RU2781041C1 - Scintillation composition for neutron detection - Google Patents
Scintillation composition for neutron detection Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781041C1 RU2781041C1 RU2021137092A RU2021137092A RU2781041C1 RU 2781041 C1 RU2781041 C1 RU 2781041C1 RU 2021137092 A RU2021137092 A RU 2021137092A RU 2021137092 A RU2021137092 A RU 2021137092A RU 2781041 C1 RU2781041 C1 RU 2781041C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- composition
- scintillation
- atoms
- lif
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 28
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N Gadolinium Chemical group [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 19
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M Lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 45
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 16
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 claims description 4
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 claims description 4
- GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N terbium Chemical compound [Tb] GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical group [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OGPBJKLSAFTDLK-UHFFFAOYSA-N europium Chemical group [Eu] OGPBJKLSAFTDLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PAZHGORSDKKUPI-UHFFFAOYSA-N Lithium metasilicate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-][Si]([O-])=O PAZHGORSDKKUPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052912 lithium silicate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 17
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 16
- 210000004940 Nucleus Anatomy 0.000 abstract description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 9
- WHXSMMKQMYFTQS-BJUDXGSMSA-N lithium-6 Chemical group [6Li] WHXSMMKQMYFTQS-BJUDXGSMSA-N 0.000 abstract description 7
- 239000001307 helium Substances 0.000 abstract description 6
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000007792 addition Methods 0.000 abstract description 2
- 229910052950 sphalerite Inorganic materials 0.000 description 22
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 22
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 18
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 17
- 150000003271 galactooligosaccharides Chemical class 0.000 description 12
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- -1 rare-earth ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000002642 lithium compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N Ammonium fluoride Chemical compound [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-BJUDXGSMSA-N boron-10 Chemical compound [10B] ZOXJGFHDIHLPTG-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 2
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 238000000975 co-precipitation Methods 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 230000001809 detectable Effects 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M lithium hydroxide Inorganic materials [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 239000012452 mother liquor Substances 0.000 description 2
- 229920001888 polyacrylic acid Polymers 0.000 description 2
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 2
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N precursor Substances N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003826 uniaxial pressing Methods 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N Boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- MEANOSLIBWSCIT-UHFFFAOYSA-K Gadolinium(III) chloride Chemical compound Cl[Gd](Cl)Cl MEANOSLIBWSCIT-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003317 GdCl3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000088 Lip Anatomy 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FPKOPBFLPLFWAD-UHFFFAOYSA-N Trinitrotoluene Chemical compound CC1=CC=C([N+]([O-])=O)C([N+]([O-])=O)=C1[N+]([O-])=O FPKOPBFLPLFWAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910009491 Y3Al5O12 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 1
- 150000001639 boron compounds Chemical class 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 150000002371 helium Chemical class 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009114 investigational therapy Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000000155 isotopic Effects 0.000 description 1
- 238000011068 load Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000005433 particle physics related processes and functions Effects 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 230000001902 propagating Effects 0.000 description 1
- 238000002601 radiography Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006254 rheological additive Substances 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N silicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 150000003649 tritium Chemical class 0.000 description 1
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N α-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам регистрации ионизирующих излучений, а именно нейтронов методом сцинтилляционной нейтронной визуализации, радиографии и томографии, с использованием композиций, состоящих из неорганических сцинтилляционных материалов и материалов, являющимися поглотителями нейтронов.The invention relates to devices for detecting ionizing radiation, namely neutrons by the method of scintillation neutron imaging, radiography and tomography, using compositions consisting of inorganic scintillation materials and neutron absorbing materials.
Уровень техникиState of the art
Известен способ нейтронной визуализации с помощью гадолиний-содержащих сцинтилляторов, в которых поглотитель нейтронов изначально входит в состав сцинтилляционного материала, например, сцинтилляционной керамики Gd2O2S (GOS, Gadox), активированной ионами Tb3+, или Tb3+ и Се3+, или Tb3+ и Eu3+, со-активированной ионами F-, или частицами LiF, 6LiF и т.д. (Е.I. Gorokhova, V.A. Demidenko, S.В. Mikhrin, P.A. Rodnyi, and С.W. Е. van Eijk. Luminescence and Scintillation Properties of Gd2O2S:Tb, Ce Ceramics. IEEE transactions on nuclear science, vol. 52, no. 6, December 2005), (Tobias Neuwirth, Bernhard Walfort, Simon Sebold and Michael Schulz. Light Yield Response of Neutron Scintillation Screens to Sudden Flux Changes. J. Imaging 2020, 6(12), 134; https://doi.org/10.3390/jimaging6120134).A known neutron imaging method using gadolinium-containing scintillators, in which the neutron absorber is initially part of the scintillation material, for example, scintillation ceramics Gd 2 O 2 S (GOS, Gadox), activated with Tb 3+ ions, or Tb 3+ and Ce 3 + , or Tb 3+ and Eu 3+ , co-activated with F - ions, or particles of LiF, 6 LiF, etc. (E.I. Gorokhova, V.A. Demidenko, S.V. Mikhrin, P.A. Rodnyi, and C.W. E. van Eijk. Luminescence and Scintillation Properties of Gd 2 O 2 S:Tb, Ce Ceramics. IEEE transactions on nuclear science , vol. 52, no. 6, December 2005), (Tobias Neuwirth, Bernhard Walfort, Simon Sebold and Michael Schulz. Light Yield Response of Neutron Scintillation Screens to Sudden Flux Changes. J. Imaging 2020, 6(12), 134; https://doi.org/10.3390/jimaging6120134).
Толщина экранов GOS варьируется в диапазоне 10-50 мкм. Экспериментально наблюдаемое пространственное разрешение при толщине Gd2O2S:Tb экрана 10 мкм, составляет 36 мкм (Xingfen Jiang, Qinglei Xiu, Jianrong Zhou et al. Study on the neutron imaging detector with high spatial resolution at China spallation neutron source. Nuclear Engineering and Technology 53 (2021) 1942-1946). При этом авторы отмечают, что низкий выход сцинтилляций (световыход) экрана Gd2O2S:Tb 217±2 фотона на нейтрон, как минимум в 100 раз хуже такового у 6LiF/ZnS, требует огромного увеличения потока нейтронов для снижения экспозиции до практически приемлемого уровня.The thickness of GOS screens varies in the range of 10-50 microns. The experimentally observed spatial resolution for a Gd 2 O 2 S:Tb screen thickness of 10 µm is 36 µm (Xingfen Jiang, Qinglei Xiu, Jianrong Zhou et al. Study on the neutron imaging detector with high spatial resolution at China spallation neutron source. Nuclear Engineering and Technology 53 (2021) 1942-1946). At the same time, the authors note that the low scintillation yield (light yield) of the Gd 2 O 2 S:Tb screen of 217 ± 2 photons per neutron, at least 100 times worse than that of 6 LiF/ZnS, requires a huge increase in the neutron flux to reduce the exposure to almost acceptable level.
Сечение поглощения тепловых нейтронов гадолинием составляет 49000 Барн для естественной (природной) смеси изотопов и 254000 Барн для изотопа 157Gd присутствующего в естественной смеси в количестве 15,6%. Для уникального экрана, сделанного из обогащенного гадолиния 157Gd2O2S:Tb, при толщине экрана 3,5 мкм пространственное разрешение составило 5,4 мкм (Pavel Trtik, Eberhard Н. Lehmann. Progress in High-resolution Neutron Imaging at the Paul Scherrer Institut The Neutron Microscope Project. Journal of Physics: Conference Series 746 (2016)012004).The absorption cross section for thermal neutrons by gadolinium is 49,000 Barn for a natural isotope mixture and 254,000 Barn for the 157 Gd isotope present in the natural mixture in an amount of 15.6%. For a unique screen made of enriched gadolinium 157 Gd 2 O 2 S:Tb, with a screen thickness of 3.5 µm, the spatial resolution was 5.4 µm (Pavel Trtik, Eberhard H. Lehmann. Progress in High-resolution Neutron Imaging at the Paul Scherrer Institut The Neutron Microscope Project Journal of Physics: Conference Series 746 (2016)012004).
Общим недостатком всех гадолиний-содержащих сцинтилляционных экранов является тот факт, что поглощение теплового нейтрона в гадолинии сопровождается испусканием низкоэнергетического рентгеновского излучения и электронов внутренней конверсии, имеющих энергию десятков кэВ. Испускаемые γ-кванты имеют спектр энергий вплоть до ~8 МэВ, но при энергии выше 100 кэВ имеют ничтожную эффективность поглощения в тонком экране, что приводит к снижению его счетной эффективности (вероятности регистрации нейтрона). Согласно (A. Fedorov, V. Gurinovich, V. Guzov et al. Sensitivity of GAGG based scintillation neutron detector with SiPM readout. Nuclear Engineering and Technology. V.52, N10 (2020) 2306-2312), снижение верхнего порога регистрации электронов и γ-квантов в гадолиний-содержащем нейтронном детекторе GAGG (Gd3Al2Ga3O12) с 8 МэВ до 105 кэВ снижает счетную эффективность детектора нейтронов с 92% до примерно 44%.A common disadvantage of all gadolinium-containing scintillation screens is the fact that the absorption of a thermal neutron in gadolinium is accompanied by the emission of low-energy X-rays and internal conversion electrons with an energy of tens of keV. The emitted γ-quanta have an energy spectrum up to ~8 MeV, but at energies above 100 keV they have an insignificant absorption efficiency in a thin screen, which leads to a decrease in its counting efficiency (probability of detecting a neutron). According to (A. Fedorov, V. Gurinovich, V. Guzov et al. Sensitivity of GAGG based scintillation neutron detector with SiPM readout. Nuclear Engineering and Technology. V.52, N10 (2020) 2306-2312), lowering the upper threshold of electron detection and γ-quanta in the gadolinium-containing neutron detector GAGG (Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 ) from 8 MeV to 105 keV reduces the counting efficiency of the neutron detector from 92% to about 44%.
Согласно (Anderson, I.S.; McGreevy, R.L.; Hassina, Z.B. Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), регистрация нейтронов в экранах GOS осуществляется преимущественно за счет поглощения конверсионных электронов.According to (Anderson, I.S.; McGreevy, R.L.; Hassina, Z.B. Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), The registration of neutrons in the GOS screens is carried out mainly due to the absorption of conversion electrons.
Для тонких экранов GOS толщиной 10 мкм и менее, можно рассчитывать лишь на эффективную регистрацию конверсионного электрона 158Gd* с энергией 29 кэВ, имеющему выход на один нейтрон 0,0982 согласно (Р. Kandlakunta, L.R. Cao, P. Mulligan. Measurement of internal conversion electrons from Gd neutron capture. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 705(2013)36-41), таким образом счетная эффективность такого детектора нейтронов не может превышать 10%. Для более толстых, до 50 мкм, экранов GOS, способных зарегистрировать конверсионные электроны 158Gd* с энергией до примерно 78 кэВ, счетная эффективность возрастет с одновременным ухудшением энергетического разрешения, но не превысит при этом 35-40% согласно тем же авторам.For thin GOS screens with a thickness of 10 µm or less, one can only count on effective registration of the conversion electron 158 Gd* with an energy of 29 keV, which has a yield per neutron of 0.0982 according to (P. Kandlakunta, LR Cao, P. Mulligan. Measurement of internal conversion electrons from Gd neutron capture. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 705(2013)36-41), thus the counting efficiency of such a neutron detector cannot exceed 10%. For thicker, up to 50 μm, GOS screens capable of detecting 158 Gd* conversion electrons with energies up to about 78 keV, the counting efficiency will increase with a simultaneous deterioration in energy resolution, but will not exceed 35–40% according to the same authors.
Низкий выход сцинтилляций на один поглощенный нейтрон и низкая счетная эффективность - существенные недостатки экранов GOS, которые в итоге приводят к значительному увеличению экспозиции и снижению производительности измерений, основанных на использовании GOS.Low scintillation yield per absorbed neutron and low counting efficiency are significant disadvantages of GOS screens, which ultimately lead to a significant increase in exposure and decrease in measurement performance based on the use of GOS.
Кроме того, согласно (Е.I. Gorokhova, V.A. Demidenko, S.В. Mikhrin, Р.А. Rodnyi, and С.W. Е. van Eijk. Luminescence and Scintillation Properties of Gd2O2S:Tb,Ce Ceramics. IEEE transactions on nuclear science, vol. 52, no. 6, December 2005) активированные тербием керамики GOS имеют большую постоянную времени высвечивания, 0,6-2,0 мс, что также может ограничивать их область применения и производительность измерений, особенно при относительно высоких потоках нейтронов. При этом ограничение производительности измерений происходит за счет уменьшения загрузочной способности детектора, обусловленного длительностью кинетики сцинтилляционного импульса, поскольку скорость регистрации R пропорциональнаIn addition, according to (E.I. Gorokhova, V.A. Demidenko, S.V. Mikhrin, R.A. Rodnyi, and C.W. E. van Eijk. Luminescence and Scintillation Properties of Gd 2 O 2 S:Tb,Ce Ceramics, IEEE transactions on nuclear science, vol. at relatively high neutron fluxes. In this case, the limitation of measurement performance occurs due to a decrease in the loading capacity of the detector, due to the duration of the kinetics of the scintillation pulse, since the registration rate R is proportional to
, ,
гдеwhere
n - средняя скорость поступления событий,n - average rate of arrival of events,
t1 - длительность сцинтилляционного импульса,t 1 - the duration of the scintillation pulse,
t2 - длительность его переднего фронтаt 2 - the duration of its leading edge
(Э. Кэбин, Ядерная электроника для пользователей, http://nuclphys.sinp.msu.ru/electronics/deadtime.htm).(E. Cabin, Nuclear Electronics for Users, http://nuclphys.sinp.msu.ru/electronics/deadtime.htm).
В сцинтилляторах на основе неорганических кислородных соединений, активированных ионами редкоземельных элементов, длительность сцинтилляционного импульса составляет утроенное значение константы кинетики затухания сцинтилляций, а переднего фронта не превышает ее однократного значения.In scintillators based on inorganic oxygen compounds activated by rare-earth ions, the duration of the scintillation pulse is three times the value of the scintillation decay kinetics constant, and the leading edge does not exceed its single value.
Известен способ нейтронной визуализации с помощью экранов, содержащих сцинтиллятор на основе цинка Zn: ZnS-Ag, ZnS-Cu, Al и т.д., поглотитель нейтронов на основе фторида лития 6LiF и связующее вещество (Anderson, I.S.; McGreevy, R.L.; Hassina, Z.B. Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), (E.H.Lehmann, G.Frei, G.Kühne, P.Boillat. The micro-setup for neutron imaging: A major step forward to improve the spatial resolution. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 576, 389 (2007) 389-396).A known method of neutron imaging using screens containing a scintillator based on zinc Zn: ZnS-Ag, ZnS-Cu, Al, etc., a neutron absorber based on lithium fluoride 6 LiF and a binder (Anderson, IS; McGreevy, RL; Hassina, ZB Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community, Technical report, Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009, ISBN 978-0-387-78692-6), (EHLehmann, G.Frei, G.Kühne , P Boillat The micro-setup for neutron imaging: A major step forward to improve the spatial resolution Nucl Instrum Meth in Phys Res A 576, 389 (2007) 389-396).
Достоинством сцинтилляционного материала ZnS-Ag/6LiF (V.B. Mikhailik et al., Investigation of luminescence and scintillation properties of ZnS-Ag/6LiF scintillator in the 7-295 K temperature range, J. Luminescence 134 (2013) 63-66) является более быстрая кинетика, сцинтилляций, основная компонента кинетики затухания составляет 4.5 мкс, что в пятьсот раз короче, чем у сцинтилляционного материала GOS, активированного ионами тербия.The advantage of ZnS-Ag/ 6LiF scintillation material (VB Mikhailik et al., Investigation of luminescence and scintillation properties of ZnS-Ag/6LiF scintillator in the 7-295 K temperature range, J. Luminescence 134 (2013) 63-66) is faster kinetics, scintillations, the main component of the decay kinetics is 4.5 μs, which is five hundred times shorter than that of the terbium ion-activated GOS scintillation material.
Достоинством сцинтилляционных экранов на основе лития ZnS-Ag/6LiF является то, что поглощение теплового нейтрона в 6Li сопровождается испусканием высокоэнергетических частиц, ядра гелия (α-частицы) и ядра трития (тритона), имеющих энергию 2,055 МэВ и 2,727 МэВ соответственно. Такие энергии частиц обеспечивают высокую яркость сцинтилляционных вспышек в ZnS, до 160000 фотон на нейтрон, и в тоже время означают относительно короткие пробеги частиц в сцинтилляционном слое - единицы микрон для α-частиц и десятки микрон для тритонов.The advantage of scintillation screens based on lithium ZnS-Ag/ 6 LiF is that the absorption of a thermal neutron in 6 Li is accompanied by the emission of high-energy particles, the helium nucleus (α-particle) and the tritium nucleus (triton), having an energy of 2.055 MeV and 2.727 MeV, respectively. Such particle energies provide high brightness of scintillation flashes in ZnS, up to 160,000 photons per neutron, and at the same time mean relatively short particle ranges in the scintillation layer - a few microns for α-particles and tens of microns for tritons.
Согласно (Anderson, I.S.; McGreevy, R.L.; Hassina, Z.B. Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), толщины применяемых в нейтронной визуализации экранов ZnS-Ag/6LiF варьируются в пределах 250-100 мкм, реже доходят до 50 мкм, что объясняется гораздо меньшим, чем у Gd, сечением поглощения теплового нейтрона в 6Li, 940 Барн, и значительной потерей эффективности экрана с уменьшением толщины.According to (Anderson, IS; McGreevy, RL; Hassina, ZB Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community; Technical report; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; ISBN 978-0-387-78692-6), The thicknesses of the ZnS-Ag/ 6 LiF screens used in neutron imaging vary within 250-100 µm, less often reach 50 µm, which is explained by a much smaller thermal neutron absorption cross section of 6 Li, 940 Barn than that of Gd, and a significant loss of efficiency thinning screen.
В работе (E.H. Lehmann, G. Frei, G. Kuhne, P.Boillat. The micro-setup for neutron imaging: A major step forward to improve the spatial resolution. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 576, 389 (2007)) на источнике нейтронов от расщепления (neutron spallation source) SINQ, Швейцария, при толщине экрана ZnS-Ag/6LiF 50 мкм с охлаждаемой CCD камерой было получено близкое к теоретическому пределу пространственное разрешение около 50 мкм, или 20 пар линий/мм при 10%-ном контрасте передаточной функции модуляции (modulation transfer function, MTF). Ожидаемым результатом уменьшения толщины экрана стало уменьшение счетной эффективности и производительности измерений.In (EH Lehmann, G. Frei, G. Kuhne, P. Boillat. The micro-setup for neutron imaging: A major step forward to improve the spatial resolution. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 576, 389 (2007)) at the neutron spallation source SINQ, Switzerland, with a ZnS-Ag/ 6 LiF screen thickness of 50 µm with a cooled CCD chamber, a spatial resolution close to the theoretical limit of about 50 µm, or 20 line pairs, was obtained /mm at 10% modulation transfer function (MTF) contrast. The expected result of reducing the thickness of the screen was a decrease in counting efficiency and measurement productivity.
Обычно весовые пропорции входящих в состав экрана ZnS-Ag/6LiF компонентов распределены следующим образом: ZnS-Ag/6LiF:связующее = 1:2-4:0,15-0,6 (Tobias Neuwirth, Bernhard Walfort, Simon Sebold and Michael Schulz. Light Yield Response of Neutron Scintillation Screens to Sudden Flux Changes. J. Imaging 2020, 6(12), 134; https://doi.org/10.3390/jimaging6120134), (Y. Yehuda-Zada, K. Pritchard, J.B. Ziegler et al. Optimization of 6LiF:ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018) 59-69), (Gnezdilov, G.L. Dedenko, R.F. Ibragimov et al. Optimization of the neutron detector design based on the 6LiF/ZnS(Ag) scintillation screens for the GAMMA-400 space observatory. Conference of Fundamental Research and Particle Physics, 18-20 February 2015, Moscow, Russian Federation. Physics Procedia 74 (2015) 199 - 205). Вариации активаторов ZnS в большей степени влияют на кинетику сцинтилляций и их спектр, в меньшей - на выход сцинтилляций, который различными производителями и пользователями обычно определяется в пределах 100000-160000 фотон на нейтрон. Влияние пропорций компонент на характеристики экрана ZnS-Ag/6LiF, выявленное авторами (Y. Yehuda-Zada, К. Pritchard, J.B. Ziegler et al. Optimization of 6LiF:ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018) 59-69) в ходе GEANT4 (S.Agostinelli et al. Geant4 - a simulation toolkit. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A. 506 (2003)250-303) моделирования приведено в таблице 1:Typically, the weight proportions of the components included in the ZnS-Ag/ 6 LiF screen are distributed as follows: ZnS-Ag/ 6 LiF:binder = 1:2-4:0.15-0.6 (Tobias Neuwirth, Bernhard Walfort, Simon Sebold and Michael Schulz, Light Yield Response of Neutron Scintillation Screens to Sudden Flux Changes, J. Imaging 2020, 6(12), 134; https://doi.org/10.3390/jimaging6120134), (Y. Yehuda-Zada, K. Pritchard , JB Ziegler et al. Optimization of 6 LiF:ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018) 59-69), (Gnezdilov, GL Dedenko, RF Ibragimov et al., Optimization of the neutron detector design based on the 6 LiF/ZnS(Ag) scintillation screens for the GAMMA-400 space observatory, Conference of Fundamental Research and Particle Physics, 18-20 February 2015, Moscow, Russian Federation, Physics Procedia 74 (2015) 199 - 205). Variations of ZnS activators have a greater effect on the kinetics of scintillations and their spectrum, and to a lesser extent on the yield of scintillations, which is usually determined by various manufacturers and users in the range of 100,000-160,000 photons per neutron. The effect of component proportions on the characteristics of the ZnS-Ag/ 6 LiF screen, revealed by the authors (Y. Yehuda-Zada, K. Pritchard, JB Ziegler et al. Optimization of 6 LiF: ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018) 59-69) during GEANT4 (S. Agostinelli et al. Geant4 - a simulation toolkit. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A. 506 (2003)250 -303) simulations are shown in Table 1:
Увеличение концентрации зерен ZnS ухудшает передачу света сцинтилляций к фотоприемнику, т.к. зерна ZnS практически непрозрачны к свету собственных сцинтилляций. ZnS на длине волны сцинтилляций имеет исключительно высокий коэффициент преломления n=2,36, что значительно превосходит коэффициент преломления любого вещества, которое могло бы быть использовано в качестве связующего. По этой причине распространяющийся в экране свет сцинтилляций будет неизбежно заходить в зерна ZnS и поглощаться там. В идеальном случае коэффициент преломления связующего должен быть выше такового у ZnS для исключения влияния его непрозрачности.An increase in the concentration of ZnS grains impairs the transmission of scintillation light to the photodetector, since ZnS grains are practically opaque to the light of their own scintillations. ZnS at the scintillation wavelength has an exceptionally high refractive index of n=2.36, which far exceeds that of any substance that could be used as a binder. For this reason, the scintillation light propagating in the screen will inevitably enter the ZnS grains and be absorbed there. Ideally, the refractive index of the binder should be higher than that of ZnS to eliminate the influence of its opacity.
Увеличение концентрации зерен 6LiF уменьшает выход сцинтилляций, т.к. в первую очередь вносит дополнительные потери кинетической энергии α-частиц и тритонов в зернах 6LiF по пути к зернам сцинтиллятора (самопоглощение) и, к тому же, ухудшает передачу света сцинтилляций к фотоприемнику, т.к. зерна 6LiF хоть и прозрачны к свету сцинтилляций ZnS, но будут являться центрами рассеяния света этих сцинтилляций в случае, когда коэффициент преломления связующего выше такового для 6LiF, n=1,39 согласно (Refractive index database. https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=LiF&page=Li). Любое рассеяние приводит к увеличению оптического пути света в экране и, в итоге, к неизбежному поглощению в зернах ZnS.An increase in the concentration of 6 LiF grains reduces the scintillation yield, since first of all, it introduces additional losses of the kinetic energy of α-particles and tritons in 6 LiF grains on the way to the scintillator grains (self-absorption) and, moreover, worsens the transmission of scintillation light to the photodetector, because 6 LiF grains, although transparent to the light of ZnS scintillations, will be the centers of light scattering of these scintillations in the case when the refractive index of the binder is higher than that for 6 LiF, n=1.39 according to (Refractive index database. https://refractiveindex.info /?shelf=main&book=LiF&page=Li). Any scattering leads to an increase in the optical path of light in the screen and, as a result, to inevitable absorption in ZnS grains.
Уменьшить рассеяние можно путем увеличения размера зерен 6LiF до размеров 2-3 микрона, или нескольких длин волн сцинтилляций ZnS. Но это неизбежно увеличивает потери энергии α-частиц и тритонов за счет самопоглощения. На фиг.1 и фиг.2 представлены результаты моделирования с помощью программного пакета GEANT4 потери энергии в 6LiF и типичном связующим веществом на основе эпоксидной смолы. Видно, что суммарные потери энергии α-частиц и тритонов при длине их пути 5 мкм 6LiF достигают 45% от начальной, а для α-частиц составляют 91%. При прохождении 5 мкм в связующем потери энергии в 1,6 раза ниже.Scattering can be reduced by increasing the grain size of 6 LiF to 2-3 microns, or several wavelengths of ZnS scintillations. But this inevitably increases the energy loss of α-particles and tritons due to self-absorption. 1 and 2 show the results of a GEANT4 simulation of the energy loss in 6 LiF and a typical epoxy binder. It can be seen that the total energy loss of α-particles and tritons with a path length of 5 μm 6 LiF reaches 45% of the initial one, and for α-particles it is 91%. When passing 5 µm in the binder, the energy loss is 1.6 times lower.
На фиг.1 и фиг.2 величиной длины пробега является пути частиц в веществе, или общая длинна их траектории. Полученные путем моделирования длины пробега α-частиц и тритонов в 6LiF от точки входа в вещество до точки остановки приведены в таблице 2.In figure 1 and figure 2 the length of the run is the path of the particles in the substance, or the total length of their trajectory. The path lengths of α-particles and tritons in 6 LiF obtained by modeling from the point of entry into the substance to the stopping point are shown in Table 2.
Другой возможный путь - уменьшением размера зерен 6LiF до субмикронных, порядка малых долей длины волны сцинтилляций ZnS с целью выхода за границы отношения размеров рассеивающего объекта к длине волны, характерных для рассеяния Ми, в сторону Рэлеевского рассеяния. Однако равномерное и однородное размещение любых субмикронных частиц в экране без агрегации затруднительно с технологической точки зрения, о чем свидетельствует сравнение результатов симуляций и экспериментальных данных (Y. Yehuda-Zada, K. Pritchard, J.B. Ziegler et al. Optimization of 6LiF:ZnS(Ag) scintillator light yield using GEANT4. Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 892 (2018)59-69).Another possible way is to reduce the grain size of 6 LiF to submicron, on the order of small fractions of the ZnS scintillation wavelength in order to go beyond the limits of the ratio of the size of the scattering object to the wavelength characteristic of Mie scattering, towards Rayleigh scattering. However, uniform and homogeneous placement of any submicron particles in the screen without aggregation is difficult from a technological point of view, as evidenced by a comparison of simulation results and experimental data (Y. Yehuda-Zada, K. Pritchard, JB Ziegler et al. Optimization of 6 LiF:ZnS( Ag) scintillator light yield using GEANT4 Nucl Instrum Meth in Phys Res A 892 (2018)59-69).
Известен способ создания сцинтилляционных экранов на основе композиций ZnS/Н3ВО3 (Guo L., Liu Z., Luo Z. Preparation method of thermal neutron scintillation screen, CN 104538078 A. Apr. 22. 2015), где люминофор на основе сульфида цинка смешивают с борной кислотой, нагревают до получения гомогенного расплава, который потом выливают в специальное углубление алюминиевой пластины, служащей подложкой.A known method for creating scintillation screens based on ZnS/H 3 BO 3 compositions (Guo L., Liu Z., Luo Z. Preparation method of thermal neutron scintillation screen, CN 104538078 A. Apr. 22. 2015), where the phosphor is based on sulfide zinc is mixed with boric acid, heated until a homogeneous melt is obtained, which is then poured into a special recess of an aluminum plate that serves as a substrate.
Известен способ создания борсодержащей композиции (Jansma B.J., J. L. Water based dispersions of boron or boron compounds for use in coating boron lined neutron detectors, US 2011116589 A1. May 19. 2011), в котором использовали водные суспензии элементного бора-10, которые наносили на подложку в качестве подслоя для конверсии нейтронов в детектируемые гамма-кванты с энергией 0,48МэВ или альфа частицы с энергией 2,79 МэВ.A known method for creating a boron-containing composition (Jansma B.J., J. L. Water based dispersions of boron or boron compounds for use in coating boron lined neutron detectors, US 2011116589 A1. May 19. 2011), in which aqueous suspensions of elemental boron-10 were used, which were applied to a substrate as a sublayer for the conversion of neutrons into detectable gamma quanta with an energy of 0.48 MeV or alpha particles with an energy of 2.79 MeV.
Общим недостатком описанных борсодержащих композиций является то, что реакция изотопа бора-10 с нейтроном в 93% случаев протекает по каналу образования низкоэнергетических гамма-квантов с энергией 0,48 МэВ, которые имеют крайне малую эффективность поглощения в тонком сцинтилляционном экране.A common disadvantage of the described boron-containing compositions is that the reaction of the boron-10 isotope with a neutron in 93% of cases proceeds through the formation of low-energy gamma rays with an energy of 0.48 MeV, which have an extremely low absorption efficiency in a thin scintillation screen.
Указанные недостатки могут быть устранены, при использовании литиевого поглотителя, когда весь он, или, как минимум, его часть распределены в связующем на атомарном уровне, т.е. образует со связующим единое оптически прозрачное химическое соединение, в котором нет центров рассеяния, приводящих к увеличению оптической длины пути фотонов сцинтилляций в композиции. При этом все приведенные выше результаты моделирования и соответствующие выводы, касающиеся роли поглотителя и связующего в составе сцинтилляционного нейтронного экрана справедливы не только для экрана на основе ZnS, практически непрозрачного к собственному излучению, но и на основе других сцинтилляторов, коэффициент преломления которых выше коэффициента преломления связующего.These disadvantages can be eliminated by using a lithium absorber, when all of it, or at least part of it, is distributed in the binder at the atomic level, i.e. forms a single optically transparent chemical compound with the binder, in which there are no scattering centers, leading to an increase in the optical path length of scintillation photons in the composition. In this case, all the above simulation results and the corresponding conclusions regarding the role of the absorber and binder in the composition of the neutron scintillation screen are valid not only for a screen based on ZnS, which is practically opaque to its own radiation, but also based on other scintillators, the refractive index of which is higher than the refractive index of the binder. .
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является достижение лучшего пространственного разрешения при осуществлении возможности использования меньшего количества поглотителя нейтронов (6LiF).The technical problem to be solved by the claimed invention is to achieve a better spatial resolution in the implementation of the possibility of using a smaller amount of neutron absorber ( 6 LiF).
Технический результат заявленного изобретения заключается в улучшении пространственного разрешения и производительности измерений при регистрации нейтронов в задачах сцинтилляционной нейтронной визуализации.The technical result of the claimed invention is to improve the spatial resolution and performance of measurements during neutron detection in tasks of scintillation neutron imaging.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что предложена сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов содержащая сцинтиллятор, поглотитель нейтронов и связующее при этом качестве сцинтиллятора используются гадолиний-содержащие соединения вида Gd3-xYxAl5-yGayO12 которые могут иметь как высокое содержание атомов гадолиния, как в соединении Gd3Al2Ga3O12, так и пониженное посредством их полного или частичного замещения атомами Y или лантаноидами, как в Gd3-xYxAl2Ga3O12, или Y3Al5O12 и/или в которых присутствует измененное соотношение атомов Al и Ga, как в Gd3-xYxAl5-yGayO12, либо соединения из ряда: Gd2O2S, GdCl3, GdBr3, Gd2SiO5, Gd2Si2O7, Gd3Al2Ga3O12 в форме зерен монокристаллического или поликристаллического материала, содержащих в качестве активатора атомы церия, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве от 0.001 до 2 ат.%, либо содержащих в качестве активатора атомы тербия и/или европия, которые вводят в состав материала, замещая один или несколько элементов в количестве от 0.1 до 20 ат. %, в качестве поглотителя нейтронов используют фторид лития 6L1F, в качестве связующего используют силикат лития с формулой 6Li2O*nSiO2, либо полиакрилат лития с формулой (C3H3O26Li)n, причем отношение объемов 6LiF и 6Li2O*nSiO2, либо (C3H3O26Li)n в композиции находится в пределах от 99:1 до 1:99.The technical result of the claimed invention is achieved by the fact that a scintillation composition for detecting neutrons containing a scintillator, a neutron absorber and a binder is proposed, while gadolinium-containing compounds of the type Gd3-xYxAl5-yGayO12 are used as a scintillator, which can have both a high content of gadolinium atoms, as in the compound Gd3Al2Ga3O12, and reduced by their full or partial replacement with Y atoms or lanthanides, as in Gd3-xYxAl2Ga3O12, or Y3Al5O12 and / or in which there is a changed ratio of Al and Ga atoms, as in Gd3-xYxAl5-yGayO12, or compounds from the series: Gd2O2S, GdCl3, GdBr3, Gd2SiO5, Gd2Si2O7, Gd3Al2Ga3O12 in the form of grains of a single-crystal or polycrystalline material containing cerium atoms as an activator, which are introduced into the composition of the material, replacing one or more elements in an amount of 0.001 to 2 at.%, or containing as an activator terbium and / or europium atoms, which are introduced into the m material, replacing one or more elements in an amount from 0.1 to 20 at. %, lithium fluoride 6L1F is used as a neutron absorber, lithium silicate with the formula 6Li2O*nSiO2, or lithium polyacrylate with the formula (C3H3O26Li)n is used as a binder, and the ratio of the volumes of 6LiF and 6Li2O*nSiO2, or (C3H3O26Li)n in the composition is ranging from 99:1 to 1:99.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:The combination of the above essential features leads to the fact that:
Добавление атомов 6Li в состав связующего позволяет увеличить эффективность поглощения нейтронов, сократить потери энергии и среднюю длину пробега ядер гелия и трития между ядрами 6Li и зернами сцинтиллятора в композиции. При этом отношение количества атомов гадолиния Gd и 6Li может варьироваться в широких пределах, позволяя осуществлять регистрацию нейтронов преимущественно по реакции радиационного захвата (n,γ), либо по реакции поглощения нейтронов ядрами 6Li, сопровождающейся испусканием ядер гелия и трития, и таким образом достигать требуемой комбинации чувствительности и пространственного разрешения;The addition of 6 Li atoms to the composition of the binder makes it possible to increase the efficiency of neutron absorption, reduce energy losses, and reduce the mean free path of helium and tritium nuclei between 6 Li nuclei and scintillator grains in the composition. In this case, the ratio of the number of gadolinium atoms Gd and 6 Li can vary over a wide range, allowing neutrons to be detected mainly by the reaction of radiative capture (n, γ), or by the reaction of absorption of neutrons by 6 Li nuclei, accompanied by the emission of helium and tritium nuclei, and thus achieve the required combination of sensitivity and spatial resolution;
Возможно использование меньшего количества поглотителя нейтронов (6LiF), или в отдельных случаях полный отказ от него, тем самым способствуя получению большего количества света из сцинтилляционного слоя, а также достижению лучшего пространственного разрешения.It is possible to use a smaller amount of the neutron absorber ( 6 LiF), or in some cases completely abandon it, thereby facilitating the receipt of more light from the scintillation layer, as well as achieving better spatial resolution.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг. 1 представлены потери энергии α-частиц и тритонов в зависимости от длины их пути в 6LiF.In FIG. Figure 1 shows the energy losses of α-particles and tritons as a function of their path length in 6 LiF.
На фиг. 2 представлены потери энергии α-частиц и тритонов в зависимости от длины их пути в связующем на основе эпоксидные смолы.In FIG. 2 shows the energy loss of α-particles and tritons depending on the length of their path in a binder based on epoxy resins.
Осуществление и примеры реализации изобретенияImplementation and examples of the invention
Для достижения данного технического результата предложена сцинтилляционная композиция для регистрации нейтронов по реакциям радиационного захвата (n, γ) ядрами природной смеси гадолиния, сопровождающимся испусканием γ-квантов, рентгеновского излучения и электронов внутренней конверсии, а также по реакции поглощения нейтронов ядрами 6Li, сопровождающейся испусканием ядер гелия и трития состоящая из частиц сцинтиллятора, содержащего атомы гадолиния Gd, включающая атомы 6Li частиц поглотителя нейтронов и оптически прозрачного связующего, также содержащего атомы 6Li. При этом все компоненты композиции содержат атомы с ядрами, поглощающими нейтроны с сечением захвата не менее 1 Барн в диапазоне кинетических энергий до 10 МэВ. В качестве сцинтиллятора используются гадолиний-содержащие соединения имеющие природную смесь изотопов атомов Gd, либо обогащенные по необходимому изотопу. При этом гадолиний-содержащие соединения могут иметь как высокое содержание атомов гадолиния, как в соединении Gd3Al2Ga3O12, так и пониженное посредством их полного или частичного замещения атомами Y или лантаноидами, как в Gd3-xYxAl2Ga3O12, или Y3Al5O12 и/или в которых присутствует измененное соотношение атомов Al и Ga, как в Gd3-xYxAl5-yGayO12. Частичное или полное замещение гадолиния на иттрий или другие лантаноиды позволяет добиться требуемой комбинации эффективности поглощения нейтронов и световыхода сцинтилляций. Так, соединение Gd3Al2Ga3O12:Ce имеет световыход 41000 фотон на 1 МэВ поглощенной энергии, соединение Gd1.2Y1.785Al2Ga2.97O12:Ce до 60000 фотон/МэВ, a Y3Al5O12:Ce 11000 фотон/МэВ, но в случае Y3Al5O12:Ce конверсия нейтронов в детектируемые частицы (ядра гелия и трития) происходит исключительно за счет присутствия 6LiF в композиции. Также в качестве сцинтиллятора можно использовать гадолиний-содержащие соединения из ряда: Gd2O2S, GdCl3, GdBr3, Gd2SiO5, Gd2Si2O7, Gd3Al2Ga3O12, Gd3-xYxAl5-yGayO12 в форме зерен монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы церия, которые вводят в состав, замещая один или несколько элементов в количестве от 0,001 до 2 ат. %. Либо соединения из ряда: Gd2O2S, GdCl3, GdBr3, Gd2SiO5, Gd2Si2O7, Gd3Al2Ga3O12, Gd3-xYxAl5-yGayO12 в форме зерен монокристаллического или поликристаллического материала, содержащие в качестве активатора атомы тербия и/или европия, которые вводят в состав, замещая один или несколько элементов в количестве от 0,1 до 20 ат. %. Концентрации активатора должна лежать в указанных пределах, так как при меньшей концентрации активатора световыход сцинтиллятора будет слишком мал для практических применений, а при больших концентрациях происходит тушение сцинтилляций активатором, ввиду чего световыход значительно снижается.To achieve this technical result, a scintillation composition is proposed for detecting neutrons by the reactions of radiative capture (n, γ) by the nuclei of a natural mixture of gadolinium, accompanied by the emission of γ-quanta, X-rays and internal conversion electrons, as well as by the reaction of absorption of neutrons by 6 Li nuclei, accompanied by the emission helium and tritium nuclei, consisting of scintillator particles containing gadolinium Gd atoms, including 6 Li atoms of neutron absorber particles and an optically transparent binder, also containing 6 Li atoms. In this case, all components of the composition contain atoms with nuclei that absorb neutrons with a capture cross section of at least 1 Barn in the range of kinetic energies up to 10 MeV. As a scintillator, gadolinium-containing compounds with a natural mixture of isotopes of Gd atoms, or enriched in the required isotope, are used. At the same time, gadolinium-containing compounds can have both a high content of gadolinium atoms, as in the Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 compound, and a reduced content through their complete or partial replacement by Y atoms or lanthanides, as in Gd 3-x Y x Al 2 Ga 3 O 12 , or Y 3 Al 5 O 12 and/or in which an altered ratio of Al and Ga atoms is present, as in Gd 3-x Y x Al 5-y Ga y O 12 . Partial or complete substitution of gadolinium for yttrium or other lanthanides makes it possible to achieve the required combination of neutron absorption efficiency and scintillation light yield. Thus, the Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 : Ce compound has a light yield of 41000 photons per 1 MeV of absorbed energy, the Gd 1.2 Y 1.785 Al 2 Ga 2.97 O 12 : Ce compound has up to 60000 photons/MeV, and Y 3 Al 5 O 12 : Ce 11000 photon/MeV, but in the case of Y 3 Al 5 O 12 :Ce, the conversion of neutrons into detectable particles (helium and tritium nuclei) occurs solely due to the presence of 6 LiF in the composition. Also, as a scintillator, you can use gadolinium-containing compounds from the series: Gd 2 O 2 S, GdCl 3 , GdBr 3 , Gd 2 SiO 5 , Gd 2 Si 2 O 7 , Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 , Gd 3-x Y x Al 5-y Ga y O 12 in the form of grains of a single-crystal or polycrystalline material containing cerium atoms as an activator, which are introduced into the composition, replacing one or more elements in an amount of from 0.001 to 2 at. %. Or compounds from the series: Gd 2 O 2 S, GdCl 3 , GdBr 3 , Gd 2 SiO 5 , Gd 2 Si 2 O 7 , Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 , Gd 3-x Y x Al 5-y Ga y O 12 in the form of grains of single-crystal or polycrystalline material, containing terbium and/or europium atoms as an activator, which are introduced into the composition, replacing one or more elements in an amount of from 0.1 to 20 at. %. The concentration of the activator should lie within the specified limits, since at a lower concentration of the activator the light output of the scintillator will be too low for practical applications, and at high concentrations, the scintillation is quenched by the activator, as a result of which the light output is significantly reduced.
Коэффициент преломления гадолиний-содержащих соединений существенно ниже, чем у традиционно используемого сцинтиллятора на основе ZnS, и не превышает n=1,9. В качестве связующего используют соединения, содержащие атомы изотопа 6Li.The refractive index of gadolinium-containing compounds is significantly lower than that of the traditionally used ZnS-based scintillator and does not exceed n=1.9. Compounds containing atoms of the isotope 6 Li are used as a binder.
На основе лития природного изотопного состава, а затем и обогащенного до 90% по изотопу 6Li был осуществлен выбор оптически прозрачных связующих, таблица 3.On the basis of natural lithium isotopic composition, and then enriched up to 90% in the 6 Li isotope, optically transparent binders were selected, Table 3.
Предполагаемое отношение объемов 6LiF и 6Li2O*nSiO2, а также 6LiF и (C3H3O2Li)n в композиции может находиться находится в пределах от 99:1 до 1:99, что обусловлено практическими соображениями для получения равномерного сцинтилляционного слоя определенной толщины, а также для получения желаемого соотношения атомов лития и сцинтиллятора в композиции.The expected volume ratio of 6 LiF and 6 Li 2 O*nSiO 2 , as well as 6 LiF and (C 3 H 3 O 2 Li) n in the composition can be in the range from 99:1 to 1:99, which is due to practical considerations for obtaining a uniform scintillation layer of a certain thickness, as well as to obtain the desired ratio of lithium and scintillator atoms in the composition.
Практическая реализация включает в себя следующие операции:Practical implementation includes the following operations:
A) приготовление сцинтиллятора;A) preparation of the scintillator;
Б) приготовление поглотителя;B) preparation of the absorber;
B) приготовление связующего;B) preparing a binder;
Г) изготовление композиции путем гомогенного смешивания компонентов и нанесение полученной композиции на светоотражающую подложку.D) preparation of the composition by homogeneous mixing of the components and application of the resulting composition on a reflective substrate.
Пример 1Example 1
Изготовление образца сцинтилляционного экрана на основе композиции со сцинтиллятором - измельченной керамики состава Gd1.2Y1.785Ce0.015Al2Ga2.97O12, зерен поглотителя 6LiF и связующего 6LiPA.Fabrication of a sample of a scintillation screen based on a composition with a scintillator - ground ceramics of the composition Gd 1.2 Y 1.785 Ce 0.015 Al 2 Ga 2.97 O 12 , absorber grains 6 LiF and binder 6 LiPA.
Операция А) Прекурсор гадолиний, иттрий, алюминий, галлиевого граната, активированного церием, полученный соосаждением катионов в виде карбонатов, прокаливали при температуре не менее 850°С, измельчали и компактировали одноосным прессованием при давлении 60 МПа. Компакты спекали на воздухе при температуре не менее 1500°С. Полученную таким образом керамику измельчали, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d0.5=15-20 мкм.Operation A) The precursor of gadolinium, yttrium, aluminum, cerium-activated gallium garnet, obtained by co-precipitation of cations in the form of carbonates, was calcined at a temperature of at least 850°C, crushed and compacted by uniaxial pressing at a pressure of 60 MPa. The compacts were sintered in air at a temperature of at least 1500°C. Thus obtained ceramics were crushed, scattered through a 350 mesh sieve and a fraction with d 0.5 =15-20 μm was separated.
Операция Б) Поглотитель нейтронов готовили из коммерчески доступных соединений лития, обогащенных по изотопу 6Li, переводом их в хорошо растворимую соль минеральной кислоты, которую взаимодействовали с раствором фторида аммония, взятого с избытком 10% от стехиометрии. Выпавший осадок 6LiF промывали от маточного раствора, сушили, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d0.5=2-3 мкм.Operation B) The neutron absorber was prepared from commercially available lithium compounds enriched in the 6 Li isotope by converting them into a highly soluble mineral acid salt, which was reacted with an ammonium fluoride solution taken with an excess of 10% of the stoichiometry. The precipitated 6 LiF was washed from the mother liquor, dried, dispersed through a 350 mesh sieve, and a fraction with d 0.5 =2-3 μm was separated.
Операция В) Полиакрилат лития-6, получали из коммерчески доступных соединений лития, обогащенных по изотопу 6Li и полиакриловой кислоты следующим образом: нагретую на водяной бане до температуры 50-60°С полиакриловую кислоту (коммерческий 35-40%-й раствор) смешивали с водой в массовом соотношении 1/0.8-0.9 и далее при интенсивном перемешивании медленно вносили навеску соединения лития-6 взятую в стехиометрическом отношении в пересчете на мономер. Воздух и иные газовые примеси из полученного раствора полиакрилата лития-6 удаляли дегазацией в вакуумном эксикаторе при остаточном давлении не более 10 мм рт.ст.Operation C) Lithium-6 polyacrylate was obtained from commercially available lithium compounds enriched in the isotope 6 Li and polyacrylic acid as follows: polyacrylic acid heated in a water bath to a temperature of 50-60 ° C (commercial 35-40% solution) was mixed with water in a mass ratio of 1/0.8-0.9 and then with vigorous stirring, a weighed portion of the lithium-6 compound, taken in a stoichiometric ratio in terms of the monomer, was slowly added. Air and other gas impurities were removed from the resulting solution of lithium-6 polyacrylate by degassing in a vacuum desiccator at a residual pressure of not more than 10 mm Hg.
Операция Г) Для получения композиции с объемным соотношением связующее/поглотитель/ сцинтиллятор равное 40/30/30, готовили суспензию, которую гомогенизировали и дегазировали в лабораторном миксере, снабженном вакуумной системой. Массовые соотношения компонентов составили 0,335/0,203/0,462 соответственно. В суспензию добавляли диспергирующие и реологические добавки для достижения оптимальной вязкости суспензии, а также плотного, ровного слоя.Operation D) To obtain a composition with a volume ratio of binder/absorber/scintillator equal to 40/30/30, a suspension was prepared, which was homogenized and degassed in a laboratory mixer equipped with a vacuum system. The mass ratios of the components were 0.335/0.203/0.462, respectively. Dispersants and rheological additives were added to the slurry to achieve optimum slurry viscosity and a dense, even layer.
Полученную суспензию наносили на подложку одним из известных методов нанесения суспензий на поверхность. Подложку размещали между направляющими и наносили на край требуемый объем суспензии, которую затем распределяли по всей площади полированным спиральным прутком. Слой композита оставляли сохнуть на воздухе в условиях, исключающих попадание пыли на поверхность образца.The resulting suspension was applied to the substrate using one of the known methods for applying suspensions to the surface. The substrate was placed between the guides and the required volume of suspension was applied to the edge, which was then distributed over the entire area with a polished spiral rod. The composite layer was left to dry in air under conditions that prevented the ingress of dust onto the surface of the sample.
Пример 2Example 2
Изготовление образца сцинтилляционного экрана на основе композиции со сцинтиллятором - измельченной керамики состава Gd1.2Y1.65Tb0.15Al2Ga3O12, зерен поглотителя 6LiF и связующего 6LiPS.Fabrication of a sample of a scintillation screen based on a composition with a scintillator - ground ceramics of the composition Gd 1.2 Y 1.65 Tb 0.15 Al 2 Ga 3 O 12 , absorber grains 6 LiF and binder 6 LiPS.
Операция А) Прекурсор гадолиний, иттрий, алюминий, галлиевого граната, активированного тербием, полученный соосаждением катионов в виде карбонатов, прокаливали при температуре не менее 850°С, измельчали и компактировали одноосным прессованием при давлении 60 МПа. Компакты спекали на воздухе при температуре не менее 1500°С. Полученную таким образом керамику измельчали, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d0.5=15-20 мкм.Operation A) The precursor of gadolinium, yttrium, aluminum, gallium garnet, activated by terbium, obtained by co-precipitation of cations in the form of carbonates, was calcined at a temperature of at least 850°C, crushed and compacted by uniaxial pressing at a pressure of 60 MPa. The compacts were sintered in air at a temperature of at least 1500°C. Thus obtained ceramics were crushed, scattered through a 350 mesh sieve and a fraction with d 0.5 =15-20 μm was separated.
Операция Б) Поглотитель нейтронов готовили из коммерчески доступных соединений лития, обогащенных по изотопу 6Li переводом их в хорошо растворимую соль минеральной кислоты, которую взаимодействовали с раствором фторида аммония, взятого с избытком 10% от стехиометрии. Выпавший осадок 6LiF промывали от маточного раствора, сушили, рассеивали через сито 350 меш и отделяли фракцию с d0.5=2-3 мкм.Operation B) The neutron absorber was prepared from commercially available lithium compounds enriched in the 6Li isotope by converting them into a highly soluble mineral acid salt, which was reacted with an ammonium fluoride solution taken with an excess of 10% of the stoichiometry. The precipitated 6 LiF was washed from the mother liquor, dried, dispersed through a 350 mesh sieve, and a fraction with d 0.5 =2-3 μm was separated.
Операция В) Силикатное литийсодержащее связующее состава 6Li2O⋅nSiO2, где n=1-6 получали гидролизом тетраэтоксисилана заданным количеством раствора гидроксида 6-лития.Operation B) Lithium-containing silicate binder composition 6 Li 2 O⋅nSiO 2 , where n=1-6 was obtained by hydrolysis of tetraethoxysilane with a given amount of 6-lithium hydroxide solution.
Операция Г) Для получения композита с объемным соотношением связующее/поглотитель/сцинтиллятор равное 4/73/23, готовили суспензию, которую гомогенизировали и дегазировали лабораторном миксере, снабженным вакуумной системой. Массовые соотношения компонентов 0,434/0,331/0,235 соответственно.Operation D) To obtain a composite with a volume ratio of binder/absorber/scintillator equal to 4/73/23, a suspension was prepared, which was homogenized and degassed in a laboratory mixer equipped with a vacuum system. The mass ratios of the components are 0.434/0.331/0.235, respectively.
Полученную суспензию наносили на подложку одним из известных методов нанесения суспензий на поверхность. Подложку размещали между направляющими и наносили на край требуемый объем суспензии, которую затем распределяли по всей площади полированным спиральным прутком. Слой композита оставляли сохнуть на воздухе в условиях, исключающих попадание пыли на поверхность образца. Характеристики полученных образцов приведены в таблице 4.The resulting suspension was applied to the substrate using one of the known methods for applying suspensions to the surface. The substrate was placed between the guides and the required volume of suspension was applied to the edge, which was then distributed over the entire area with a polished spiral rod. The composite layer was left to dry in air under conditions that prevented the ingress of dust onto the surface of the sample. The characteristics of the samples obtained are shown in Table 4.
Измерения изготовленных образцов проводились с использованием монохроматических нейтронов с длиной волны 2,4 Å (14 мэВ). В качестве образцов сравнения использовались экраны GOS(Tb) (Gd2O2S:Tb) и ZnS(Ag)/6LiF толщиной 46 мкм и 100 мкм соответственно.The measurements of the fabricated samples were carried out using monochromatic neutrons with a wavelength of 2.4 Å (14 meV). GOS(Tb) (Gd 2 O 2 S:Tb) and ZnS(Ag)/ 6 LiF screens 46 µm and 100 µm thick, respectively, were used as reference samples.
Пространственное разрешение измеряли путем установления перед композитом щелевой кадмиевой маски и получали изображение, которое обрабатывали. Вдоль длины отрезка, соответствующего 100 пикселям регистрирующей системы, который пересекал границу маски, определяли интенсивность света для каждого пикселя. Интенсивность определяли в единицах шкалы серого. Из значений оттенков серого вычисляли первую производную и строили график зависимости первой производной от координаты. Рассчитывали полуширину на полувысоте (FWHM) полученного пика в пикселях и умножали получившееся значение на величину размера одного пикселя оптической системы, которая составляла 65 микрон.The spatial resolution was measured by placing a slit cadmium mask in front of the composite and an image was obtained, which was processed. Along the length of the segment corresponding to 100 pixels of the recording system, which crossed the mask boundary, the light intensity was determined for each pixel. The intensity was determined in units of the gray scale. The first derivative was calculated from the values of shades of gray and a graph of the dependence of the first derivative on the coordinate was plotted. The half-width at half-height (FWHM) of the obtained peak in pixels was calculated and the resulting value was multiplied by the value of the size of one pixel of the optical system, which was 65 microns.
Результаты измерений пространственного разрешения образцов и параметры их кинетики сцинтилляций представлены в таблице 5.The results of measurements of the spatial resolution of the samples and the parameters of their scintillation kinetics are presented in Table 5.
Полученное пространственное разрешение образцов 1 и 2 превосходит таковое для ZnS(Ag)/6LiF и приближается к GOS(Tb). Положительный эффект достигнут за счет вклада реакции (n, γ) в пространственное разрешение образцов №1 и №2, причем их выход сцинтилляций на один поглощенный нейтрон существенно, более чем в 10 раз, превосходил таковой для GOS(Tb) за счет вклада реакции на ядрах 6Li.The spatial resolution obtained for
Длительность сцинтилляционного импульса в разработанном образце №1 короче, чем у образца сравнения GOS(Tb) в 25000 раз, а по сравнению с образцом сравнения ZnS(Ag)/6LiF - в 55 раз. Скорость регистрации, а, следовательно, и производительность измерений, повышаются соответственно.The duration of the scintillation pulse in the developed sample No. 1 is 25,000 times shorter than that of the GOS(Tb) reference sample, and 55 times shorter than the ZnS(Ag)/ 6 LiF reference sample. The recording speed, and therefore the measurement performance, is increased accordingly.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2781041C1 true RU2781041C1 (en) | 2022-10-04 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2818656C1 (en) * | 2023-08-03 | 2024-05-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Beta-sensitive fiber optic dosimetry system |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2270463C1 (en) * | 2004-11-16 | 2006-02-20 | ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ | Scintillator for recording thermal neutrons |
RU2622124C2 (en) * | 2011-01-31 | 2017-06-13 | Фурукава Ко., Лтд. | Garnet-structured crystal for scintillator and radiation detector using same |
RU2663683C1 (en) * | 2017-12-01 | 2018-08-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for registration of neutrons and device for its implementation |
WO2019042797A1 (en) * | 2017-08-31 | 2019-03-07 | Koninklijke Philips N.V. | Multi-layer detector with a monolithic scintillator |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2270463C1 (en) * | 2004-11-16 | 2006-02-20 | ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ | Scintillator for recording thermal neutrons |
RU2622124C2 (en) * | 2011-01-31 | 2017-06-13 | Фурукава Ко., Лтд. | Garnet-structured crystal for scintillator and radiation detector using same |
WO2019042797A1 (en) * | 2017-08-31 | 2019-03-07 | Koninklijke Philips N.V. | Multi-layer detector with a monolithic scintillator |
RU2663683C1 (en) * | 2017-12-01 | 2018-08-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for registration of neutrons and device for its implementation |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2818656C1 (en) * | 2023-08-03 | 2024-05-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Beta-sensitive fiber optic dosimetry system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yanagida | Inorganic scintillating materials and scintillation detectors | |
McGregor | Materials for gamma-ray spectrometers: Inorganic scintillators | |
Van Eijk | Inorganic-scintillator development | |
Wolszczak et al. | Nonproportional response of scintillators to alpha particle excitation | |
WO2013022492A2 (en) | Transparent glass scintillators, methods of making same and devices using same | |
US7679060B2 (en) | Nanophosphor composite scintillator with a liquid matrix | |
Yang et al. | A novel scintillation screen for achieving high-energy ray detection with fast and full-color emission | |
Yanagida et al. | Phosphors for radiation detectors | |
Kang et al. | GdBr3: Ce in glass matrix as nuclear spectroscopy detector | |
Dujardin et al. | Synthesis and scintillation properties of some dense X-ray phosphors | |
Arai et al. | Development of rare earth doped CaS phosphors for radiation detection | |
Fedorov et al. | GYAGG/6LiF composite scintillation screen for neutron detection | |
Komendo et al. | New scintillator 6Li2CaSiO4: Eu2+ for neutron sensitive screens | |
Shinozaki et al. | Scintillation property and highly efficient photoluminescence of cerium-doped BaF2–Al2O3–B2O3 glass for thermal neutron detection | |
Witkiewicz-Lukaszek et al. | Novel all-solid-state composite scintillators based on the epitaxial structures of LuAG garnet doped with Pr, Sc, and Ce Ions | |
CN110451798B (en) | Divalent europium activated lithium borate scintillation glass and preparation method thereof | |
RU2781041C1 (en) | Scintillation composition for neutron detection | |
CN115368897B (en) | Potassium cryolite type rare earth scintillation material | |
WO1997048781A1 (en) | Rare earth sulfate phosphor and x-ray detector using the same | |
Mahakhode et al. | A review: X‐ray excited luminescence of gadolinium based optoelectronic phosphors | |
Otake et al. | Radiation-induced luminescence properties of BaCl2: Eu transparent ceramics fabricated by spark plasma sintering method | |
Liu et al. | Development of medical scintillator | |
Boatner et al. | Cerium-activated rare-earth orthophosphate and double-phosphate scintillators for x-and gamma-ray detection | |
Hull et al. | Ce-doped single crystal and ceramic garnet for gamma-ray detection | |
RU2795750C1 (en) | Scintillation composite |