RU2357025C2 - Сцинтилляционное вещество в виде кристаллического соединения на основе силиката - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, а именно к неорганическим кристаллическим сцинтилляторам, и может быть использовано в технике детектирования ионизирующих излучений для медицинской диагностики, ядерной геофизики, неразрушающего контроля. Сцитилляционное вещество в виде кристаллического соединения на основе силиката, содержащее лютеций, церий и олово, имеет состав, который выражается химическими формулами Ce_2xLu_2(1-x)Si_1-ySn_yO₅,

Ce_2xLu_2(1-x-z)Y_2zSi_1-ySn_yO₅, где х - от 1·10^-4 ф.ед. до 3·10^-2 ф.ед.; y - от 5·10^-4 ф.ед. до 0,5 ф.ед; z - от 1·10^-3 ф.ед. до 0,5 ф.ед. Новые сцинтилляционные вещества обладают высокими потребительскими свойствами, а именно: большой плотностью, высоким световым выходом, коротким временем высвечивания сцинтилляций, что расширяет диапазон их применения. Данный сцинтилляционный монокристалл может найти применение в детектирующих устройствах для регистрации и спектрометрии частиц и квантов высоких, средних и низких энергий. В случае применения для медицинской диагностики повышенный световой выход сцинтиллятора обеспечит увеличение чувствительности регистрирующей системы и контрастности изображения, большая плотность и, следовательно, большая поглощательная способность к ионизирующему излучению позволит улучшить пространственное разрешение. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Description

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, а именно к кристаллическим неорганическим сцинтилляторам, и может быть использовано в технике детектирования ионизирующих излучений для медицинской диагностики, ядерной геофизики, неразрушающего контроля.

Известно сцинтилляционное вещество - кристалл оксиортосиликат лютеция с церием Се_2xLu_2(1-x)SiO₅, сокращенно LSO:Ce, где х изменяется в пределах от 2×10^-4 до 3×10^-2 [1]. Кристаллы этого состава выращивают из расплава, имеющего состав Ce_2xLu_2(1-x)SiO₅. Сцинтилляционные кристаллы Ce_2-xLu_2(1-x)SiO₅ имеют ряд преимуществ по сравнению с другими кристаллами: большую плотность, высокий эффективный заряд, высокий световой выход, короткое время затухания сцинтилляции. Недостатком известного сцинтилляционного материала является сильный разброс величины светового выхода как от були кристалла к буле, так и вдоль направления выращивания по объему монокристалла. Это обусловлено флюктуациями распределения ионов церия по возможным позициям локализации в структуре оксиортосиликата лютеция

[2]. При выращивании кристаллов расплавными методами в них возникают катионные и анионные вакансии, которые приводят к локальным искажениям решетки и, как следствие, к флюктуации распределения ионов церия, что обуславливает неоднородность распределения сцинтилляционных свойств как в кристалле, так и от кристалла к кристаллу [3].

Известно вещество оксиортосиликат гадолиния с церием Ce_2yGd_2(1-x-y)A_2xSiO₅, где А - по крайней мере, один элемент из группы La (лантан) и Y (иттрий), при этом переменные изменяются в пределах 0<х<0.5 и 1×10^-3<y<0.1 [4]. Главным недостатком этой группы сцинтилляционных кристаллов является невысокий световой выход и меньшая плотность в сравнении с оксиортосиликатом лютеция с церием Се_2xLu_2(1-x)SiO₅, описанным выше.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является кристалл оксиортосиликата лютеция-иттрия с церием Ce_zLu_2-x-zY_xSiO₅, где 0,05<х<1,95 и 0,001<z<0,02, сокращенно LYSO:Ce, принятый за прототип всех предлагаемых в данной заявке веществ, поскольку все они описываются общей химической формулой и не отличаются кристаллической структурой [5].

Главным недостатком этой группы сцинтилляционных кристаллов является уменьшение эффективного заряда матрицы за счет частичного замещения лютеция иттрием, что приводит к уменьшению тормозной способности матрицы к гамма-излучению и ухудшению эффективности регистрации при использовании в позитронной эмисионной томографии в сравнении с оксиортосиликатом лютеция с церием Ce_2xLu_2(1-x)SiO₅, описанным выше. Однако, при частичном замещении лютеция иттрием в матрице происходит улучшение однородности распределения активатора по кристаллу и улучшение однородности сцинтилляционных свойств.

Техническая задача, которую решает данное изобретение, заключается в создании новых сцинтилляционных веществ, обладающих более высокими потребительскими свойствами по сравнению с аналогами, путем частичной изоморфной замены ионов кремния ионами олова в кристалле.

Применение предложенных сцинтилляционных веществ приведет к улучшению пространственного разрешения и уменьшению дозовой нагрузки на пациента в позитронной эмиссионной томографии [6].

Предлагаемые сцинтилляционные вещества обладают высоким световым выходом в сочетании с увеличением плотности сцинтиллятора по сравнению с аналогами.

Для достижения указанных технических результатов используют частичную изоморфную замену ионов кремния ионами олова в кристалле при подготовке шихты для выращивания монокристаллов. Использование олова для частичного замещения ионов кремния в кристаллической решетке обусловлено следующим. Известно, что ионы олова образуют обширный класс веществ станнатов, при локализации ионов олова в тетраэдрической координации соединения этих веществ изоморфны соответствующим силикатам [7]. Ионный радиус ионов олова в кислородном тетраэдре составляет 0.055 нм, у ионов кремния 0.026 нм, что обуславливает искажение решетки при частичной замене кремния оловом в кристалле. Однако такое искажение приводит к компенсации искажений, вносимых вакансиями. Таким образом, при частичной замене кремния оловом в кристалле наблюдается тот же эффект, что и при частичной замене лютеция иттрием, однако в предлагаемом изобретении происходит замена легкого иона более тяжелым, что приводит к одновременному увеличению плотности кристалла.

Химически предлагаемые сцинтилляционные вещества представляют собой кристаллы твердых растворов на основе кристалла силиката, включающего церий, олово и иттрий и кристаллизующиеся в моноклинной сингонии.

Образцы монокристаллов контролируют по содержанию олова в шихте и по величине светового выхода сцинтилляций. При этом используют соответственно метод атомно-абсорбционного анализа, стандартные методики измерения выхода сцинтилляций по пику полного поглощения γ-квантов источника ¹³⁷Cs. Для измерения сцинтилляционных характеристик из кристаллов изготавливали элементы длиной 10 мм и площадью сечения 10×10 мм², плоскости которых полируют по классу Rz 0,025.

Пример 1. Изготавливают смеси оксидов лютеция Lu₂O₃ и СеО₂, SnO₂ и SiO₂, марки ОСЧ так, чтобы получить соединение Ce_2xLu_2(1-x)Si_1-ySn_yO₅, где x=1×10^-4 до 3×10^-2, y от 5×10^-4 до 0,5 и производят наплавление иридиевого тигля. Из смесей методом Чохральского получают монокристаллы. В таблице 1 приведены сцинтилляционные параметры кристаллов.

Из таблицы 1 следует, что при введении в указанном количестве примеси олова полученный сцинтилляционный материал обладает высоким выходом сцинтилляций. Увеличение содержания олова свыше 0,5 ф.ед. приводит к существенному ухудшению свойств кристаллов за счет появления центров рассеяния и макроскопических неоднородностей, что приводит к снижению выхода сцинтилляций. Ухудшение качества кристалла обусловлено тем, что вследствие значительной разницы ионных радиусов ионов кремния и олова при содержании олова свыше 0.1 ф.ед. не происходит образование твердого раствора в монокристаллической форме в значительных объемах.

Пример 2. Изготавливают смеси оксидов лютеция Lu₂О₃, Y₂О₃ и CeO₂, SnO₂ и SiO₂, марки ОСЧ так, чтобы получить соединение Ce_2xLu_2(1-x-z)Y_2zSi_1-ySn_yO₅, где x=1×10^-4 до 3×10^-2, y - от 5×10^-4 до 0.5 и z - от 1·10^-3 ф.ед. до 0,5 ф.ед. и производят наплавление иридиевого тигля. Из смесей методом Чохральского получают монокристаллы. Из таблицы 2 следует, что при введении в указанном количестве примеси олова и иттрия полученный сцинтилляционный материал обладает высоким выходом сцинтилляций. Увеличение содержания иттрия свыше 0,5 ф.ед. приводит к уменьшению плотности кристаллов менее 6.2 г/см³, то есть менее плотности кристаллов оксиортосиликата гадолиния, что значительно снижает тормозную способность сцинтилляционных кристаллов к ионизирующему излучению, а олова свыше 0.1 ф.ед. приводит к существенному ухудшению свойств кристаллов за счет появления центров рассеяния и макроскопических неоднородностей, что приводит к снижению выхода сцинтилляций.

Литература

1. Lutetium orthosilicate single crystal scintillator detector. Патент США 4958080, 18.09.90.

2. Cerium-doped lutetium-based single crystal scintillators, W.P.Trower, M.V.Korzhik, A.A.Fedorov et al. Inorganic scintillators and their applications. Ed. P.Dorenbos, Carel W.E.Eijk, Delft University Press, 1995 p.241-245.

3. Method for manufacturing a cerium-doped lutetium oxyorthosilicate scintillator boule having a graded decay time. Патент США 6413311 от 2.07.2002.

4. Gamma ray detector. Патент США 4647781, 03.03.1987.

5. Single crystal scintillator. Патент США 6323489, 11.27.2001.

6. Inorganic scintillators in medical imaging detectors. Carel W.E. van Eijk, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 509 (2003) 17-25.

7. Химическая энциклопедия. Советская энциклопедия, М.: 1988, стр.1034.

Claims (2)

1. Сцинтилляционное вещество в виде кристаллического соединения на основе силиката, содержащего лютеций и церий, отличающееся тем, что соединение содержит олово и его состав выражается химической формулой
Ce_2xLu_2(1-x)Si_1-ySn_yO₅,
где х - от 1·10^-4 ф.ед. до 3·10^-2 ф.ед.;
y - от 5·10^-4 ф.ед. до 0,5 ф.ед.

2. Сцинтилляционное вещество по п.1, отличающееся тем, что в соединение дополнительно введен иттрий и его состав выражается химической формулой
Ce_2xLu_2(1-x-z)Y_2zSi_1-ySn_yO₅,
где х - от 1·10^-4 ф.ед. до 3·10^-2 ф.ед.;
y - от 5·10^-4 ф.ед. до 0,5 ф.ед.;
z - от 1·10^-3 ф.ед. до 0,5 ф.ед.