RU2627573C1 - Scintillation material for detecting ionising radiation (versions) - Google Patents

Scintillation material for detecting ionising radiation (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2627573C1
RU2627573C1 RU2016135686A RU2016135686A RU2627573C1 RU 2627573 C1 RU2627573 C1 RU 2627573C1 RU 2016135686 A RU2016135686 A RU 2016135686A RU 2016135686 A RU2016135686 A RU 2016135686A RU 2627573 C1 RU2627573 C1 RU 2627573C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
material according
scintillation
materials
crystals
Prior art date
Application number
RU2016135686A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Васильевич Рябченков
Степан Эрвандович Саркисов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2016135686A priority Critical patent/RU2627573C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2627573C1 publication Critical patent/RU2627573C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00Measuring neutron radiation

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: scintillation material for detecting ionising radiation is a crystalline solid solution with the general empirical formula Li(Y1-x Lux)F4 with x=0.01-0.8 formed in the binary system LiYF4 - LiLuF4. Also, the scintillation material for detecting ionising radiation is a crystalline solid solution with the general empirical formula Ba(Y1-x Ybx)2F8 with x=0.01-0.9 formed in the binary system BaY2F8 - BaYb2F8.
EFFECT: production of scintillation materials, including large ones, with the possibility of directional sensitivity control of these materials to ionizing radiation with maximum sensitivity to γradiation-quantities.
11 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к материалам, используемым в сцинтилляционной технике, прежде всего в быстродействующих, эффективных сцинтилляционных детекторах, предназначенных для регистрации различных видов ионизирующих излучений: нейтронного, рентгеновского и γ-излучения, и может быть применено в медицине, промышленности, космической технике, научных исследованиях.The invention relates to materials used in scintillation technology, primarily in high-speed, effective scintillation detectors, designed to detect various types of ionizing radiation: neutron, x-ray and γ-radiation, and can be used in medicine, industry, space technology, scientific research.

Требования, предъявляемые к сцинтилляторам (СЦ), содержат не менее десятка пунктов, основные из которых: быстродействие, то есть малые времена высвечивания (τ); высокая конверсионная эффективность (световой выход, L); высокая радиационная стойкость; малое послесвечение и хорошие механические свойства; важен также спектральный состав излучения для сочетания с используемым фотоприемником. Высокое быстродействие и большая конверсионная эффективность сцинтилляторов крайне необходимы для создания высокочувствительных детекторов с высокой скоростью счета событий.The requirements for scintillators (SCs) contain at least a dozen items, the main of which are: speed, that is, short flash times (τ); high conversion efficiency (light output, L); high radiation resistance; low afterglow and good mechanical properties; The spectral composition of the radiation is also important for combination with the photodetector used. High speed and high conversion efficiency of scintillators are essential for creating highly sensitive detectors with a high event counting rate.

Известен ряд патентов, в которых предложены различные сцинтилляционные материалы.A number of patents are known in which various scintillation materials are proposed.

Патент РФ №2056638, опубл. 20.03.1996, СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ (ВАРИАНТЫ)RF patent No. 2056638, publ. 03/20/1996, SCINTILLATION MATERIAL FOR REGISTRATION OF IONIZING HIGH ENERGY RADIATIONS (OPTIONS)

Сущность изобретения: предложены высокоплотные (ρ=6,12 г/см3) и радиационностойкие (109 рад) материалы, которые можно применять в качестве сцинтилляторов в системах регистрации ионизирующих излучений, в частности в электромагнитных калориметрах. Монокристаллические ρ материалы представляют собой твердый раствор на основе CdF2 с добавкой фторида RF3, где R - церий, лантан или их смесь, соответствующий эмпирическим формулам Cd1-xCexF2+x, Cd0,99La0,01F2,01, Cd0,98La0,01Ce0,01F2,01. Другой материал представляет собой твердый раствор на основе монокристаллического фторида церия с добавкой фторида кадмия, соответствующей эмпирической формуле Ce0,995Cd0,005F2,995. Монокристаллы выращены методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях во фторирующей атмосфере. Изобретение направлено на увеличение радиационной стойкости синтезируемого кристалла за счет различного соотношения в нем 2-х компонентов.The inventive proposed high-density (ρ = 6.12 g / cm 3 ) and radiation-resistant (10 9 rad) materials that can be used as scintillators in the registration systems of ionizing radiation, in particular in electromagnetic calorimeters. Single crystal ρ materials are a solid solution based on CdF 2 with the addition of fluoride RF 3 , where R is cerium, lanthanum, or a mixture thereof, corresponding to the empirical formulas Cd 1-x Ce x F 2 + x , Cd 0,99 La 0,01 F 2.01 , Cd 0.98 La 0.01 Ce 0.01 0.01 F 2.01 . Another material is a solid solution based on single-crystal cerium fluoride with the addition of cadmium fluoride corresponding to the empirical formula Ce 0.995 Cd 0.005 F 2.995 . Single crystals were grown by the Bridgman-Stockbarger method in graphite crucibles in a fluorinating atmosphere. The invention is aimed at increasing the radiation resistance of the synthesized crystal due to the different ratio of 2 components in it.

В патенте №2436123 от 10.12.2011 предложен сцинтилляционный материал, представляющий собой кристаллическую основу из фторида бария и содержащий легирующую добавку в виде фторида скандия, отличающийся тем, что он представлен в виде монокристалла BaF2-ScF3 с концентрацией легирующей добавки ScF3 - 0,05-2,0 мол. %. При использовании заявленного материала в устройстве сцинтиллятора в качестве рабочего тела достигаются следующие значения основных характеристик работы устройства сцинтиллятора: эффект подавления длительного компонента свечения не менее чем в 1,7 раза при повышении не менее 3,6 раза интенсивности сверхбыстрого компонента; сверхкороткое (субнаносекудное) время высвечивания составляет 0,4-0,8 нс. Изобретение направлено на уменьшение времени высвечивания основного кристалла фторида бария за счет добавки фторида скандия.Patent No. 2436123 dated 12/10/2011 proposes a scintillation material, which is a crystalline base of barium fluoride and contains a dopant in the form of scandium fluoride, characterized in that it is presented in the form of a BaF 2 -ScF 3 single crystal with a dopant concentration of ScF 3 - 0 05-2.0 mol. % When using the claimed material in the scintillator device as a working medium, the following values of the main characteristics of the scintillator device operation are achieved: the effect of suppressing the long-term component of the glow at least 1.7 times with an increase of at least 3.6 times the intensity of the ultrafast component; ultrashort (subnanosecond) flash time is 0.4-0.8 ns. The invention is aimed at reducing the time of emission of the main crystal of barium fluoride due to the addition of scandium fluoride.

Особый интерес представляют собой монокристаллические сцинтилляторы на основе неорганических фторсодержащих соединений. По сравнению с кислородсодержащими материалами для фторидов характерна преимущественная возможность для детектирования частиц высоких энергий, т.к. при этом в кристаллах фторидов генерируется большее количество электрон-дырочных пар, что дает больший световыход. Более высокие энергии ионизации, чем у оксидов, дают возможность большего выбора кристаллических матриц, например, для такого широко используемого в сцинтилляторах люминесцентного иона, как Се3+, у которого имеется склонность к восстановлению (Се3+-->Се2+). Так кристаллы LaF3 и YF3, легированные ионами Се3+, имеют эффективную люминесценцию, тогда как у La2O3 и Y2O3 люминесценция церия тушится за счет электронного перехода из возбужденного 5d состояния в зону проводимости. Что касается сравнения с другими галогенидами, то фториды имеют высокую химическую стойкость. Кроме того, они дополнительно характеризуются:Of particular interest are single-crystal scintillators based on inorganic fluorine-containing compounds. Compared to oxygen-containing materials, fluorides are characterized by an advantageous possibility for the detection of high-energy particles, since in this case, a greater number of electron-hole pairs are generated in fluoride crystals, which gives a greater light output. Higher ionization energies than oxides give a greater choice of crystalline matrices, for example, for a luminescent ion widely used in scintillators, such as Ce 3+ , which has a tendency to reduction (Ce 3+ -> Ce 2+ ). Thus, LaF 3 and YF 3 crystals doped with Ce 3+ ions have effective luminescence, while in La 2 O 3 and Y 2 O 3 the cerium luminescence is quenched due to the electronic transition from the excited 5d state to the conduction band. As for comparison with other halides, fluorides have high chemical resistance. In addition, they are additionally characterized by:

1) отсутствием токсичности (по сравнения с йодатами натрия или цезия активированных таллием);1) lack of toxicity (compared with thallium activated sodium or cesium iodates);

2) достаточной твердостью (по сравнению с хлоридами, бромидами, йодатами);2) sufficient hardness (compared with chlorides, bromides, iodates);

3) отсутствием гигроскопичности (по сравнению с соединениями по п. 2);3) the absence of hygroscopicity (compared with the compounds of claim 2);

4) высокой устойчивостью к химически агрессивным средам, включая пары плавиковой кислоты.4) high resistance to chemically aggressive environments, including hydrofluoric acid vapor.

Однако к главным требованиям при выборе СЦ для детектирования ионизирующего γ-излучения дополнительно к основным, перечисленным выше, относится необходимость иметь материалы с максимальными значениями эффективного атомного номера (Z) и плотности (ρ) матрицы. От величины именно этих параметров зависит способность кристаллической матрицы задерживать рентгеновские или γ-лучи, т.е. чувствительность сцинтиллятора к детектированию последних. В первом приближении [А. Йосикава, Т. Суяма, К. Фукуда и др. "Сцинтиллятор для детектирования нейтронов и нейтронный детектор", Патент РФ №2494416] эта способность является функцией ~ ρ Z4 (где Z=(Σ wi zi 4)1/4, здесь wi и zi - означают массовую долю и атомный номер i-го элемента среди элементов, составляющих матрицу). Фториды «тяжелых» металлов (Y, La, Се, Gd, Yb, Lu, Pb, Zr, Hf), имеющих большие величины плотностей (например, ρ(YF3)=5,06 г/см3, ρ(LuF3)=8,3 г/см3) и эффективных атомных номеров Z>50, проявляют чувствительность к рентгеновскому и гамма-излучению и их условно принято считать "тяжелыми" сцинтилляторами, а монокристаллы, состоящие из фторидов «легких» металлов (например, ρ(LiF)=2,64 г/см3, ρ(CaF2)=3,18 г/см3) с Z<50, чувствительны к нейтронному излучению и они считаются "легкими" сцинтилляторами.However, the main requirements when choosing a SC for detecting ionizing γ-radiation, in addition to the main ones listed above, are the need to have materials with maximum values of the effective atomic number (Z) and matrix density (ρ). The ability of the crystalline matrix to retain x-ray or γ-rays, i.e., scintillator sensitivity to detection of the latter. In a first approximation [A. Yosikawa, T. Suyama, K. Fukuda et al. “Scintillator for neutron detection and neutron detector”, RF Patent No. 2494416] this ability is a function of ~ ρ Z 4 (where Z = (Σ w i z i 4 ) 1/4 , here w i and z i - mean mass fraction and atomic number of the i-th element among the elements making up the matrix). Fluorides of "heavy" metals (Y, La, Ce, Gd, Yb, Lu, Pb, Zr, Hf) having large densities (for example, ρ (YF 3 ) = 5.06 g / cm 3 , ρ (LuF 3 ) = 8.3 g / cm 3 ) and effective atomic numbers Z> 50, they are sensitive to x-ray and gamma radiation and they are conventionally considered to be “heavy” scintillators, and single crystals consisting of fluorides of “light” metals (for example, ρ (LiF) = 2.64 g / cm 3 , ρ (CaF 2 ) = 3.18 g / cm 3 ) with Z <50, are sensitive to neutron radiation and they are considered “light” scintillators.

Наиболее близкими аналогами, по совпадению химических формул кристаллических соединений, но отличными по сути от характерных признаков и результатов настоящего изобретения являются результаты, опубликованные в патенте РФ №2367731, в котором описывается способ получения кристаллов твердых растворов LiY1-xLuxF4, активированных ионами Се3+ и Nd3+ для альтернативного использования в качестве лазерных сред с целью увеличения концентрации ионов церия и неодима за счет разупорядочения (разрыхления) кристаллической структуры матрицы, а также в патенте РФ №2369670, где также исключительно только в качестве лазерного вещества УФ-диапазона рассматриваются кристаллы BaY2F8:Ce3+ соактивированные ионами Yb3+ и Lu3+, которые позволяют увеличить эффективность работы лазера на 5d-4f переходе ионов церия в данном материале. Кристаллы получены методом Бриджмена-Стокбаргера.The closest analogues, in coincidence of the chemical formulas of crystalline compounds, but essentially different from the characteristic features and results of the present invention, are the results published in RF patent No. 2367731, which describes a method for producing activated LiY 1-x Lu x F 4 solid solutions crystals ions Ce 3+ and Nd 3+ for alternative use as laser media to increase the concentration of cerium and neodymium ions due to disordering (loosening) crystal matrix structure, and in pa ente RF №2369670, which also exclusively as a laser substance-UV treated crystals BaY 2 F 8: Ce 3+ ions soaktivirovannye Yb 3+ and Lu 3+, which allow to increase the efficiency of laser operation on 5d-4f transition of cerium ions in this material. The crystals were obtained by the Bridgman-Stockbarger method.

Задачей изобретения является получение сцинтилляционных материалов, в том числе, крупногабаритных, с возможностью направленного управления чувствительностью данных материалов к ионизирующим излучениям с максимальной чувствительностью к излучению γ-квантов.The objective of the invention is to obtain scintillation materials, including bulky, with the possibility of directional control of the sensitivity of these materials to ionizing radiation with maximum sensitivity to radiation of γ-quanta.

Для решения этой задачи предложен сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующего излучения, представляющий собой кристаллический твердый раствор с общей эмпирической формулой Li(Y1-xLux)F4 при х=0,01-0,8, образующийся в бинарной системе LiYF4 - LiLuF4.To solve this problem, a scintillation material is proposed for detecting ionizing radiation, which is a crystalline solid solution with the general empirical formula Li (Y 1-x Lu x ) F 4 at x = 0.01-0.8, which is formed in the binary system LiYF 4 - LiLuF 4 .

При этом:Wherein:

- для регистрации нейтронного излучения х=0,01,- for registration of neutron radiation x = 0,01,

- для регистрации рентгеновского и γ-излучения х=0,5-0,7,- for registration of x-ray and γ-radiation x = 0.5-0.7,

- материал активирован ионами Се3+ или Pr3+ в количестве 0,5-1,5 мол.%,- the material is activated by Ce 3+ or Pr 3+ ions in an amount of 0.5-1.5 mol.%,

- материал получен методом горизонтальной направленной кристаллизации,- the material obtained by the method of horizontal directional crystallization,

- материал представляет собой монокристалл в виде пластины с размерами не менее 50×80×20 мм.- the material is a single crystal in the form of a plate with dimensions of at least 50 × 80 × 20 mm.

Также предложен сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующего излучения, представляющий собой кристаллический твердый раствор с общей эмпирической формулой Ba(Y1-xYbx)2F8 при х=0,01-0,9 образующийся в бинарной системе BaY2F8 - BaYb2F8.Also proposed is a scintillation material for detecting ionizing radiation, which is a crystalline solid solution with the general empirical formula Ba (Y 1-x Yb x ) 2 F 8 at x = 0.01-0.9 formed in the binary system BaY 2 F 8 - BaYb 2 F 8 .

При этом:Wherein:

- для регистрации рентгеновского и γ-излучения х=0,5-0,7.- for registration of x-ray and γ-radiation x = 0.5-0.7.

- материал активирован ионами Се3+ или Pr3+ в количестве 0,5-1,5 мол. %.- the material is activated by Ce 3+ or Pr 3+ ions in an amount of 0.5-1.5 mol. %

- материал получен методом горизонтальной направленной кристаллизации- material obtained by horizontal directional crystallization

- материал представляет собой монокристалл в виде пластины с размерами не менее 50×80×20 мм.- the material is a single crystal in the form of a plate with dimensions of at least 50 × 80 × 20 mm.

Решение задачи изобретения реализовано на примере материалов бинарных систем, образующих непрерывный ряд твердых растворов, синтез которых открывает возможность направленного управления чувствительностью данных материалов к ионизирующим излучениям различного вида в пределах одной системы и позволяет определить диапазон химического состава материала с максимальной чувствительностью к излучению γ-квантов.The solution of the problem of the invention is realized by the example of materials of binary systems forming a continuous series of solid solutions, the synthesis of which opens up the possibility of directional control of the sensitivity of these materials to ionizing radiation of various types within the same system and allows you to determine the range of the chemical composition of the material with maximum sensitivity to radiation of γ-quanta.

Это осуществляется путем синтеза внутри бинарных систем высокоплотных (ρ не менее 7,8 г/см3) с большими значениями параметра Z (не менее 90) материалов на основе фторидов тяжелых металлов, которые можно с большой эффективностью применять в качестве «тяжелых» сцинтилляторов в системах регистрации γ-ионизирующих излучений, в частности в электромагнитных калориметрах.This is done by synthesizing high-density (ρ at least 7.8 g / cm 3 ) binary systems with large Z values (at least 90) of materials based on heavy metal fluorides that can be used with great efficiency as “heavy” scintillators in systems for detecting γ-ionizing radiation, in particular in electromagnetic calorimeters.

Для реализации вышеуказанной задачи рассматриваются две бинарные системы с существующими в них рядами непрерывных кристаллических твердых растворов. Первой является бинарная система LiYF4 - LiLuF4; второй - система BaY2F8 - BaYb2F8. В этих бинарных системах, соответственно образуются ряды кристаллических твердых растворов с эмпирическими формулами Li(Y1-xLux)F4 и Ba(Y1-xYbx)2F8 в интервале мольных долей «х» от 0,01 до 0,9. Высокие значения интегрального световыхода обеспечиваются путем активирования монокристаллов ионами Се3+ или Pr+3.To implement the above problem, two binary systems with existing rows of continuous crystalline solid solutions are considered. The first is the binary system LiYF 4 - LiLuF 4 ; the second is the BaY 2 F 8 - BaYb 2 F 8 system . In these binary systems, respectively, rows of crystalline solid solutions are formed with empirical formulas Li (Y 1-x Lu x ) F 4 and Ba (Y 1-x Yb x ) 2 F 8 in the range of molar fractions of x from 0.01 to 0.9. High values of the integrated light output are ensured by activating single crystals with Ce 3+ or Pr 3 + ions.

Монокристаллы выращиваются методом горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) в графитовых контейнерах-«лодочках» во фторирующей атмосфере аргона. Имеющаяся установка позволяет выращивать монокристаллы размером до 400×500×40 мм и создавать высокоапертурные сцинтиблоки больших объемов для электромагнитных каллориметров (ЭМК). Такие крупногабаритные элементы (в отличие от малоразмерных в несколько кубических сантиметров, обычно получаемых методом Бриджмена-Стокбаргера) представляют особый интерес для современных исследований в области физики высоких энергий тем, что они чувствительны к слабым электромагнитным полям и могут полностью поглощать фотоны γ-излучения с энергией до 1 Мэв.Single crystals are grown by horizontal directional crystallization (SOC) in graphite “boat” containers in a fluorinating argon atmosphere. The existing setup allows one to grow single crystals up to 400 × 500 × 40 mm in size and to create high-aperture large-volume scintiblocks for electromagnetic calorimeters (EMC). Such large-sized elements (in contrast to small-sized several cubic centimeters, usually obtained by the Bridgman-Stockbarger method) are of particular interest for modern research in the field of high-energy physics in that they are sensitive to weak electromagnetic fields and can completely absorb photons of γ radiation with energy up to 1 MeV.

В настоящем изобретении используется явление разупорядочения кристаллической структуры неорганических фторидных соединений твердых растворов бинарных систем LiYF4-LiLuF4 и BaY2F8-BaYb2F8 для управления физическими параметрами сцинтилляционных кристаллических материалов, такими как эффективный атомный номер (Z) и плотность (ρ), определяющих эффективность использования этих материалов в детекторах γ-излучения. В отличие от простых кристаллов со строго стехиометрическим составом (LiYF4, LiLuF4, BaY2F8, BaYb2F8), имеющих фиксированные характеристические значения вышеупомянутых параметров, в составах кристаллических твердых растворов с эмпирическими формулами Li(Y1-xLux)F4 и Ba(Y1-xYbx)2F8 можно монотонно изменять эффективные атомные номера Z в широком интервале мольных долей «х», в сторону больших или меньших значений в зависимости от того, для какого детектора ионизирующего излучения нейтронного или γ требуется получить сцинтиллятор.The present invention uses the phenomenon of disordering of the crystal structure of inorganic fluoride compounds of solid solutions of binary systems LiYF 4 -LiLuF 4 and BaY 2 F 8 -BaYb 2 F 8 to control the physical parameters of scintillation crystalline materials, such as effective atomic number (Z) and density (ρ ) determining the efficiency of using these materials in γ-radiation detectors. Unlike simple crystals with a strictly stoichiometric composition (LiYF 4 , LiLuF 4 , BaY 2 F 8 , BaYb 2 F 8 ), which have fixed characteristic values of the above parameters, in the compositions of crystalline solid solutions with empirical formulas Li (Y 1-x Lu x ) F 4 and Ba (Y 1-x Yb x ) 2 F 8 it is possible to monotonically change the effective atomic numbers Z in a wide range of molar fractions of “x”, towards larger or smaller values, depending on for which detector of ionizing neutron radiation or γ required to obtain a scintillator.

На чертеже приведены расчетные данные Z в зависимости от мольных долей х для «тяжелых» Li(Y1-xLux)F4 - кривая 1 и еще более «тяжелых» сцинтилляторов Ba(Y1-xYbx)2F8 - кривая 2, которые можно синтезировать в ряду твердых растворов систем, указанных выше. Максимальные значения Z у этих соединений в интервале мольных долей 0,5<х<0,7 достигают 92 и 124 соответственно, что намного выше, чем у известного сцинтиллятора PbWO4 (Z=73), используемого в настоящее время в Большом Адронном Коллайдере (LHC) в CERN [M.S. Ippolitov et al., "Studies of lead tungstate crystals for the ALICE electromagnetic calorimeter PHOS" in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 486 (2002), p. 121-125]. Таким образом, например, «легкий» сцинтиллятор LiYF4 (Z=40), известный в качестве детектора нейтронного излучения, путем небольшой добавки к нему при синтезе 5% LuF3 позволит превратить его в «тяжелый», увеличив его Z с 40 до 75 (чертеж), что сравнимо с PbWO4 (Z=73).The drawing shows the calculated data Z depending on the molar fractions of x for "heavy" Li (Y 1-x Lu x ) F 4 - curve 1 and even more "heavy" scintillators Ba (Y 1-x Yb x ) 2 F 8 - curve 2, which can be synthesized in a series of solid solutions of the systems indicated above. The maximum Z values of these compounds in the range of molar fractions of 0.5 <x <0.7 reach 92 and 124, respectively, which is much higher than that of the well-known PbWO 4 scintillator (Z = 73) currently used in the Large Hadron Collider ( LHC) in CERN [MS Ippolitov et al., "Studies of lead tungstate crystals for the ALICE electromagnetic calorimeter PHOS" in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 486 (2002), p. 121-125]. Thus, for example, the “light” scintillator LiYF 4 (Z = 40), known as a neutron radiation detector, by adding a small amount of 5% LuF 3 to it during synthesis, will turn it into “heavy”, increasing its Z from 40 to 75 (drawing), which is comparable with PbWO 4 (Z = 73).

Таким образом, в ряду рассматриваемых твердых растворов в широком интервале мольных долей «х» можно, задавая параметр Z, направленно синтезировать нужный состав сцинтилляционного материала в зависимости от решаемой задачи детектирования необходимого вида излучения и наоборот, синтезировать кристаллический сцинтиллятор конкретного кристаллохимического состава с заданным параметром Z.Thus, in the range of solid solutions under consideration, in a wide range of molar fractions of “x,” one can set the parameter Z to synthesize the desired composition of the scintillation material, depending on the problem of detecting the required type of radiation, and vice versa, to synthesize a crystalline scintillator of a specific crystal chemical composition with a given parameter Z .

Кроме того, твердые растворы Li(Y1-x Lux)F4 (х=0,5-0,7) имеют большую изоморфную емкость по отношению к ионам цериевой подгруппы, чем простые кристаллы LiYF4 и LiLuF4. Это позволяет создавать яркие сцинтилляторы с высокими значениями интенсивности излучения Iизл. за счет возможности введения больших концентраций ионов Се3+(или Рr3+) в кристаллическую решетку твердых растворов. По характеристикам ρ, Z и Iизл рассматриваемые кристаллы твердых растворов различных смешанных составов с примесью Се3+ или Pr3+ (интегральный световыход может достигать до 27000 фотонов/Мэв) значительно превосходят известные сцинтилляторы PbWO4 (200 фотонов/Мэв) [M.S. Ippolitov, et al., "Studies of lead tungstate crystals for the ALICE electromagnetic calorimeter PHOS" in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 486 (2002), p. 121-125], а по быстродействию τизл=10-15 нс практически не уступают последним.In addition, solid solutions Li (Y 1-x Lu x ) F 4 (x = 0.5-0.7) have a greater isomorphic capacity with respect to the ions of the cerium subgroup than simple crystals LiYF 4 and LiLuF 4 . This allows you to create bright scintillators with high values of radiation intensity I izl. due to the possibility of introducing large concentrations of Ce 3+ (or Pr 3+ ) ions into the crystal lattice of solid solutions. The characteristics of ρ, Z and I rad viewed crystals of solid solutions of various compositions mixed with an admixture of Ce 3+ or Pr 3+ (integral light yield can reach up to 27,000 photons / MeV) is considerably superior to known scintillators PbWO 4 (200 photons / MeV) [MS Ippolitov , et al., "Studies of lead tungstate crystals for the ALICE electromagnetic calorimeter PHOS" in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 486 (2002), p. 121-125], and in terms of speed τ rad = 10-15 ns is practically not inferior to the latter.

Примеры получения сцинтилляционных материалов в виде монокристаллов соединений твердых растворов с общими формулами Li(Y1-xLux)F4 и Ba(Y1-xYbx)2F8, активированных ионами Се3+. (При введении другого активаторного иона - Pr3+ процесс синтеза будет аналогичным, т.к. эти ионы вводятся в виде небольших примесей не более 0,5-1,5 мол. % и не влияют на процесс выращивания).Examples of obtaining scintillation materials in the form of single crystals of solid solution compounds with the general formulas Li (Y 1-x Lu x ) F 4 and Ba (Y 1-x Yb x ) 2 F 8 activated by Ce 3+ ions. (With the introduction of another activator ion - Pr 3+, the synthesis process will be similar, since these ions are introduced in the form of small impurities of not more than 0.5-1.5 mol.% And do not affect the growth process).

Монокристаллические материалы представляют собой твердые растворы (смешанные кристаллы) с разупорядоченной структурой, кристаллизующиеся в бинарных системах простых соединений с упорядоченной структурой на основе LiYF4 - LiLuF4 (тетрагональные со структурой шеелита, пр. гр. С64h) и BaY2F8 - BaYb2F8 (моноклинные, пр. гр. C22h). Смешанные кристаллы соответствовали эмпирическим формулам Li(Y1-xLux)F4 и Ba(Y1-xYbx)2F8, с мольными долями «х» до 0,7.Single-crystal materials are solid solutions (mixed crystals) with a disordered structure, crystallizing in binary systems of simple compounds with an ordered structure based on LiYF 4 - LiLuF 4 (tetragonal with scheelite structure, space group C 64h ) and BaY 2 F 8 - BaYb 2 F 8 (monoclinic, space group C 22h ). The mixed crystals corresponded to the empirical formulas Li (Y 1-x Lu x ) F 4 and Ba (Y 1-x Yb x ) 2 F 8 , with molar fractions of "x" up to 0.7.

Выращивание моноклинных кристаллов твердых растворов Ba(Y,Yb)2F8:Ln3+ (где Ln3+=Се3+ или Pr3+) осуществлялось методом ГНК в графитовых лодочках в ростовой установке с нагревателем сопротивления в графитовом тепловом узле. (Например, по патенту №2320789). Шихту состава из реактивов марки ОСЧ (мол. %): 36,2 BaF2; 53,7 YF3; 9,6 YbF3 и 0,5 CeF3 (или PrF3) помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме (0,005 торр) при температуре 250°С в течение 24 часов. Атмосферу для процесса выращивания кристаллов подготавливали путем сжигания тетрафторэтилена в газообразном аргоне с чистотой 99,99% при давлении 985 торр. Затем исходная смесь нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре около 1020°С в течение 6 часов. Рост кристалла на затравку произвольной ориентации осуществлялся со скоростью 1,5 мм/ч. Полученные кристаллические образцы имели вид объемных пластин с конусом в носовой части со средними размерами 50×80×20 мм. Кристаллы были прозрачными и хорошего оптического качества.Monoclinic crystals of solid solutions of Ba (Y, Yb) 2 F 8 : Ln 3+ (where Ln 3+ = Се 3+ or Pr 3+ ) were grown by GNC in graphite boats in a growth unit with a resistance heater in a graphite thermal unit. (For example, according to patent No. 2320789). The mixture composition of the reagents of the brand OSCH (mol.%): 36.2 BaF 2 ; 53.7 YF 3 ; 9.6 YbF 3 and 0.5 CeF 3 (or PrF3) were placed in a graphite crucible and dried in a chamber of a growth unit in vacuum (0.005 torr) at a temperature of 250 ° C for 24 hours. The atmosphere for the crystal growing process was prepared by burning tetrafluoroethylene in argon gas with a purity of 99.99% at a pressure of 985 torr. Then, the initial mixture was heated to its melting point and maintained at a temperature of about 1020 ° C for 6 hours. The crystal was grown onto a seed of arbitrary orientation at a speed of 1.5 mm / h. The obtained crystalline samples had the form of volumetric plates with a cone in the bow with an average size of 50 × 80 × 20 mm. The crystals were transparent and of good optical quality.

Аналогичная методика применялась для выращивания тетрагональных кристаллов твердых растворов соединений Li(Y, Lu)F4:Ln3+ Состав шихты из реактивов марки ОСЧ соответствовал (мол. %): 12 LiF; 24,5 YF3; 62 LuF3 и 1,5 CeF3 (столько же для PrF3). В отличие от первого случая рост кристаллов велся на ориентированные затравки вдоль и перпендикулярно оси 4-го порядка.A similar technique was used to grow tetragonal crystals of solid solutions of Li (Y, Lu) F 4 : Ln 3+ compounds. The composition of the mixture from the OSCh reagents corresponded (mol%): 12 LiF; 24.5 YF 3 ; 62 LuF 3 and 1.5 CeF 3 (the same for PrF 3 ). In contrast to the first case, the crystal growth was carried out on oriented seeds along and perpendicular to the 4th order axis.

Claims (11)

1. Сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующего излучения, представляющий собой кристаллический твердый раствор с общей эмпирической формулой Li(Y1-xLux)F4 при х=0,01-0,8, образующийся в бинарной системе LiYF4-LiLuF4.1. scintillator material for registration of ionizing radiation, which is a crystalline solid solution with the empirical general formula Li (Y 1-x Lu x) F 4 with x = 0.01-0.8, resulting in a binary system LiYF 4 -LiLuF 4. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что для регистрации нейтронного излучения х=0,01.2. The material according to p. 1, characterized in that for the registration of neutron radiation x = 0.01. 3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что для регистрации рентгеновского и γ-излучения х=0,5-0,7.3. The material according to p. 1, characterized in that for the registration of x-ray and γ-radiation x = 0.5-0.7. 4. Материал по пп. 1-3, отличающийся тем, что он активирован ионами Се3+ или Pr3+ в количестве 0,5-1,5 мол.%.4. The material according to paragraphs. 1-3, characterized in that it is activated by Ce 3+ or Pr 3+ ions in an amount of 0.5-1.5 mol.%. 5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он получен методом горизонтальной направленной кристаллизации.5. The material according to claim 1, characterized in that it is obtained by the method of horizontal directional crystallization. 6. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде монокристалла в виде пластин с размерами не менее 50×80×20 мм.6. The material according to claim 1, characterized in that it is made in the form of a single crystal in the form of plates with dimensions of at least 50 × 80 × 20 mm. 7. Сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующего излучения, представляющий собой кристаллический твердый раствор с общей эмпирической формулой Ba(Y1-xYbx)2F8 при х=0,01-0,9, образующийся в бинарной системе BaY2F8-BaYb2F8.7. Scintillation material for recording ionizing radiation, which is a crystalline solid solution with the general empirical formula Ba (Y 1-x Yb x ) 2 F 8 at x = 0.01-0.9, formed in the binary system BaY 2 F 8 - BaYb 2 F 8 . 8. Материал по п. 7, отличающийся тем, что для регистрации рентгеновского и γ-излучения х=0,5-0,7.8. The material according to p. 7, characterized in that for the registration of x-ray and γ-radiation x = 0.5-0.7. 9. Материал по пп. 7-8, отличающийся тем, что он активирован ионами Се3+ или Pr3+ в количестве 0,5-1,5 мол.%.9. The material according to paragraphs. 7-8, characterized in that it is activated by Ce 3+ or Pr 3+ ions in an amount of 0.5-1.5 mol.%. 10. Материал по п. 7, отличающийся тем, что он получен методом горизонтальной направленной кристаллизации.10. The material according to p. 7, characterized in that it is obtained by the method of horizontal directional crystallization. 11. Материал по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен в виде монокристалла в виде пластин с размерами не менее 50×80×20 мм.11. The material according to p. 7, characterized in that it is made in the form of a single crystal in the form of plates with dimensions of at least 50 × 80 × 20 mm.
RU2016135686A 2016-09-02 2016-09-02 Scintillation material for detecting ionising radiation (versions) RU2627573C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016135686A RU2627573C1 (en) 2016-09-02 2016-09-02 Scintillation material for detecting ionising radiation (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016135686A RU2627573C1 (en) 2016-09-02 2016-09-02 Scintillation material for detecting ionising radiation (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2627573C1 true RU2627573C1 (en) 2017-08-08

Family

ID=59632586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016135686A RU2627573C1 (en) 2016-09-02 2016-09-02 Scintillation material for detecting ionising radiation (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2627573C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2242545C1 (en) * 2003-11-04 2004-12-20 Загуменный Александр Иосифович Scintillation substance (options)
WO2005088784A1 (en) * 2004-03-04 2005-09-22 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Waveguide structure for upconversion of ir wavelength laser radiation
US20100001191A1 (en) * 2007-02-16 2010-01-07 Hiroyuki Takahashi Radiation detection apparatus and method of detecting radiation
RU2467354C1 (en) * 2011-04-29 2012-11-20 Закрытое акционерное общество "ИНКРОМ" (ЗАО "ИНКРОМ") Barium fluoride-based high-speed scintillation material and method for production thereof (versions)

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2242545C1 (en) * 2003-11-04 2004-12-20 Загуменный Александр Иосифович Scintillation substance (options)
WO2005088784A1 (en) * 2004-03-04 2005-09-22 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Waveguide structure for upconversion of ir wavelength laser radiation
US20100001191A1 (en) * 2007-02-16 2010-01-07 Hiroyuki Takahashi Radiation detection apparatus and method of detecting radiation
RU2467354C1 (en) * 2011-04-29 2012-11-20 Закрытое акционерное общество "ИНКРОМ" (ЗАО "ИНКРОМ") Barium fluoride-based high-speed scintillation material and method for production thereof (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7608828B2 (en) Solid solution material of rare earth element fluoride (polycrystal and single crystal), and method for preparation thereof, and radiation detector and test device
US9834858B2 (en) Pr-containing scintillator single crystal, method of manufacturing the same, radiation detector, and inspection apparatus
US8044367B2 (en) Scintillator for neutron detection and neutron detector
US8617422B2 (en) Use of codoping to modify the scintillation properties of inorganic scintillators doped with trivalent activators
EP3221718B1 (en) Novel thallium doped sodium, cesium or lithium iodide scintillators
USRE45930E1 (en) Lanthanide doped strontium barium mixed halide scintillators
US20180284300A1 (en) A method of shortening the scintillation
US20230235219A1 (en) Low-dimensional perovskite-structured metal halide and preparation method and application thereof
US9404036B2 (en) Alkali metal and alkali earth metal gadolinium halide scintillators
JP2009507979A (en) High light yield high speed scintillator
US8778225B2 (en) Iodide single crystal, production process thereof, and scintillator comprising iodide single crystal
EP2695928B1 (en) Scintillator, radiation detector, and method for detecting radiation
US7060982B2 (en) Fluoride single crystal for detecting radiation, scintillator and radiation detector using the single crystal, and method for detecting radiation
CN114411252A (en) Novel perovskite-like structure scintillator for neutron detection and preparation method and application thereof
WO2015007229A1 (en) Ultrabright csi:tl scintillators with reduced afterglow: fabrication and application
RU2627573C1 (en) Scintillation material for detecting ionising radiation (versions)
CN113512757B (en) Large-block high-quality scintillation crystal and preparation method and application thereof
WO2012115234A1 (en) Scintillator for neutron detection, and neutron radiation detector
JP4605588B2 (en) Fluoride single crystal for radiation detection, method for producing the same, and radiation detector
Kawaguchi et al. Inorganic Fluoride Scintillators
JP2004137489A (en) Fluoride single crystal material for radiation detection and radiation detector
RU2494997C1 (en) Method of producing transparent ceramic
Lecoq New scintillating crystals for PET scanners