Высокочувствительный сцинтиллятор на основе галогенидов редкоземельных металлов с повышенным сопротивлением к растрескиванию и улучшенным энергетическим разрешением
Полезная модель относится к детектированию ионизирующих излучений, более конкретно - к определению энергетического спектра и интегральной интенсивности потока ионизирующих частиц. Технический результат заключается в создании такого сцинтилляционного элемента из гигроскопичного и хрупкого кристалла, в котором сочетались бы защита от контакта с атмосферной влагой, повышение сопротивления, улучшение энергетического разрешения с упрощением технологических процедур изготовления элемента. Высокочувствительный сцинтиллятор на основе галогенидов редкоземельных металлов, содержащий сжимающую оболочку, монокристалл, выходное кварцевое окно, нанокристаллическое покрытие из бромида лантана и алюминиевый чехол. Внешний слой монокристалла выполнен из оптически прозрачного материала и содержит подслой из нанокристаллического сцинтиллятора бромида лантана, расположенный между внешней сжимающей оболочкой и монокристаллом. Сжимающая оболочка изготовлена из сцинтилляционного материала меньшей плотности по сравнению с монокристаллом. В состав монокристалла введены малые количества тех радиоактивных изотопов, для обнаружения которых во внешней среде данный высокочувствительный сцинтиллятор и предназначен.
Полезная модель относится к области детектирования ионизирующих излучений, более конкретно - к определению энергетического спектра и интегральной интенсивности потока ионизирующих частиц.
Из близких по устройству и назначению данной полезной модели является монокристаллический сцинтиллятор на основе галогенидов редкоземельных металлов (например, бромидов и хлоридов лантана и церия - LаВr3, СеВr3, LаСl3 , СеСl3 и их смеси). Наиболее близким аналогом для предложенного сцинтиллятора является изобретение по патенту IL 150719 (номер заявки IL 20020150719 с приоритетом от 11 июля 2002 года). Радиационные детекторы, в которых используются указанные сцинтилляционные монокристаллы, характеризуются уникальными сочетаниями чувствительности, быстродействия, энергетического разрешения и температурной стабильностью характеристик, что обеспечивает им широкий диапазон применений в медицинской технике, установках антитеррористического и таможенного инспектирования, радиационном мониторинге и т.д. (патент США US 4280051 с приоритетом от 21 июля 1981 года).
Недостатки выбранного прототипа.
Указанные сцинтилляционные монокристаллы имеют два серьезных недостатка - аномально высокую гигроскопичность и большую вероятность растрескивания. Для устранения влияния гигроскопичности приходится помещать данные сцинтилляторы в герметичные влагозащитные футляры, снабженные оптическими окнами для выхода сцинтилляционного света к фотодетектору. Высокая вероятность растрескивания по плоскостям спайности вызывает разрушение кристаллов как при их выращивании и обработке, так и в процессе эксплуатации детекторов (например, под действием термоупругих напряжений, возникающих при перепадах температуры). Две названные причины, приводящие к серьезным усложнениям процессов изготовления сцинтилляционных детекторов и значительно снижающие выход годной продукции, обусловливают значительное возрастание себестоимости производства устройств подобного типа и снижают их как механическую, так и радиационную прочность, сужая область эффективного применения этих сцинтилляторов. Попытки снизить вероятность растрескивания посредством уменьшения поперечных размеров сцинтилляционного элемента, ослабляющего внутренние напряжения, ухудшают энергетическое разрешение детектора по причине увеличенных потерь части вторичного ионизирующего излучения через внешнюю поверхность элемента. Кроме того, энергетическое разрешение сцинтилляторов из галогенидов редкоземельных металлов снижается при диффузии молекул воды с поверхности внутрь кристаллов, что уменьшает квантовый выход сцинтилляций за счет перевода части энергии электронных возбуждений в колебательные возбуждения воды.
Аномально высокая гигроскопичность галогенидов и развитая система плоскостей спайности галогенидов редкоземельных металлов приводит к снижению выхода годных кристаллов по причине их растрескивания и к ухудшению их чувствительности и энергетического разрешения. Для преодоления этих недостатков приходится все процессы обработки кристаллов проводить в атмосфере, тщательно очищенной от водяных паров, а также помещать обработанные сцинтилляционные элементы в герметичные футляры с тонкими, хорошо проницаемыми для регистрируемой радиации стенками и оптически прозрачными выходными окнами. Эти обстоятельства значительно удорожают себестоимость производства радиационных детекторов на базе подобных кристаллов.
Технический результат, для достижения которого предназначена заявляемая полезная модель, заключается в создании такого сцинтилляционного элемента из гигроскопичного и хрупкого кристалла, в котором сочетались бы защита от контакта с атмосферной влагой, повышение сопротивления, улучшение энергетического разрешения с упрощением технологических процедур изготовления элемента.
В соответствии с многоцелевой направленностью предлагаемые улучшения носят комбинированный характер. Первое улучшение заключается в нанесении на выращенный кристалл, до начала его механической обработки, оптически прозрачного слоя из материала, который в процессе его формирования сокращает свои размеры и благодаря этому создает в кристалле сжимающие напряжения. Эти напряжения должны компенсировать растягивающие напряжения, которые могут возникать в кристалле при разного рода воздействиях механического или термического характера, приводя к его растрескиванию. Кроме того, этот слой препятствует диффузионному проникновению молекул воды из атмосферы в кристалл, что в свою очередь улучшает показатели энергетического разрешения.
Для оказания сжимающего действия наносимый материал должен иметь хорошее сцепление с поверхностью кристалла. Для обеспечения этого сцепления на поверхность выращенного кристалла может быть нанесен нанокристаллический подслой из того же материала - например, путем сублимационного осаждения. Если сжимающий слой создается посредством конденсации полимерных молекул из безводного раствора, в который погружен сцинтилляционный элемент, нанопоры сублимированного подслоя будут служить центрами осаждения полимера, обеспечивающими сцепление кристалла с полимерным покрытием на молекулярном уровне. Сжатие осаждаемого молекулярного покрытия будет происходить самопроизвольно по мере испарения молекул растворителя.
Толщина сжимающего слоя должна быть достаточной для обеспечения необходимого уровня сжимающих напряжений в кристалле и защиты поверхности кристалла от проникновения молекул воды из внешней среды. Толщина сжимающего покрытия определяется исходя из размеров поперечного сечения кристалла.
Нанесение слоя из полимерных молекул на кристалл сцинтиллятора позволит улучшить энергетическое разрешение детектора, также за счет того, что внешний сжимающий слой изготавливается из сцинтилляционного материала с плотностью гораздо меньшей, чем плотность основного сцинтиллятора. В такой ситуации этот слой практически не будет поглощать внешнее ионизирующее излучение для регистрации которого предназначен сцинтилляционный детектор, но при достаточной толщине слоя окажется способным поглотить вторичные электроны и рентгеновские кванты с энергиями гораздо меньше, чем у частиц и квантов первичного излучения (так как сечение поглощения резко увеличивается при уменьшении энергии проходящих через вещество частиц или фотонов). Поэтому при поглощении первичного излучения в приповерхностном слое основного сцинтиллятора, когда заметная доля поглощенной энергии рассеивается наружу в виде вторичного излучения, последнее будет захватываться внешним сцинтилляционным слоем и также доставляться к фотодетектору. Это обстоятельство скомпенсирует ухудшение разрешения, обусловленное потерями энергии при частичном переизлучении ее наружу.
Схема высокочувствительного сцинтиллятора в сборе с кристаллом LaВr3 приведена на фигуре 1. Монокристалл LaBr 3 2 покрыт нанокристалическим слоем 4 из LaВr3 , который обеспечивает высокую адгезию основного покрытия и оптический контакт между кристаллом и выходным кварцевым окном 3. Оболочка 1 формирует в кристалле 2 сжимающие напряжения, обеспечивающие повышенное сопротивление кристалла растрескиванию. Кристалл 2 с подслоем 4 и сжимающей оболочкой 1 находится внутри защитного алюминиевого корпуса 5 с выходным отверстием для кварцевого окна 3.
Второе улучшение спектрометрических свойств комбинированного описанным выше образом сцинтилляционного элемента может быть достигнуто посредством введения в материал основного сцинтиллятора малых количеств тех радиоактивных изотопов, для обнаружения которых во внешней среде данный детектор предназначен. В этом случае калибровка прибора будет производиться при отсутствии внешних источников по собственному излучению сцинтиллятора, что позволит ввести жесткую амплитудную дискриминацию регистрируемых световых импульсов. В таком случае наличие искомых изотопов во внешней среде будет определяться по изменению высот соответствующих пиков многоканального анализатора.
Отличительными особенностями предлагаемого устройства являются:
1) Наличие внешнего сжимающего покрытия, обеспечивающего компенсацию внутренних растягивающих напряжений, посредством чего достигается повышение сопротивления кристалла растрескиванию.
2) Придание внешнему сжимающему покрытию функций защиты от проникновения в сцинтилляционный элемент атмосферной влаги.
3) Изготовление внешнего сжимающего слоя из сцинтилляционного материала с плотностью, меньшей плотности основного сцинтиллятора, за счет чего достигается улучшение энергетического разрешения сцинтилляционного элемента.
4) Введение в состав основного сцинтиллятора небольших количеств тех радиоактивных изотопов, для определения которых данный сцинтилляционный детектор предназначен. Благодаря этому улучшается точность и избирательность калибровки детектора, что обеспечивает повышение чувствительности обнаружения искомых изотопов во внешней среде.
Высокочувствительный сцинтиллятор на основе галогенидов редкоземельных металлов, содержащий оболочку, сжимающую монокристалл, выходное кварцевое окно, нанокристаллическое покрытие из бромида лантана и алюминиевый чехол, отличающийся тем, что внешний слой монокристалла выполнен из оптически прозрачного материала, дополнительно содержит подслой из нанокристаллического сцинтиллятора бромида лантана, расположенный между внешней сжимающей оболочкой и монокристаллом, сжимающая оболочка изготовлена из сцинтилляционного материала меньшей плотности по сравнению с монокристаллом, при этом в состав монокристалла введены малые количества тех радиоактивных изотопов, для обнаружения которых во внешней среде данный высокочувствительный сцинтиллятор предназначен.
