an interaction cross section of 86.3 barn for slow and intermediate neutrons and 63.3 barn for thermal neutrons. However, the cost of such a detector is high due to high silver prices. The use of the 109 Ag isotope, which has a fairly intense absorption of thermal neutrons (section - 91 barn), is inappropriate to work in combination with NaI-Tl because of its short half-life, which is only 24.6 days.

Известен однокристальный сцинтиллятор (патент США №4482808) для регистрации нейтронов и γ -лучей. Однако сцинтиллятор пригоден для регистрации быстрых нейтронов и непригоден для регистрации тепловых нейтронов.Known single-chip scintillator (US patent No. 4448808) for detecting neutrons and gamma rays. However, the scintillator is suitable for detecting fast neutrons and unsuitable for detecting thermal neutrons.

Известна сцинтилляционная композиция из трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов (патент РФ 2143711), один из которых, выполненный на основе 6Li-силикатного стекла, чувствителен к тепловым нейтронам. Однако эффективность регистрации тепловых нейтронов таким сцинтиллятором, определяемая соответствующим сечением реакции 6Li(n, α )3H (сечение равно 940 барн), невысокая.Known scintillation composition of three parallel-connected scintillators (RF patent 2143711), one of which, made on the basis of 6 Li-silicate glass, is sensitive to thermal neutrons. However, the detection efficiency of thermal neutrons by such a scintillator, determined by the corresponding reaction cross section 6 Li (n, α) 3 H (cross section is 940 barn), is low.

Наиболее близким техническим решением являются сцинтилляторы на основе CaF2-Eu. Они могут изготовляться на основе керамики, например, CaF2-Eu с содержанием европия не больше 0,5 мол.% (патент РФ 2058957). Сцинтиллятор пригоден для детектирования ионизирующих излучений, преимущественно электронов, β -частиц и γ -квантов с энергией до 100 кэВ. Применение поликристаллической керамики CaF2-Eu для регистрации нейтронов в патенте РФ 2058957 не описано.The closest technical solution are scintillators based on CaF 2 -Eu. They can be made on the basis of ceramics, for example, CaF 2 -Eu with a europium content of not more than 0.5 mol.% (RF patent 2058957). The scintillator is suitable for detecting ionizing radiation, mainly electrons, β particles and γ quanta with energies up to 100 keV. The use of polycrystalline ceramics CaF 2 -Eu for neutron registration in the RF patent 2058957 is not described.

Сцинтилляторы на основе CaF2-Eu изготавливаются, как правило, в виде монокристаллов (Ставиский Ю.Я., Шопарь А.В. // ПТЭ. 1962. №5. С.177-178; Шульгин Б.В. и др. // Атомная энергия. 1993. Т.75, вып.1. С.28-32; Рогожин А.А. и др. // Закономерности распределения примесных центров в ионных кристаллах: сб. науч. тр. ВИМС. М.: ВИМС, 1977. С.40-49; Викторов Л.В., Шульгин Б.В. и др. // Неорг. материалы. 1991. Т.27, №10. С.2005-2029; Scintillation Detector. Harshaw, Catalogue. 1982. 112 р.). Согласно вышеприведенным источникам кристаллы CaF2-Eu (плотность - 3,19 г/см3; температура плавления - 1407° С; коэффициент преломления света - 1,44; твердость по Моосу - 4; Zэфф=16,5) относятся к классу перспективных сцинтилляционных материалов для регистрации, дозиметрии и спектрометрии рентгеновского и β -излучения на фоне γ -излучения и нейтронов. Они обладают абсолютным энергетическим выходом сцинтилляций 8,4% или 29,103 фотон/МэВ (что составляет ~50% эффективности относительно NaI-Tl), длиной волны 435 нм, длительностью β -сцинтилляций 800 не и энергетическим разрешением по линии 137Cs 9-10,5%, а по линии 241Аm 26-30%. Оптимальная концентрация примесей в кристаллах CaF2-Eu, обеспечивающая наибольший абсолютный выход сцинтилляций, равна 0,5-0,7 мас.% (Викторов Л.В., Шульгин Б.В. и др. // Неор. материалы. 1991. Т.27, №10. С.2005-2029). Для известных кристаллов CaF2-Eu световыход сцинтилляций практически стабилен в диапазоне температур от -60° С до +20° С; температурный коэффициент спада световыхода сцинтилляций при Т>20° С равен 0,4-0,5%/° С; послесвечение, измеренное с задержкой 1 мс, составляет 0,6· 10-6%, через 30 мс его величина становится меньше, чем 10-9%, эффективный коэффициент поглощения на длине волны излучения (435 нм) составляет 0,3±0,05 см-1. Однако кристалл-сцинтиллятор СаF2-Еu, обладающий весьма высокими показателями по световыходу сцинтилляций, пригоден лишь для регистрации β -излучения и γ -излучения. Применение кристаллов СаF2-Еu в качестве сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов в вышеприведенных источниках не описано.Scintillators based on CaF 2 -Eu are made, as a rule, in the form of single crystals (Stavisky Yu.Ya., Shopar A.V. // PTE. 1962. No. 5. P.177-178; Shulgin B.V. et al. // Atomic energy. 1993. V.75, issue 1. P.28-32; Rogozhin A.A. et al. // Regularities of the distribution of impurity centers in ionic crystals: collection of scientific papers SIMS.M .: VIMS, 1977. S. 40-49; Viktorov L.V., Shulgin B.V. et al. // Inorganic Materials. 1991.V.27, No. 10. P.2005-2029; Scintillation Detector. Harshaw, Catalog. 1982. 112 p.). According to the above sources, CaF 2 -Eu crystals (density - 3.19 g / cm 3 ; melting point - 1407 ° С; light refractive index - 1.44; Mohs hardness - 4; Z eff = 16.5) belong to the class promising scintillation materials for registration, dosimetry and spectrometry of x-ray and β-radiation against the background of γ-radiation and neutrons. They have an absolute energy yield of scintillations of 8.4% or 29.103 photons / MeV (which is ~ 50% of the efficiency with respect to NaI-Tl), a wavelength of 435 nm, a duration of β-scintillation of 800 ns and an energy resolution of 137 Cs 9-10, 5%, and along the line 241 Am 26-30%. The optimal concentration of impurities in CaF 2 -Eu crystals, which provides the highest absolute yield of scintillations, is 0.5-0.7 wt.% (Viktorov L.V., Shulgin B.V. et al. // Neor. Materials. 1991. T.27, No. 10. S.2005-2029). For the known CaF 2 -Eu crystals, the scintillation light yield is practically stable in the temperature range from -60 ° С to + 20 ° С; the temperature coefficient of decay of the scintillation light output at T> 20 ° C is 0.4-0.5% / ° C; the afterglow, measured with a delay of 1 ms, is 0.6 · 10 -6 %, after 30 ms its value becomes less than 10 -9 %, the effective absorption coefficient at the radiation wavelength (435 nm) is 0.3 ± 0, 05 cm -1 . However, the CaF 2 -Eu crystal scintillator, which has very high scintillation light output, is suitable only for detecting β-radiation and γ-radiation. The use of CaF 2 -Eu crystals as a scintillator for detecting thermal neutrons in the above sources is not described.

Задачей изобретения является получение на основе кристаллов CaF2-Eu сцинтилляторов для регистрации нейтронов с повышенным сечением захвата тепловых нейтронов, т.е. с более высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. Поставленная задача решается благодаря тому, что в известный сцинтиллятор, включающий фторид кальция, активированный европием, дополнительно вводят изотоп гелия 3Hе методом термодиффузии. В итоге получают кристалл-сцинтиллятор CaF2-(Eu, 3He). Эффект изобретения проявляется в том, что при дополнительном введении изотопа 3Hе эффективность регистрации тепловых нейтронов кристаллами CaF2-(Eu, 3He) возрастает почти в два раза по сравнению с CaF2-Eu. Возрастает в связи с тем, что захват последних в кристаллах CaF2-(Eu, 3He) происходит по двум каналам:The objective of the invention is to obtain scintillators based on CaF 2 -Eu crystals for detecting neutrons with an increased cross section for thermal neutron capture, i.e. with higher detection efficiency of thermal neutrons. The problem is solved due to the fact that the helium isotope 3 He is additionally introduced by thermal diffusion into a known scintillator, including calcium fluoride activated by europium. The result is a crystal scintillator CaF 2 - (Eu, 3 He). The effect of the invention is manifested in the fact that with the additional introduction of the 3 He isotope, the efficiency of detecting thermal neutrons by CaF 2 - (Eu, 3 He) crystals almost doubles compared to CaF 2 -Eu. It increases due to the fact that the capture of the latter in CaF 2 - (Eu, 3 He) crystals occurs through two channels:

- по реакции (n, α ) на ядрах Еu с сечением взаимодействия 4600 барн для естественной смеси изотопов европия;- by the reaction (n, α) on Eu nuclei with an interaction cross section of 4600 barn for a natural mixture of europium isotopes;

- по реакции (n, β ) на ядрах 3Hе с сечением взаимодействия 4000 барн (Машкович В.П., Кудрявцева Л.В. Защита от ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1995. 494 с.). Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый сцинтиллятор имеет состав, ат.%:- by the reaction (n, β) on 3 He nuclei with an interaction cross section of 4000 barn (Mashkovich V.P., Kudryavtseva L.V. Protection against ionizing radiation. M: Energoatomizdat, 1995. 494 p.). The essence of the invention lies in the fact that the proposed scintillator has a composition, at.%:

CaF2 - 99,25-99,59;CaF 2 99.25-99.59;

ЕuF3 - 0,4-0,7;EuF 3 - 0.4-0.7;

3Hе - 0,01-0,05. 3 He - 0.01-0.05.

Уменьшение содержания активатора европия до уровня ниже 0,4 ат.% или его увеличение более 0,7 ат.% ведет к уменьшению световыхода сцинтилляций. Световыход снижается с 0,5 до 0,2-0,3 и ниже относительно NaI-Tl. Уменьшение содержания изотопов 3Hе ниже 0,01 ат.% (~1019 ат/см3) ведет к снижению эффективности регистрации тепловых нейтронов ядрами гелия из-за уменьшения их количества. Увеличение содержания изотопов гелия в кристаллах CaF2-(Eu, 3He) выше 0,05 ат.% методом термодиффузии в принципе возможно, однако требует большого времени и технически труднодостижимо.A decrease in the content of europium activator to a level below 0.4 at.% Or an increase of more than 0.7 at.% Leads to a decrease in the scintillation light output. The light output decreases from 0.5 to 0.2-0.3 and lower relative to NaI-Tl. A decrease in the content of 3 He isotopes below 0.01 at.% (~ 1019 at / cm 3 ) leads to a decrease in the efficiency of registration of thermal neutrons by helium nuclei due to a decrease in their number. An increase in the content of helium isotopes in CaF 2 - (Eu, 3 He) crystals above 0.05 at.% By the method of thermal diffusion is possible in principle, but it takes a long time and is technically difficult to achieve.

Пример 1Example 1

Сцинтиллятор состава СаF2 - 99,25 ат.%, ЕuF3 - 0,7 ат.% и 3Hе - 0,05 ат.% получают в две стадии. На первой стадии выращивают кристаллы CaF2-Eu в виде були диаметром до 45 мм и длиной 80 мм в графитовых тиглях методом Стокбаргера в вакууме. Для удаления следов кислорода в шихту добавляют фторид свинца в количестве 1 мас.%. Из центральных частей выращенной були вырезают кристалл диаметром 40 мм и высотой 6 мм. На второй стадии подготовленный кристалл (⌀ =40 мм, h=6 мм) помещают в специальную барокамеру, в которой в него вводят изотоп 3Hе с помощью термодиффузии по методу А.Я. Купряжкина (Купряжкин А.Я., Куркин А.Д. // ФТТ. 1990. Т.32, №8. С.2349-2354). В кристаллах фторида кальция реализуются междоузельные и вакансионные механизмы диффузии с достаточно низкими энергиями активации - 1,16 эВ по примесным и 2,24 эВ по собственным вакансиям - и с еще более низкими энергиями растворения - 0,5 и 0,81 эВ соответственно. Выбор режимов термодиффузии сделан по известной температурной зависимости растворимости гелия и по известной зависимости растворимости гелия в кристаллах CaF2 от давления насыщения. Режим термодиффузии был выбран таким, чтобы содержание гелия 3Hе в кристалле СаF2-Еu было доведено до 0,05 ат.%. Полученные кристаллы CaF2-(Eu, 3He) обладали следующими свойствами: эффективность регистрации тепловых нейтронов - 95%; эффективный атомный номер - Zэфф=16,5; относительная сцинтилляционная эффективность в сравнении с NaI-Tl (по γ -линии 662 кэВ изотопа 137Cs) - 52%; спектр свечения имеет максимум при 435 нм, длительность сцинтилляций - 780 не, причем форма кривой затухания сцинтилляций описывается одной экспонентой; энергетическое разрешение по линии 137Cs - 12%. Влияние температуры на спектр свечения монокристаллов CaF2-(Eu, 3He) незначительно: в диапазоне от -50 до +50° С положение максимума полосы излучения сдвигается не более чем на 5 нм, полуширина увеличивается с ростом температуры от 25 до 30 нм соответственно, длительность нейтронных сцинтилляций (использовали 252Cа с замедлителем), также как и α -сцинтилляций, составляла 780 нс. Срок службы tслужбы сцинтилляционных кристаллов CaF2-(Eu, 3He) определяется временем релаксации tpeл, в течение которого содержание гелия в кристаллах убывает в е (экспонента) раз за счет процессов диффузии. Для кристаллов CaF2-(Eu, 3He) при 300 К коэффициент междоузельной диффузии 10-8-10-9 см2/с. Время релаксации оценивалось по формулеThe scintillator composition CaF 2 - 99.25 at.%, EuF 3 - 0.7 at.% And 3 He - 0.05 at.% Get in two stages. At the first stage, CaF 2 -Eu crystals are grown in the form of boules with a diameter of up to 45 mm and a length of 80 mm in graphite crucibles by the Stockbarger method in vacuum. To remove traces of oxygen, lead fluoride is added to the mixture in an amount of 1 wt.%. A crystal with a diameter of 40 mm and a height of 6 mm is cut from the central parts of the grown boules. In the second step crystal prepared (⌀ = 40 mm, h = 6 mm) were placed in a special pressure chamber, in which it is administered isotope 3 He via thermal diffusion method on AY Kupryazhkina (Kupryazhkin A.Ya., Kurkin A.D. // FTT. 1990. T.32, No. 8. S.2349-2354). In calcium fluoride crystals, interstitial and vacancy diffusion mechanisms are realized with sufficiently low activation energies - 1.16 eV for impurity and 2.24 eV for intrinsic vacancies - and with even lower dissolution energies - 0.5 and 0.81 eV, respectively. The thermal diffusion modes were selected based on the known temperature dependence of helium solubility and on the known dependence of helium solubility in CaF 2 crystals on saturation pressure. The thermal diffusion mode was chosen so that the helium 3 He content in the CaF 2 -Eu crystal was brought to 0.05 at.%. The obtained CaF 2 - (Eu, 3 He) crystals possessed the following properties: thermal neutron registration efficiency - 95%; effective atomic number - Z eff = 16.5; relative scintillation efficiency in comparison with NaI-Tl (on the γ-line of 662 keV of the 137 Cs isotope) - 52%; the luminescence spectrum has a maximum at 435 nm, the duration of scintillations is 780 ns, and the shape of the scintillation decay curve is described by one exponent; energy resolution through 137 Cs - 12%. The temperature effect on the luminescence spectrum of CaF 2 - (Eu, 3 He) single crystals is insignificant: in the range from -50 to + 50 ° С, the position of the maximum of the emission band shifts by no more than 5 nm, the half-width increases with temperature from 25 to 30 nm, respectively , the duration of neutron scintillations ( 252 Ca was used with a moderator), as well as α-scintillations, was 780 ns. The service life t of the service of scintillation crystals CaF 2 - (Eu, 3 He) is determined by the relaxation time t re , during which the helium content in the crystals decreases by an e (exponential) time due to diffusion processes. For CaF 2 - (Eu, 3 He) crystals at 300 K, the interstitial diffusion coefficient is 10 -8 -10 -9 cm 2 / s. The relaxation time was estimated by the formula

Figure 00000003
Figure 00000003

где r - радиус сцинтилляционного кристалла.where r is the radius of the scintillation crystal.

Для r=2 см получаем, что tслужбы=tpeл≅ 1,3· 109-1,3· 1010 с, т.е. от 40 до 400 лет. Таким образом, оценка даже по нижнему пределу дает срок службы сцинтилляционных кристаллов ~40 лет, а средний срок службы не менее 100 лет.For r = 2 cm, we obtain that t services = t rel л 1.3 · 10 9 -1.3 · 10 10 s, i.e. from 40 to 400 years. Thus, even a lower limit estimate gives the service life of scintillation crystals of ~ 40 years, and the average service life of at least 100 years.

Пример 2Example 2

Сцинтиллятор состава СаF2 - 99,59 ат.%, ЕuF3 - 0,4 ат.% и 3Hе - 0,01 ат.%. Выращивание монокристаллов СаF2-Еu с последующим введением в них изотопа 3Не методом термодиффузии и работает в тех же режимах, что были описаны в примере 1. Размеры кристалла: ⌀ =40 мм, h=6 мм. Сцинтиллятор обладает следующими свойствами: эффективность регистрации тепловых нейтронов ~90%; эффективный атомный номер - Zэфф=16,5; относительная сцинтилляционная эффективность в сравнении с NaI-Tl (по γ -линии 662 кэВ изотопа 137Cs) ~ 45%; максимум спектра свечения - 435 нм; длительность сцинтилляций - 800 нc; энергетическое разрешение по линии 662 кэВ изотопа 137Cs - 11%. Рабочий диапазон температур от -50 до +50° С. Средний срок службы 100 лет.The scintillator composition CaF 2 - 99.59 at.%, EuF 3 - 0.4 at.% And 3 He - 0.01 at.%. The growth of CaF 2 –Eu single crystals with the subsequent introduction of the 3 He isotope into them by thermal diffusion and operates in the same modes as described in Example 1. Crystal sizes: ⌀ = 40 mm, h = 6 mm. The scintillator has the following properties: thermal neutron registration efficiency ~ 90%; effective atomic number - Z eff = 16.5; relative scintillation efficiency in comparison with NaI-Tl (on the γ-line of 662 keV of the 137 Cs isotope) ~ 45%; maximum emission spectrum - 435 nm; scintillation duration - 800 ns; the energy resolution along the line of 662 keV of the 137 Cs isotope is 11%. Operating temperature range from -50 to + 50 ° C. The average service life of 100 years.

Пример 3Example 3

Сцинтиллятор состава СаF2 - 99,4 ат.%, ЕuF3 - 0,58%, 3Hе - 0,02 ат.% получают также в две стадии: выращивание монокристаллов СаF2-Еu, введение в СаF2-Еu изотопа 3Hе методом термодиффузии. Размеры кристалла: ⌀ =40 мм, h=8 мм. Условия получения такие же, как и в примере 1. Сцинтиллятор обладает следующими свойствами: эффективность регистрации тепловых нейтронов - 92%; световыход сцинтилляций относительно NaI-Tl - 0,5; эффективный атомный номер Zэфф=16,5; максимум спектра свечения - 433 нм; длительность сцинтилляций - 800 нс; энергетическое разрешение по линии 662 кэВ изотопа 137Cs - 12%. Средний срок службы - 100 лет.A scintillator of the composition CaF 2 - 99.4 at.%, EuF 3 - 0.58%, 3 He - 0.02 at.% Are also obtained in two stages: growing single crystals of CaF 2 -Eu, introducing isotope 3 into CaF 2 -Eu Not by thermal diffusion. Crystal dimensions: ⌀ = 40 mm, h = 8 mm. The production conditions are the same as in example 1. The scintillator has the following properties: thermal neutron registration efficiency - 92%; scintillation light output relative to NaI-Tl - 0.5; effective atomic number Z eff = 16.5; maximum emission spectrum - 433 nm; scintillation duration - 800 ns; the energy resolution along the line of 662 keV of the 137 Cs isotope is 12%. The average service life is 100 years.

Дополнительным преимуществом предлагаемых сцинтилляторов, описанных в примерах 1-3, являются:An additional advantage of the proposed scintillators described in examples 1-3 are:

- способность регистрировать не только тепловые нейтроны, но и промежуточные, а также быстрые нейтроны благодаря повышенному сечению взаимодействия промежуточных и быстрых нейтронов с ядрами изотопа 3Hе (десятки и единицы барн соответственно);- the ability to detect not only thermal neutrons, but also intermediate as well as fast neutrons due to the increased cross section for the interaction of intermediate and fast neutrons with nuclei of the 3 He isotope (tens and units of barns, respectively);

- высокая эффективность регистрации β -излучения из-за несущественных потерь на обратное рассеяние; последнее обусловлено низким Zэфф=16,5;- high efficiency of detection of β-radiation due to insignificant losses on backscattering; the latter is due to low Z eff = 16.5;

- способность селективно регистрировать нейтроны на γ -фоне (при малых толщинах кристалла CaF2-(Eu, 3He) вероятность регистрации гамма-излучения невелика вследствие низкого Zэфф=16,5).- the ability to selectively detect neutrons on the γ-background (for small crystal thicknesses CaF 2 - (Eu, 3 He), the probability of detecting gamma radiation is small due to the low Z eff = 16.5).

Примеры 4 и 5Examples 4 and 5

Сцинтилляторы состава 3He - 0,2 ат.%, ЕuF3 - 0,01 ат.% (пример 4) или 2 ат.% (пример 5), CaF2 - остальное. Сцинтилляторы были получены так же, как и в примерах 1-3, в две стадии и в тех же режимах.Scintillators of the composition 3 He - 0.2 at.%, EuF 3 - 0.01 at.% (Example 4) or 2 at.% (Example 5), CaF 2 - the rest. Scintillators were obtained in the same way as in examples 1-3, in two stages and in the same modes.

Сцинтилляторы на основе CaF2-(Eu, 3He) с содержанием ЕuF3 0,01 ат.% или 2 ат.% уступают сцинтилляторам с содержанием ЕuF3 в пределах 0,4-0,7 ат.% (примеры 1-3) по величине световыхода сцинтилляций в 1,2-1,5 раза.Scintillators based on CaF 2 - (Eu, 3 He) with a content of EuF 3 of 0.01 at.% Or 2 at.% Are inferior to scintillators with a content of EuF 3 in the range of 0.4-0.7 at.% (Examples 1-3 ) by the magnitude of the light yield of scintillations 1.2-1.5 times.

Claims (1)

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов, включающий фторид кальция, активированный европием, отличающийся тем, что он дополнительно содержит изотоп гелия 3Не при следующем соотношении ингредиентов, ат.%:Scintillator for detecting thermal neutrons, including calcium fluoride activated by europium, characterized in that it additionally contains a helium isotope 3 He in the following ratio of ingredients, at.%: Фторид кальция 99,25-99,59Calcium Fluoride 99.25-99.59 Фторид европия 0,4-0,7Europium fluoride 0.4-0.7 Изотоп гелия 3Не 0,01-0,05Helium isotope 3 Not 0.01-0.05
RU2003119786/28A 2003-06-30 2003-06-30 Thermal neutron recording scintillator RU2244320C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003119786/28A RU2244320C1 (en) 2003-06-30 2003-06-30 Thermal neutron recording scintillator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003119786/28A RU2244320C1 (en) 2003-06-30 2003-06-30 Thermal neutron recording scintillator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003119786A RU2003119786A (en) 2004-12-20
RU2244320C1 true RU2244320C1 (en) 2005-01-10

Family

ID=34881442

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003119786/28A RU2244320C1 (en) 2003-06-30 2003-06-30 Thermal neutron recording scintillator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2244320C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115818972A (en) * 2022-11-16 2023-03-21 曹掌歧 Glass scintillation substrate for detecting soft beta particle rays and preparation method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115818972A (en) * 2022-11-16 2023-03-21 曹掌歧 Glass scintillation substrate for detecting soft beta particle rays and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yanagida Inorganic scintillating materials and scintillation detectors
US7525100B2 (en) Bright and fast neutron scintillators
US6624420B1 (en) Lutetium yttrium orthosilicate single crystal scintillator detector
US7847262B1 (en) Cesium and lithium-containing quaternary compound scintillators
Bessiere et al. New thermal neutron scintillators: and
EP2597490A1 (en) Phoswich thermal neutron detector
US9069085B2 (en) Cesium and lithium-containing quaternary compound scintillators
US20180171224A1 (en) Cesium and sodium-containing scintillator compositions
Wolszczak et al. Nonproportional response of scintillators to alpha particle excitation
Kim et al. ${\text {Tl} _2}{\text {LiYCl} _6} $(${\text {Ce}^{3+}} $): New Tl-based Elpasolite Scintillation Material
US8362439B1 (en) Mixed cesium sodium and lithium halide scintillator compositions
Donnald et al. The Effect of B $^{3+} $ and Ca $^{2+} $ Co-Doping on Factors Which Affect the Energy Resolution of Gd $ _ {{3}} $ Ga $ _ {{3}} $ Al $ _ {{2}} $ O $ _ {{12}} $: Ce
Wang et al. Performance study of GAGG: Ce scintillator for gamma and neutron detection
RU2244320C1 (en) Thermal neutron recording scintillator
Ra et al. Luminescence and scintillation properties of a CeBr $ _ {3} $ single crystal
Rooh et al. Tl 2 GdCl 5 (Ce 3+): A New Efficient Scintillator for X-and $\gamma $-Ray Detection
US8242452B1 (en) Cesium and sodium-containing scintillator compositions
RU2723395C1 (en) Scintillation material and method for its production
Tariwong et al. Crystal growth and scintillation properties of Tm3+ doped LaCl3 single crystal for radiation detection
RU2276387C1 (en) Scintillator for registration of neurons
Bhattacharya et al. Codoped Lithium Sodium Iodide With Tl+ and Eu 2+ Activators for Neutron Detector
Bajaj et al. An introduction to radio-photoluminescence and scintillation for dosimetric applications
Yoshikawa et al. Development of novel rare earth doped fluoride and oxide scintillators for two-dimensional imaging
Messous et al. Indium disilicate, a new fast scintillator
Miyazaki et al. Cu-doped LiCl scintillator for thermal neutron detection

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050701