сцинтилляционный материал

Формула изобретения

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ на основе триортогерманата висмута, содержащего примесь иттербия, - Bi₄ Ge₃O₁₂ : Yb, отличающийся тем, что, с целью улучщения времени высвечивания сцинтилляционного импульса, материал содержит иттербий в количестве 0,07 - 1,50 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике для регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, конкретно к области сцинтилляционных материалов.

Монокристаллы триортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) известны как сцинтилляционный материал, применяемый в различных устройствах детектирования ионизирующих излучений.

Известны кристаллы BGO, выращиваемые методами Чохральского, зонной плавки, Бриджмена из расплава оксидов Bi₂O₃-GeO₂, состав которых отвечает стехиометрическому Bi₄Ge₃O₁₂ [1]. Этот материал является истинным сцинтиллятором, т.е. не содержащим активирующих добавок. Его сцинтилляционные свойства обусловлены электронным переходом ³Р₁-¹S₀ в ионах Bi³⁺. Кинетика высвечивания сцинтилляционного импульса лимитируется компонентой с постоянной времени = 300-310 нс, при этом вклад послесвечения матрицы незначителен (через 3 мс не более 0,005% пиковой интенсивности импульса), что препятствует применению данного сцинтилляционного материала в устройствах регистрации ионизирующих излучений, требующих временного разрешения менее 300 нс.

Наиболее близким к предложенному является лазерный монокристаллический материал на основе Bi₄Ge₃О₁₂, содержащий в качестве активатора лазерных свойств примесь иттербия (Yb), вводившегося в исходную шихту в виде оксида Yb₂O₃ в концентрациях 2,0; 4,0; 4,5 мас.% [2].

Соответственно присутствие Yb в кристаллах составляло 1,76; 3,51 и 3,95 мас. % . Пригодность использования этого материала в указанном качестве определяется тем, что кристаллы BGO, содержащие примесь в диапазоне 1,76-3,95 мас. % , обладают повышенным выходом люминесценции при фотовозбуждении, возрастающем с увеличением концентрации активатора.

При возбуждении этих кристаллов ионизирующим излучением наблюдается затягивание сцинтилляционного импульса до 350 нс, а также появление интенсивного длительного послесвечения, превышающего послесвечение нелегированного BGO.

Таким образом легирование BGO иттербия в диапазоне 1,76-3,95 мас.% не обеспечивает повышения его быстродействия как сцинтилляционного материала.

Целью изобретения является создание сцинтилляционного материала с малым временем высвечивания сцинтилляционного импульса.

Указанная цель достигается тем, что сцинтилляционный материал на основе триортогерманата висмута, содержит примесь иттербия Yb в количестве: 0,07-1,5 мас.%.

Выбор иттербия Yb в качестве примеси, обеспечивающий достижение поставленной цели, обусловлен наличием у ионов Yb³⁺ интенсивных f ->> f, f ->> d и иных абсорбционных переходов, локализованных в области длинноволнового края полосы собственного поглощения матрицы Bi₄Ge₃O₁₂ и ее люминесценции, возможностью перезарядки ионов Yb³⁺ до состояния Yb²⁺, а также малым ионным радиусом Yb³⁺ (0,858 ), облегчающим его вхождение в BGO в качестве структурной примеси. Совокупность первых двух факторов делает возможным интенсивный энергообмен между матрицей и вводимым примесным центром с образованием эффективного канала тушения собственной люминесценции BGO, а также появление дополнительных короткоживущих компонент сцинтилляционного импульса. Механизм тушения обусловлен захватом термализованного электрона (е) в зоне проводимости и осуществляется по схеме:

Yb³⁺ + e ->> (Yb³⁺) ->> (Yb³⁺)^- + h ->> Yb³⁺ Снятие возбужденного состояния (Yb³⁺) происходит через виртуальную форму (Yb³⁺)^- за счет внутрицентровых безизлучательных переходов ионов (Yb³⁺)^- с дальнейшим захватом дырок (h) из валентной зоны.

С повышением концентрации Yb в BGO возрастает доля распадов состояния ионов (Yb³⁺ ) в зоне проводимости, что затягивает дальнюю стадию сцинтилляционного импульса. Данный процесс, вклад которого становится преобладающим при содержаниях Yb свыше 1,76 мас.%, маскирует действие безизлучательного канала тушения и удлиняет сцинтилляционный импульс до 350 нс и более. Это наряду с появлением длительного послесвечения матрицы ограничивает верхнее значение интервала концентраций примеси Yb.

Монокристаллы сцинтилляционного материала получают следующим образом. Из смеси оксидов Bi₂O₃ и GeO₂ готовят исходную шихту состава, соответствующего стехиометрии Bi₄Ge₃O₁₂ или используют в качестве исходной шихты предварительно синтезированный мелкокристаллический триортогерманат висмута. К исходной шихте добавляют определенное количество оксида иттербия (Yb₂O₃). При этом применяют высокочистые вещества, предназначенные для получения монокристаллов. Полученную шихту для обеспечения гомогенности тщательно перемешивают в условиях исключающих занос посторонних примесей. Выращивание монокристаллов из шихты проводят методом Чохральского из платиновых тиглей в окислительной атмосфере при 1000-1100^оС и скорости вытягивания кристалла 0,1-0,4 см/ч. После окончания процесса охлаждение ведут со скоростью не более 50 К/ч, что обеспечивает получение ненапряженных кристаллов.

Измерения времен высвечивания сцинтилляций материала проводят одноэлектронным методом при возбуждении -частицами от источника ²³⁸Рu на установке, включающей два фотоэлектронных умножителя, формирователи стартового и стопового импульсов, время-амплитудный преобразователь и многоканальный амплитудный анализатор АИ-1024. По известной стандартизованной методике при возбуждении -квантами от источника ¹³⁷Cs контролируют также световой выход сцинтилляций и собственное энергетическое разрешение кристаллов. Кроме того неразрушающим рентгенорадиометрическим методом определяют содержание Yb в сцинтилляционном материале.

П р и м е р. Исходную шихту готовили из смеси оксидов Bi₂O₃ и GeO₂, взятых в массовом отношении 3:1. В пять навесок исходной шихты вводили добавки оксида иттербия Yb₂O₃ в количестве 0,011; 0,080; 0,6; 1,7; 2,0 мас.%. Из данных составов были выращены кристаллы - прозрачны, бесцветны, с незначительным содержанием тонкодисперсных включений вдоль оси вытягивания, не содержат трещин и механических напряжений. Длина кристаллов до 120 мм. Из кристаллов для измерений изготовили цилиндрические элементы высотой и диаметром 15 мм, один из торцов которых полировали по классу P_Z 0,025, остальная поверхность была матирована. Результаты измерений содержания Yb в кристаллах, времени высвечивания сцинтилляционного импульса, светового выхода и энергетического разрешения приведены в таблице. Также приведены сцинтилляционные параметры кристалла Bi₄Ge₃O₁₂, выращенного идентичным образом, не содержащего добавки иттербия.

Из таблицы следует, что положительный эффект, достигнутый при введении в указанном количестве примeси Yb в кристаллы BGO, состоит в том, что полученный сцинтилляционный материал обладает малым временем высвечивания сцинтилляционного импульса, составляющим при оптимальном содержании добавки Yb 0,5 мас. %, = 16 нс, т.е. в 18,7 раза меньшим, чем у нелегированного Bi₄Ge₃O₁₂ и в 21,9 раза меньше, чем у лазерного материала. В этом случае доля энергии, высвечиваемой в короткой компоненте, составляет 70% от суммарной энергии сцинтилляционного импульса. При концентрации 0,01 мас.% доля короткой компоненты мала (не более 11%). Соответствующее снижение времени высвечивания сцинтилляционного импульса составляет 15 нс (до 285 нс), что несущественно для повышения быстродействия детекторов. Превышение концентрации Yb более 1,5 мас. % ведет к снижению световыхода, ухудшению энергетического разрешения и возрастанию времени высвечивания, что ограничивает указанной величиной верхнее значение диапазона содержаний примеси.

Таким образом интервал концентраций примеси Yb в кристаллах BGO составляет 0,7-1,5 мас.%. Причем в этом интервале не происходит существенного изменения других основных сцинтилляционных параметров материала.

Полученный сцинтилляционный материал вследствие улучшения важной характеристики - времени высвечивания сцинтилляционного импульса обладает большим относительно BGO с содержанием Yb 1,76-3,95 мас.%, а также исходного Bi₄Ge₃O₁₂ диапазоном применения в качестве сцинтиллятора. Материал найдет использование в физике высоких энергий для создания устройств регистрации и спектрометрии ионизирующих излучений, требующих высокого временного разрешения, в частности, в системах регистрации частиц и квантов в потоках высокой плотности, для рентгеновской диагностики плазмы, в сцинтилляционных блоках электромагнитных калориметров и т.п..