Способ термообработки сцинтилляционных монокристаллов на основе галогенидов щелочных металлов

 

Изобретение относится к получению сцинтилляционных монокристаллов и может быть использовано для регистрации ионизирующих излучений, Целью изобретения является увеличение и стабилизация конверсионной эффективности сцинтилляционных кристаллов и улучшение энергетического разрешения детекторов по их основе, а также обеспечение безотходной технологии. Для достижения цели окрашенные в процессе изготовления или эксплуатации детекторов и фосвичей кристаллу Csl(Tl), а также кристаллы Csl(Tl) и NalO l). не соответствующие техническим условиям (брак), нагревают до 600-750 К со скоростью 0,1-0,3 К/мин, выдерживают при этой температуре 80-150 ч и охлаждают со скоростью 0,2-0,5 К/мин. 3 ил., 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л С 30 В 33/ОО, 29/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4657584/26 (22) 03.01.89 (46) 30.11.92 Бюл. № 44 (72) А.В, Долгополова, Н.Г. Кравченко, Н.H.

Смирнов и В,И. Бобыр (56) Гуревич H.Þ., Никулина P.À„Öèðëèí

Ю.А., Говорова P.À, Исследование факторов, влияющих на изменение оптических и сцинтилляционных характеристик монокристаллов иодистого натрия, активированных таллием, при облучении их у-радиацией.

Монокристаллы и техника, ВНИИМ, Харьков, 1970, ¹ 3, с. 188 — 192. .(54) СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ НА

ОСНОВЕ ГАЛОГЕНИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к получению сцинтилляционных монокристаллов и может быть использовано для регистрации ионизирующих излучений.

Целью изобретения является увеличение и стабилизация конверсионной эффективности сцинтилляционных кристаллов и улучшение энергетического разрешения детекторов на их основе, а также обеспечение безотходной технологии.

Предлагаемый способ включает следующую последовательность операций.

Окрашенные в процессе изготовления или эксплуатации детекторов и фосвичей кристаллы Csl(TI), а также кристаллы Csl(TI) и Йа1(Т1), не соответствующие техническим. Ж,; 1589695A1 (57) Изобретение относится к получению сцинтилляционных монокристаллов и может быть использовано для регистрации ионизирующих излучений, Целью изобретения является увеличение и стабилизация конверсионной эффективности сцинтилляционных кристаллов и улучшение энергетического разрешения детекторов по их основе, а также обеспечение безотходной технологии. Для достижения цели окрашенные в процессе изготовления или эксплуатации детекторов и фосвичей кристалль(Сз1(Т1), а также кристаллы Сз1(Т1} и Иа1(Т1), не соответствующие техническим условиям (брак), нагревают до 600-750 К со скоростью

0,1 — 0,3 К/мин, выдерживают при этой температуре 80-150 ч и охлаждают со скоростью 0,2 — 0,5 К/мин. 3 ил., 2 табл. условиям (брак), нагревают до температуры

600-750 К со скоростью 0,1-0,3 К/мин; выдерживают при этой температуре 80 — 150 ч; охлаждают до исходной со скоростью 0,20,5 К/мин.

На фиг, 1 представлены спектры поглощения кристаллов Сзl(Т1) с различной концентрацией активатора и кислородсодержащими примесями до и после отжига при различных температурах; на фиг. 2 — спектры поглощения кристаллов

Свl(Т1) с высоким содержанием активатора и двухвалентных кислородсодержащих примесей до и после отжига при различных температурах; на фиг. 3 — спектры поглощения кристаллов Йа!(Т1), не соответствующих тех1589695 ническим условиям (брак), до и после отжига.

В табл. 1 приведены оптические и спектрометрические характеристики сцинтилляционных детекторов Csl(TI) и фосвичей

Nal(Tt) + Csl(TI), изготовленных из кристаллов, не соответствующих ТУ (бракованных), окрашенных в процессе изготовления и эксплуатации детекторов Csl(TI) до и после от жига при различных температурах.

Детектор Nal(TI) размерами 63х20 мм использовался один и тот же. В строке ХП приведены технические условия на комбинированные детекторы Cs t(TI) (130x50 мм) +

Nat(Tl).

В табл. 2 приведены оптические и спектрометрические характеристики детекторов

Mat(Tl), не соответствующих ТУ (бракованн ых), размерами 50 х 50 мм до и после отжига. В строке УП приведены технические условия на детектор Nal(TI) размерами

50х50 мм во временной упаковке, Пример 1. Кристалл Csl(TI) с концентрацией таллия 8 10 — 2 мас. без кислородсодержащих примесей размерами 63х63 мм после измерения спектрометрических параметров (табл. 1, 1) и спектров поглощения (фиг. 1, кривая 2) помещают в печь; нагрева ют до 600 K со скоростью 0,2 К/мин, выдерживают при этой температуре в течение 80 ч, охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,4 К!мин.

Спектр поглощения кристалла после отжига представлен на фиг. 1 (кривая 4). Спектрометрические и оптические параметры детектора Csi(TI) и фосвича Nai{TI) + Сз!(Т!) после отжига кристалла Csi(TI) представлены в табл. 1, 11.

Как видно из фиг. 1 (кривая 2) сложные активаторные центры окраски образуются при сравнительно малых концентрациях таллия даже при отсутствии кислородсодержащих примесей. При этом концентрация сложных активаторных центров окраски незначительна, но эти центры, поглощения в области 360-980 нм, ухудшают прозраччость как основного сцинтиллятора Nai(TI) в области 420 нм, так и защитного сцинтиллятора Cst(TI), в области 550 нм, уменьшают число Tl - центров, ухудшая конверсионную эффективность. После отжига при 600 К эти центры разрушились. Коэффициенты поглощения в полосах излучения основного и защитного сцинтилляторов уменьшаются.

Улучшилось энергетическое разрешение и световой выход как самого детектора Csl(TI), так и фосвича Nat(TI)+ Cst(TI), Пример 2. Окрашенный в процессе обработки кристалл Сз!(Т ) с концентрацией активатора 2 10 мас. и следами кисло.родсодержащих примесей размерами 63х63 мм после измерения спектра поглощения (фиг, 1, кривая 1) и спектрометрических параметров (табл..1, III) помещают в печь; нагревают до 600 К со скоростью 0,2 К/мин; выдерживают при этой температуре 80 ч; охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,4 К/мин, Спектр поглощения кристалла после отжига представлен на фиг. 1 (кривая 3), Оптические и спектрометрические параметры детектора и фосвича Nal(TI) +

CsS(TI) после отжига кристалла Csl(TI) представлены в табл. 1, IV.

Как видно из фиг. 1 (кривая 1), концентрация сложных активаторных центров окраски, поглощающих в области 360-980 нм, выше, чем в примере 1. Спектрометрические параметры до отжига хуже, чем в примере 1, Как следует из представленных в табл. 1 и фиг. 1, кривая 3, результатов в процессе отжига при 600 К не все сложные активаторные центры окраски разрушались, что обусловило незначительное улучшение оптических и спектрометрических параметров детектора Csl(TI и фосвича

Nal(Ti) + Csl{Tl).

Ввиду того, что концентрация сложных активаторных центров окраски больше, чем в примере 1, необходимо увеличение температуры отжига для полного разрушения сложных активаторных центров окраски.

Для этого кристалл помещают в печь; нагревают до 750 К со скоростью 0,2 К/мин, вы35 держивают при этой температуре 80 ч и охлаждают со скоростью 0,3 К/мин.

Оптические и спектрометрические параметры детекторов Сз!(Т!) и фосвича после отжига при 750 К представлены в табл, 1, V.

40 Спектр поглощения кристалла Csl(TI) после отжига при 750 K представлен на фиг.

1 (кривая 5), Как следует из представленных результатов, все сложные активаторные центры окраски разрушаются, конверсионная эффективность улучшается, улучшается энергетическое разрешение детектора Csi(Tt) и . фосвича Nal(TI + Csl(TI).

Пример 3. Интенсивно. окрашенный в процессе обработки и изготовления детекторов кристалл Csi(TI) с концентрацией активатора 3,5 х 1C мас. таллия и кислородсодержащими примесями размерами 130х50 мм после измерения спектра поглощения (фиг, 2, кривая 1) и спектрометрических параметров (табл. 1, И), помещают в печь, нагревают до 550 К со скоростью 0,2

К/мин, выдерживают при этой температуре

100 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,3 К/мин, 1589695

Спектр поглощения кристалла после отжига представлен на фиг. 2 (кривая 2). Оптические и спектрометрические параметры детектора Csl(TI) и фосвича Мэ!(Т!) + Csl(TI) после отжига представлены в табл. 1 (строка

Vl 1).

Как видно из фиг. 2 (кривая 2), концентрация сложных активаторных центров окраски, поглощающих в области 360 нм — 980 нм, намного выше, чем в примере 2.

Спектрометрические параметры детектора Csl(TI) и фосвича Nal(TI)+Cst(TI) намного хуже, чем в примерах 1 и 2. Отжиг кристалла при 550 К разрушает только часть сложных активаторных центров окраски, что незначительно улучшает спектрометрию.

Для разрушения сложных активаторных центров окраски кристалл помещают в печь; нагревают до 650 К со скоростью 0,2

К/мин выдерживают при этой температуре

80 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0.3 К/мин.

Спектр поглощения кристалла Csl(TI) 5

20 после отжига при 650 К представлен на фиг, 25

2 (кривая 3). Оптические и спектрометрические параметры детектора Cst(TI) и фосвича

Nal(TI) + Csl(Ti) представлены в табл. 1, Ч1И.

Как видно из представленных результатов, не все сложные активаторные центры окра- 30 ски разрушаются. При этом спектрометрические и оптические параметры детектора

Csl(TI) и фосвича Nal(TI) + Csl(TI) улучшаются.

Чтобы разрушить все сложные активаторные центры окраски, которые еще проявляются в спектрах поглощения и снижают конверсионную эффективность и энергетическое разрешение как детектора Csl(TI), так и фосвича Nal(TI) + Csl(TI), кристалл 40

CsI(TI) помещают в печь, нагревают до 750

К со скоростью 0,2 К/мин, выдерживают при этой температуре 150 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,3

К/мин. 45

Спектр поглощения кристалла Сзl(ТI) после отжига при 750 К представлен нэ фиг, 2 (кривая 4). Оптические и спектрометриче-. ские параметры детектора Cs!(TI) и фосвича после отжига при 750 К представлены в 50 табл. 1, IX.

Как видно из представленных результатов, после отжига при 750 К разрушаются все стабильные сложные активаторные центры окраски, увеличивается число одиноч- 55 ных активаторных центров, тем самым улучшается конверсионная эффективность.

Значительно, по сравнению с исходными, улучшаются разрешение как детектора

Csl(TI), так и фосвичэ Nat(TI)+ Csi(TI).

Пример 4. Кристаллы Nai(TI) размерами 50х50 мм с концентрацией таллия 9,5х х10 2 и 10 мас, $ и наличием следов кислородсодержащих примесей, не соответствующие техническим условиям (брак), после измерения спектрометрических характеристик (табл. 2, 1 и III) и спектров поглощения (фиг. 3, 2 и 4) помещают в печь, нагревают до 750 К со скоростью 0,2 К/мин, выдерживают 150 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,2 К/мин.

Оптические и спектрометрические параметры детекторов Nal(TI) представлены в табл. 2, II u IV. Спектры поглощения кристаллов Nal(TI) после отжига при 750 К представлены на фиг. 3 (кривые 5 и 6).

Как видно и представленных результатов, сложные активаторные центры окраски разрушаются, увеличивается число одиночных активаторных центров, тем самым конверсионная эффективность, и улучшается разрешение детекторов на основе отожженных кристаллов Nal(TI), которые стали не только удовлетворять ТУ, но и быть на уровне детекторов фирмы "Harshaw", Пример 5. Интенсивно окрашенный кристалл Csl(TI), не соответствующий техническим условиям (брак), с концентрацией таллия 4,5 10 " мас.g и наличием двухвалентных кислородсодержащих примесей размерами 130х50 мм после измерения спектрометрических характеристик (табл. 1, Х) помещают в печь, нагревают до температуры 500 К со скоростью 0,5 К/мин, выдерживают при этой температуре 70 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,7 К/мин.

Спектрометрические параметры детек- тора Csi(TI) и фосвича Nal(TI) + CSI{TI) после отжига кристалла CSI(Tt) при 500 К представлены в табл. 1, XI.

Как следует из представленных результатов, параметры детектора Cst(TI) и фосвича Na!(TI) + Csl(Tt) не улучшаются.

Пример 6. Кристалл Nal(TI) размерами

50х50 мм с концентрацией таллия 1 10 мас. и наличием кислородсодержащих примесей, не соответствующий техническим условиям (брак), после измерения спектрометрических оптических характеристик (табл. 2, строка V, фиг. 3, кривая 1), помещают в печь, нагревают до 500 К со скоростью 0,3 К/мин, выдерживают 60 ч и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,4 К/мин.

Спектрометрические оптические параметры детектора на основе отожженного кристалла Nat(TI) представлены в табл. 2, Ч1 (фиг. 3, кривая 3). Как видно из представлен1589695

Таблица 1

11 % (a сборке с

Nal(Tl) относительно

NaI(Tl) ) R, (энергитическое разрешение

CsI(TI) по у линии

137 С

R, (B сборке с Nal(TI) относительно

Сз!(Т!) ) Кристал Csl(TI) К, см-1(коэффициент поглощения в максимуме полос излучения

Nal{TI) и Csl{TI) СУЕСВ

{в сборке с

Nal{TI) относи тельно

Nal(TI) ) СуесВ (световой выход

CsIPÎ ) Суесв (в сборке с

Nal(Tl) относительно

Сз3(Т3) ) l0 1,06

4/1-87 N. 5

Н После отжига при

Т"600 К

Ч1 0.2 К/мин

Ч20,4 К/мин

1-80ч

Ш 5/1-87 М 5

14,2

12,4

0,965

К цонм=0,062 см

K550Hì=0,05 см

К42онм=0,035 см

2,1

К550 и" 0,03 см1 420нм=0.073 CM

К55онм=0,06 см 1

9,55

10,8

10,5

12,8

14,6

1,09

0,80

1,16

0,90

2,2

2,02

И После отжига при

600 К

V1-0,2 К/мин

Vz 0,4 K/мин с-80ч

Каонм=0,04 см

К550нм=0 038 см 1

10,3 1,11

14,3

1,02

2,15 ных результатов, спектрометрические параметры детектора после отжига при 500 К не улучшаются, Из сопоставления представленных результатов следует, что поставленная цель— увеличение и стабилизация конверсионной эффективности сцинтилляционных кристаллов и улучшение энергетического разрешения детекторов на их основе достигается в примерах 1-3 для кристаллов Csl(TI) и примере 4 — для кристаллов Nal(TI) в заявляемых пределах..

Конверсионная эффективность сцинтилляционных кристаллов и энергетическое разрешение детекторов на их основе ухудшается при повышении концентрации стабильных сложных активаторных центров окраски, которые эффективно разрушаются в заявляемых пределах. При этом, чем больше концентрация сложных активаторных центров окраски, тем выше температура и время отжига (пример 3).

Как показали эксперименты, при существующих и используемых загрузочных концентрациях таллия при выращивании кристаллов Nal(TI) 0,25 мас.$ и Csl(TI) 0,3 мас. и наличии кислородсодержащих примесей (даже следовых количеств) только в заявляемых пределах температуры отжига обеспечивается достижение цели.

Как видно из примеров, используются кристаллы Nal(TI) и Csl(TI), несоответствующие техническим условиям (бракованные), а предлагаемый способ термообработки

5 обеспечивает их использование по назначению с улучшенными спектрометрическими параметрами по сравнению с техническими условиями.

Таким образом, предлагаемый способ

10 обеспечивает использование бракованных кристаллов и безотходную технологию получения сцинтилляционных детекторов высокого спектрометрического качества.

15 Формула изобретен ия

Способ термообработки сцинтилляционных монокристаллов на основе галогенидов щелочных металлов, включающий их

20 нагрев, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью увеличения и стабилизации конверсионной эффективности монокристаллов и улучшения энергетического

25 разрешения детекторов на их основе, а также обеспечения безотходной технологии, нагрев ведут со скоростью 0,1 — 0,3 К/мин до

600-750 К, выдержку осуществляют в течение 80 — 150 ч и охлаждение проводят со ско30 ростью 0,2 — 0,5 К/мин.

1589695

Продолжение таблицы 1

К, см (коэффициент поглощения в максимуме полос излучения

Nal(Tl) и Csl(TI) R; (в сборке с Nal(TI) относительно

Сзl(ТI) ) R, (в сборке с

Nal(TI)

ОтнОСительно

Nal(Tl) ) Кристал Cs1(TI) СУЕСВ (в сборке с

Nal(TI) относительно

Сз1(ТI) ) СУЕСВ (световой выход

Csl(Tl) ) СУЕСВ (в сборке с

NaI(TI) относительно

Nal(TI) ) V После отжига при

750 К

V1=0,2 К/мин

V2=0,3 К/мин т=80ч

Vl 4/4-88 М 2

К42онм=0,028 см

К55онм=0,026 сМ 1

2,38

1,2

1,31

9,5

10,2

К420нм=0,12 СМ

К55онм Ч),117 см

2,0

0,9

14,2

15,4

13,5

К420нм=0.07 См

К55онм=0,063 см

2,1

1,05

12,6

14,6

К420нм=0,048 см

К550нм=-0,042 См

2,39

1,17

1,15

13,5

12.6

К420нм=0,038 См

К550нм=0,037 см

- I

10.8

1,36 i.3

К420нм=0,12 См

-1

М50нм=0,116 см

2,02

1,02

13,3

Xl После отжига при

500 К

Ч1=0,5 К/мин

Ч2=0,7 К/мин

t=70 ч

13.2

К42онм-О 119 см 1

%сонм=0,0116 см 1

2,0

1,08

14,9

Х!! Технические условия на фосвич СДН-63 Csl(TI) 130x50 мм+ Nal(TI) по у- линии Cs

13 12

Примечания:

VlI После отжига при 550 К

V1=0,2 К/мин

V2=0,3 К/мин 100ч

Ч111 После отжига при 650 К

Ч1=0,2 К/мин

Ч2-0,3 К/мин

t=80÷

1Х После отжига при 750 К

Ч1=0,2 К/мин

Ч2=0,3 К/мин

t=150s

Х 4/4-88 N. 1

R, (энергитическое разрешение

Сз!(Т!) по плинии

137 С

V1- скорость нагрева кристала Csl(TI); Ч2- скорость его охлаждения;

1=время его отжига.

Коэффициент поглощения К(см 1) в полосах излучения

Nal(T и Сзl(Т1) приведены без учета отражения.

1589695

Таблица 2

CvEce (световой выход ) К, см (коэффициент поглощения в максимуме полосы излучения Л420 нм

R, $ (энергетическое разрешение) Кристал. Na((TI) I 2А, 124, 87 до отжига

11 После отжига при

Т 750К

Ч1-0,2К/мин

Ч2-0,2К/мин

-150 ч.

П(17/7-88 до отжига (Ч После отжига при

Т-750 К .Ч1-0,2 К/мин

V2-О,2 К/мин

t-150 ч

Ч 16/ 1-86 Q 2

Vl После отжига при

500 К

Ч1 О,ЗК/мин

V2&,4Ê/мин

К42онм 0,1 см

10,22

1,77

К420нм 0,06 СМ

2,51

8,9

К42онм 0,118 см

1,49

13,61

К42онм 0,082 см 1

1,89

9,86

К42Онм 0,128 СМ 1

15,2

К420нм 0,12 см

1.0

14,9

t 60ч

Vll Технические условия на детектор размерами 50х50 мм во временной упаковке

ЫО (1,5

fl р и м е ч а н и я: V>- скорость нагрева кристала Na((TI) Ч2- скорость его отжига;

t-время его отжига.

ttet- Коэффициент поглощения К(см ) в полосе излучения кристал1589695

02 см о о яо аю ао воо гаа ац

Фиг.д

Составитель А. Серебряков

Техред М,Моргентал Корректор Q.Густи

Редактор Т,Куркова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 559 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5