SU1075727A1

SU1075727A1 - Monocrystalline luminiscent and scintillation material

Info

Publication number: SU1075727A1
Application number: SU813340927A
Authority: SU
Inventors: Я.А. Валтис; В.А. Письменный; И.Б. Гагауз; Т.И. Киселева; А.А. Нагорный; В.В. Померанцев; И.А. Тале
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии
Priority date: 1981-10-01
Filing date: 1981-10-01
Publication date: 1985-12-30

Abstract

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ Л№1И11ЕСЦЁНТНЫЙ И СЦИНТИЛЛЯЦИОННЬЙ МАТЕРИАЛ на основе иттрий-алюминиевого граната , содержащего активирующую примесь, отличающийс , тем,что,с целью повышени равномерностн люминесцентного по объему материала при получении сцинтилл ций в видимой и ближней ультрафиолетовой област х спектра, он содержит в качестве активирующей примеси оксид сканди при следующем соотношении компойентов, мае.%: Оксид сканди 0,5-12,0 Иттрий-алюминиевый гранатОстальное % (ЛSINGLE-CRYSTALLINE # 1 AND 11 SCENTER AND SCINTILLATION MATERIAL based on a yttrium-aluminum garnet base containing an activating impurity, characterized in that, in order to increase the uniformity of the luminescent material by volume, when receiving scintillations in visible and close waveline, the strength of the frame is set. impurities scandium oxide in the following ratio of components, May.%: Scandium oxide 0.5-12.0 Yttrium-aluminum garnetEverything% (L

Description

oioi

3 Изобретение относитс к техргике люминофоров,а именно к монокристаллическим люмииесцентньм и сцинтилл циопным материалам, используемыь дл рентгеновского излучени , дл приготовлени люмр несцентных экранов электронно-лучевых трубогс, а также в сцишч-ьчл ционных и спектрометрах. Известен люминесцентный материал на основе оксидов алюмини , кремни и кальци , содержащий примесь цери в количестве 1,5 мас.% и люминес , цирующи В области 400 нм 1. в этом материала не.доста-точна равномерность люминесцентного излучени но объему, а. также низкиГ эне1)ге1ическиГ выход излучени . Наиболее близким но техническо суцюсти к изобретению вл етс OlloI pиcтa,IличecкиIi люмипесцеичиый и сн,интилл цион11ь;й матер1 ал на основе иттрий-а.чюминиевого граната, co;iepK;i;uero активатор - ц.ерий, оитимальное количество которого соста JMICT 1 мас.%, и излучающего и желTO-3eJ et oii области спектра 23. Однако коэффициент i) а сире делени примеси цери в да1И1ом монокристалjHi4ec CGM материале значительно мень 1 , что ири одит к еущестиенпой нера)номерности люминесцентного излучени но материала ири возбулсдении ojreKTpoiuiiiJM лучом. Кроме того, спектральный состав этого излуче1:и не соответствует NiaKciiMyму наиболее ггувствительных фотоэлек трических приемников и фоторегистри рующих материалов. Цель изобретени - повышение рав номерности люминес11;е1ггного излуче1И5Я ио объему монок1)исталлического люминесцентного и сцинтилл ционного материала на основе иттрий-алюми1И1е вого граната при получе1И1И сцинтилл ций в видимой и бJИIЖнeй ультрафиоле товой области спектра. Поставленна цель достигаетс те, что монокристаллический люминеси .ентный и сцинтилл цио1ин.;й материал lia основе иттрий-алюминиевого граната со/держит в качестве активирующей примеси оксид сканди при следующем соотношении помпонентсл;, мае . 7.: OKL-ИД сканди О , )- /., О 1 т т р i - а л 10М1 гП JO Н. i граим-;-ilc -Г.1 27 IIpe vfaгae ы I монокрис1аллический люмииесде тныГ1 и енлпп-и.-ииииюнный материа.л на основе 1 ттр -:й-алю иниевого граната соде1);г1г;- и 1сачеетве активирующе иримсси o;cn;i. cicaiinHH при вышеуказа1П{ом соотн.ошсн1И i;o;-iпо е;- тов . Пред,лагаемы1( монокристаллическчй люминесцентный и сц1нгги;иг 1;ионилй материал oбecнe ИIвaeт новрлпеиис равномерности люминесцентного :злучеги по объему материала в три раза и получение сцинтилл ций в видимой ; ультрафиолетовой област х спектра. наиболее удобных Гич регистраигп:. При этом неравномерность свеген.и у цредло;кснмого материала не; iip;-:;i щает 20%, )i то вре;-; - ;i3вест ого материала она Oojiiina ()J/. чизи1;о-химическа cyiHocri, -.з J-бретени за1сл;очаетс в том, мтс ij-:си; ,1, сканди хорошо входи1 в рсмлет/ иттрИ 1-алю И иевого гэа.ната, оОсс-1;ечп за равномерное pat:in)e;;e;:o-ie активатора и равномернс е свсчечие Bceio обтлсма материала в ви;,имой п ультрафиолетов oil (o6:iacTf x с) I с : т ; а . iibi6op пределов соде,)й:ани oi CMi:a сканд.и в пред:гагаемом матеттиале определ етс необ};одимость 3 jiос ;;- же;1и его равномерного раси1зе;;;:Г1е;п1 ио оОьему кристал: а при ео;-:)а11сиии высоких его Л оми осцеитн|,х и единТ1ил циои;:ых ха)акте1) . гг.л -I;:):. при коИ1дентраци};х оксил.а скан;ги ;ellь ue (.),) мас.%, нгге1)иал с блаца:: низкой И ене1П 1 О( свечени , а при у1 еличеи П ко1П1,ентг1ации сгс ;;;.:п(.; 12,0 млс.% 11абл о,г1аетс умсм ь;;:1:; М( эне;) гетического И. JiHir-nniec;.-счшии и начниа от гIpo вл т.c нризна.;.; :b;i-чов (.)й неод1 ород||;;с;и ма.ориа а . Получе ие мо;101; истал:;Ическоio материала но изо()ретению осущесгвл ют из естными методами 1;ертикальной или горизонтатилной крис)ал 1изации. Монокристалл ; вы;)а1 ;ива;ст и электэоиечах сопротивлегги с зольф11амозь :--1;1 нагревател ми в вакууме или в i cy:Hois и.чи .чосстаиовительноГ атмоефс . При верти;са:1,1ой iiariiiaiiJieiniCii iq)HCталлизации в качегсне тигл Hcnoju iyiOT X oa liT;Ul OByiO ТрубК, при ГСрПиштальнои - лодочку из молибд(;ноHi4o л и (. . rv л,ч ii,u)a:uii;;;ii n)i мгиклиэиетал ..;i lu i; tiMjpfieujibi ночччают способами: из порошка иттрий-алюминиевого граната и оксида сканди или из смеси оксидов иттри , алюмини и сканди , вз тых в количествах соответствующих заданному составу кристалла. Пример 1. 180 г порошка иттрий-алюминиевого граната смешива ют с 20 г порошка оксида сканди (1 мас.%). Полученную смесьзагружа ют в молибденовую трубку с внутренним диаметром 15 мм и помещают в печь дл выращивани кристаллов методом направленной кристаллизации. В рабочей камере создают вакуум 5 10 торр и включают ток в цепи нагревател . Шихту расплавл ют и расплав выдерживают при 1950-2000 ° в течение 30 мин дл гомогенизации После этого включают систему опуска ПИЯ контейнера. После окончани про цесса кристаллизации ток в нагревателе постепенно уменьшают с целью медленного охлаждени кристалла. В систему напускают воздух и из-злекают контейнер скристаллом. Далее исследз от люминесцентные и сцрпттилл ционные характеристики полученного монокр1 сталла иттрийалюминиевого граната, активированного скандием, Дл оптических измерений из моно кристалла вырезают пластинки диамет ром 10 мм и толщиной 1 мм. Плоскост шлифуют и полируют до оптического качества. Подготовленные образцы помещают в вакуумный криостат. Спек ры рентгенолюминесценции измер ют с использованием монохроматора МДР-2 фотоэлектронного умножител и систе фотонного счета. Образцы возбуждают излучением рентгеновской трубки БСВ 2-W через алюминиевый фильтр толщиной 1 мм. Сцинтилл ционные свойства полученного монокристалла исследуют на установке, содержащей многоканальный амплитудный анализатор AI-1-256, блок пита1 и ФЭУ, предусилитель и осциллограф. Монокристалл иттрий-алюминиевог граната, полученмьй по примеру 1 , люминесцирует в ближней ультрафиол товой области спектра с максимумом излучени около 4,2 эВ. Коэффициент распределени сканди в этом кристалле близок к 1, что обеспечивает повьш1ение равномерности излучени ио объему кристалла . При этом неравномерность свечени его не превышает 20%, в то врем как у известного материала она составл ет более 60%. Пример 2. Аналогично примеру 1 выращивают монокристалл иттрий-алюминиевого граната из шихты, содержащей. 199 г порошка иттрий-алюминиевого граната и 1 г оксида сканди (0,5 мас.%). Полученньш монокристалл люминесцирует в ближней ультрафиолетовой области с максимумом -излучени около 4,2 эВ..Равномерность излучени по объему кристалла аналогична описанной в примере 1. Примерз. Из шихты, содержащей 176 г порошка иттрий-алюминиевого граната- и 24 г оксида сканди (12,0 мас.%), синтезируют монокристалл аналогично примеру 1. Синтезированный монокристалл люминесцирует в ультрафиолетовой и видимой части спектра с максимумом излучени 3,8 эВ. Характер распределени свечени по обьему кр51сталла близкий к равномерному,- отклонение от равномерности не превьш1ает 20%. - В таблице приведены данные по люмц.несцентным свойствам монокристаллов , синтезированных по изобретению, дл различных значений концентрации оксида сканди в сравнении со свойствами известного материала при рентгеновском возбуждении. Монокристаллический люминесцентный материал, полученньй по изобретению , обладает сцинтилл ционными характеристиками,сравнимыми с наиболее широко используемыми сцинтилл ционными материалами. Значительна часть излучени - предлагаемого материала соответствует ультрафиолетовой области спектра, а сцинтилл ционной аппаратуре желательно примен ть фотоум 1ожители, чувствительные к УФ-излученшо,. например ФЭУ-39. Если же не нужна максимальна амплитуда импульсов, можно работать также с фотоумножител ми типа ФЭУ-82 с наиболее употребительной спектральной характеристикой типа С-8. Врем высвечивани сцинтилл ционного материала по данному изобретеН1ПО при возбуждении как Л -частицами , так и у -квантами составл ет 0,3 МКС, oi /У отношение 0,7,3 The invention relates to the technology of phosphors, namely, single-crystal luminescent scintilla and cyopic materials used for X-ray radiation, for preparing luminescent spectroscopes of cathode ray tubes, as well as in spectrometry and spectrometers. A fluorescent material based on aluminum, silicon and calcium oxides, containing an admixture of cerium in an amount of 1.5 wt.% And luminescent, circulating in the region of 400 nm is known. 1. This material does not have a uniform luminescent radiation volume, but. also low energy) radiation output. The closest to the technical aspect of the invention is OlloI ris, IllykIi luminescent and sl, inertl; s material based on yttrium-a.chuminium garnet, co; iepK; i; uero activator - cerium, the minimum amount of which is JMIC However, the coefficient i) for the separation of cerium impurity in a single crystal of HiCec CGM material is significantly less than 1, which is identical to the irradiance of the luminescent radiation but the material is irradiated by ojreKTyto by the beam. In addition, the spectral composition of this radiation1: and does not correspond to the NiaKciiMy of the most sensitive photoelectric receivers and photorecording materials. The purpose of the invention is to increase the luminescence uniformity of the radiation of a mono1) optical luminescent and scintillation material based on yttrium-aluminum1 garnet upon receipt of scintillations in the visible and biological regions of the spectrum. This goal is achieved by those that single-crystal luminescence. Ment and scintilles cyoin.; I material lia on the basis of yttrium-aluminum garnet with / holds scandium oxide as an activating impurity in the following ratio of pomponentsl; May. 7 .: OKL-ID Scandi O,) - /., O 1 t t p i - a l 10M1 gP JO N. i graim -; - ilc-G.1 27 IIpe vfagae s I monocrystalline lumiiiesti G1 and enlpp-i . -iiiiunny material.l on the basis of 1 ttr -: y-aluminium garnet sode1); r1g; - and 1, it’s all activating andrimsy o; cn; i. cicaiinHH for the above 1P {th ratio] i; o; -i to e; - com. Previous, lagaems1 (single-crystal luminescent and sc1ngs; ng 1; ionic material is common and it is new to the uniformity of luminescence: three-fold irradiation through the volume of the material and obtaining scintillations in the visible; ultraviolet spectral region. and the credo; ksnmogo material not; iip; - :; i saves 20%,) i then time; -; -; i3vested material she Oojiiina () J /. chizi1; o-chemically cyiHocri, -.z from the J-brend of the body; it appears that, ij-: si; , 1, scandi is well-entered into rmlet / ittri 1-ali I oi gea.nata, OOss-1; echp for uniform pat: in) e ;; e;: o-ie activator and uniformly Bceio obtlsma material in vi; It has ultraviolet oil (o6: iacTf x c) I c: t; but . iibi6op of the limits of soda, ai: ani oi CMi: a scandal and in the pre: gagamy mattetiale is determined by the necessity of 3 jioc ;; is the same; 1 and its uniform calculation ;;;: Glie; eo; - :) a11siii high his L omi osceitn |, x and edin1 tsioi;: oh ha) act1). yr. -I; :) :. at coI1dcentration}; x oxyl.a scan; gi; ell ue (.),) wt.%, ngge1) ial from the low :: low I en1P 1 O (luminescence, and at y1 it is greater than n co1P1, entg1atsii sgs ;;;; .: p (.; 12.0 mln.% 11abl o, d, ums, ;;: 1 :; M (Eene;) het. I. JiHir-nniec ;.-chschshii and the beginning of the gipo.t.c.c. .;: b; i-ch (.) th heterogeneity || ;; c; and maoria A. Get it; 101; Istal:; The material of the material but from () is done by conventional methods 1; or a horizontally crystallized crystal. Single crystal; you;) a1; willow; steel and electrical resistance with solar: -1; 1 heaters in vacuum or in i cy: Hois and .ch. G Atmoefs. When vert; sa: 1,1th iiariiiaiiJieiniCii iq) HCtalling as a crucible Hcnoju iyiOT X oa liT; Ul OByiO TubK, with GSrPishtalno - molybdum boat (; butHi4o l and (. Rv l, h ii, u) a: u ;;; ii n) i miklieietal ..; i lu i; tiMjpfieujibi can be kept in the night: from yttrium-aluminum garnet powder and scandium oxide, or from a mixture of yttrium, aluminum and scandium oxides, taken in amounts corresponding to a given crystal composition. Example 1. 180 g of yttrium-aluminum garnet powder is mixed with 20 g of scandium oxide powder (1% by weight). The resulting mixture is loaded into a molybdenum tube with an inner diameter of 15 mm and placed in a furnace for growing crystals by the method of directional crystallization. A vacuum of 5 10 Torr is created in the chamber and the current in the heater circuit is switched on. The mixture is melted and the melt is kept at 1950-2000 ° for 30 minutes for homogenization. After that, the PIR container lowering system is turned on. After the end of the crystallization process, the current in the heater is gradually reduced in order to slowly cool the crystal. Air is introduced into the system and the container is crypted. Further, the luminescent and scattering characteristics of the obtained monocrystal of steel of yttrium-aluminum garnet activated by scandium were examined. Plates with a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm were cut out for optical measurements from a single crystal. The plane is ground and polished to optical quality. The prepared samples are placed in a vacuum cryostat. X-ray luminescence spectra are measured using an MDR-2 monochromator of a photomultiplier tube and a photon counting system. Samples excite radiation X-ray tube BSV 2-W through an aluminum filter with a thickness of 1 mm. The scintillation properties of the obtained single crystal are examined on a setup containing a multichannel amplitude analyzer AI-1-256, a power supply unit and a photomultiplier, a preamplifier and an oscilloscope. The yttrium-aluminum garnet single crystal obtained in Example 1 luminesces in the near ultraviolet region of the spectrum with a emission maximum of about 4.2 eV. The distribution coefficient of scandium in this crystal is close to 1, which ensures a higher radiation uniformity in the crystal volume. At the same time, its unevenness does not exceed 20%, while for a known material it is more than 60%. Example 2. Analogously to example 1, grow a single crystal of yttrium-aluminum garnet from the mixture containing. 199 g of yttrium-aluminum garnet powder and 1 g of scandium oxide (0.5 wt.%). The single crystal luminesces in the near-ultraviolet region with a maximum of -radiation of about 4.2 eV. The uniformity of radiation over the volume of the crystal is similar to that described in Example 1. Example. A single crystal was synthesized from a mixture containing 176 g of yttrium-aluminum garnet powder and 24 g of scandium oxide (12.0 wt.%) In the same way as in Example 1. The synthesized single crystal luminesces in the ultraviolet and visible parts of the spectrum with a maximum emission of 3.8 eV. The pattern of distribution of the glow by volume is close to uniform, and the deviation from uniformity does not exceed 20%. - The table shows the data on the luminescent properties of single crystals synthesized according to the invention for various values of the concentration of scandium oxide in comparison with the properties of a known material under X-ray excitation. The single crystal luminescent material obtained according to the invention has scintillation characteristics comparable to the most widely used scintillation materials. A significant part of the radiation of the proposed material corresponds to the ultraviolet region of the spectrum, and it is advisable to use a photomium resident, sensitive to UV radiation, in scintillation equipment. for example FEU-39. If the maximum amplitude of pulses is not needed, it is also possible to work with photomultipliers of the PMT-82 type with the most commonly used spectral characteristic of the C-8 type. The flash time of the scintillation material of this invention when excited by both L particles and γ-quanta is 0.3 MCS, oi / V is 0.7,

Амплитуда сцинтилл ционного импульса от сС -частиц с энергией 5,15 мэВ, например, дл монокристалла иттрий-алюминиевого граната с концентрацией оксида сканди 3,0 мае составл ет 42% от амплитуды импульса дл одного из наиболее используемьк единтилл торов Nal : Tf и более, чем в два раза превьшает аналогичную- характеристику дл известного материала (20%).The amplitude of the scintillation pulse from 5.15 meV cC particles, for example, for a single crystal of yttrium-aluminum garnet with a scandium oxide concentration of 3.0 May is 42% of the pulse amplitude for one of the most used Nal: Tf single terminators and more more than twice the characteristic for a known material (20%).

TaKiiM образом, монокристаллический люминесцентный материал по изобретению обеспечивает повышение равномерности люминесцентного излучени по объему кристалла более, чем в три раза по сравнению с прототипом при получении сцинтилл ций вTaKiiM method, single-crystal luminescent material according to the invention provides an increase in the uniformity of luminescent radiation throughout the crystal volume more than three times as compared with the prototype in obtaining scintillations in

Содержание оксида сканди ,мас,%The content of scandium oxide, wt.%

видимой и ближней ультрафиолетовой област х спектра, что позвол ет использовать дл регистрации сцин5 тилл ций наиболее чувствительные фотоприемники.the visible and near ultraviolet regions of the spectrum, which makes it possible to use the most sensitive photodetectors to record scintillation.

Технико-экономическа эффективность изобретени определ етс поtO вьшенной равномерностью свечени по объему кристалла иттрий-алюминиевогограната , активированного скандием, удобной дл -регистрации спектральной областью излучени , а также егоThe technical and economic efficiency of the invention is determined by the tO of the evenness of the luminescence of the crystal volume of yttrium aluminum garnet activated by scandium, convenient for the registration of the spectral region of radiation, as well as its

15 высокими эксплуатационными характеристиками , что делает указанньй материал перспективным дл использовани в люминесцентных экранах, в сцинтилл ционных счетчиках и спектро20 метрах, а также визуализации различньк видов излучени .15 high performance characteristics, which makes this material promising for use in fluorescent screens, scintillation counters and spectroscopes, as well as visualization of various types of radiation.

Интегральна интенсивность свечени , отн. единицыIntegral luminescence intensity, rel. units

ИзвестныйFamous

1 .иттрий-агиминиевый гранат с примесью 1 мас.% цери 1. Yttrium-agyminium pomegranate mixed with 1 wt.% Cerium

16001600

2,252.25

Claims

MONOCRYSTAL LUMINESCENT AND SCINTILLATION MATERIAL based on yttrium-aluminum garnet containing an activating impurity, characterized in that, in order to increase the uniformity of luminescent radiation in! when receiving 'scintillations in the visible and near ultraviolet spectral regions, it contains scandium oxide as an activating ’impurity in the following ratio of components, wt.%:

Scandium oxide 0.5-12.0

Yttrium-aluminum garnet The rest _β in ω p .1