способ обнаружения и регистрации заряженных частиц
Классы МПК: | G01T1/202 кристаллических |
Автор(ы): | Горохова Е.И., Тюрин Г.П., Христич О.А. |
Патентообладатель(и): | Горохова Елена Ильинична, Тюрин Григорий Петрович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-05-14 публикация патента:
10.09.2001 |
Изобретение относится к области измерений ядерных излучений с помощью сцинтилляционных кристаллов. Способ заключается в том, что в качестве сцинтилляционного материала используют прозрачный монолитный поликристаллический сульфид цинка, легированный теллуром, с максимумом излучения в области 410 нм. Техническим результатом является повышение эффективности регистрации заряженных частиц в широком диапазоне энергий и масс, а также обеспечение спектрометрии энергии частиц по времени пролета в условиях сопутствующего интенсивного фона
-излучения. 5 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
Формула изобретения
Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, основанный на воздействии на сцинтилляционный материал ионизирующего излучения, преобразовании его в свет, регистрации световых импульсов с помощью фотоприемника, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллятора используют прозрачный монолитный поликристаллический сульфид цинка, легированный теллуром, с максимумом излучения в области 410 нм и высоким быстродействием.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области измерений ядерных излучений с помощью сцинтилляционных кристаллов, в частности для обнаружения и регистрации заряженных частиц. Измерения осуществляются при воздействии на сцинтилляционный материал ионизирующего излучения, которое, преобразуясь в свет, детектируется фотоприемником. Обнаружение и регистрация заряженных частиц осуществляется, в частности, путем:1. процесса преобразования входящей в сцинтилляционный материал энергии заряженных частиц в электронно-дырочные пары;
2. процесса передачи энергии электронно-дырочных пар люминесцентному центру;
3. эмиссионного процесса, при котором центр люминесценции возвращается из возбужденного в исходное состояние, излучая при этом сцинтилляционный свет;
4. процесса детектирования сцинтилляционного света с помощью фотоприемника. Известно использование сцинтилляционных кристаллических материалов в медицинской диагностике, в науке, в физике высоких энергий, в ядерной физике [1]. Известно применение неорганических сцинтилляторов на основе сульфида цинка, активированного серебром (ZnS-Ag), для обнаружения заряженных частиц (
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173015/945.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
высокая чувствительность Csl-T1 к
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
относительно длительное время нарастания световой вспышки, составляющее не менее 20 нс;
длительное время затухания Csl-TI, составляющее до 1000 нс;
гигроскопичность Csl; невысокая механическая прочность;
невысокая радиационная стойкость;
нелинейность световыхода в области высоких энергий. Задача настоящего изобретения состоит в увеличении эффективности регистрации заряженных частиц в широком диапазоне энергий и масс, а также в обеспечении спектрометрии энергии частиц по времени пролета в условиях сопутствующего интенсивного фона
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
повышения световыхода в 1,6 раза по сравнению с прототипом;
повышения быстродействия: уменьшения времени нарастания световой вспышки до 3-4 нс для ZnS-Te по сравнению с 20 нс у Csl-T1 и времени затухания до 200-250 нс;
низкой чувствительности к
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
высокой механической прочности и радиационной стойкости;
отсутствия гигроскопичности;
линейности световыхода в области высоких энергий. Задача решается следующим образом. Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, заключающийся в воздействии на сцинтилляционный материал ионизирующего излучения, преобразовании этого излучения в свет, регистрации световых импульсов с помощью фотоприемника, в котором, в отличие от прототипа, в качестве сцинтиллятора используют прозрачный монолитный поликристаллический сульфид цинка, легированный теллуром. Указанный технический эффект достигается за счет того, что, во-первых, в качестве матричной решетки выбран материал ZnS, который отличается очень высокой способностью к эффективному преобразованию возбуждающего излучения в эмиссию [1], в частности, эффективность преобразования сцинтиллятора ZnS-Ag составляет 25-28% [3, 4]. Во-вторых, благодаря введению в ZnS изоэлектронной легирующей примеси - Те, обеспечивается не только высокая эффективность, но и быстродействие. В-третьих, вследствие относительно невысоких плотности ZnS и атомного номера составляющих его компонентов, чувствительность ZnS-Te сцинтиллятора к высокопроникающим
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173324/964.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173003/955.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173015/945.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173023/947.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173015/945.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173015/945.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173015/945.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173015/945.gif)
увеличение светового выхода в 1,6 раза (это обнаруживается при сравнении амплитуды импульсов ZnS-Te и Csl-T1, представленный на фиг. 2, а и б);
увеличение быстродействия в
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173024/8805.gif)
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173032/8773.gif)
возможность идентификации частиц по заряду (Z- идентификация), что определяется малой длительностью спада световой вспышки ZnS-Te в отличие от прототипа. Это показано на фиг. 3, где импульсы, имеющие одинаковые амплитуды, имеют разное время спада. Эти данные получены при облучении ZnS-Te потоком фрагментов деления 252Cf;. уменьшение чувствительности к фону гамма-излучения, что обнаруживается при облучении сцинтилляционных материалов гамма-квантами, испускаемыми источником 60Со. В этом случае, когда облучается ZnS-Te, на выходе ФЭУ импульсов не наблюдается, а при облучении Csl-T1 амплитуда импульсов значительна и соизмерима с амплитудой импульса при облучении
![способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, патент № 2173469](/images/patents/298/2173015/945.gif)
линейную зависимость энергии световой вспышки от энергии регистрируемых частиц в широком диапазоне их атомных масс, что упрощает процедуру энергетической калибровки сцинтилляционного детектора. Как видно из данных, представленных на фиг. 5(б), для сцинтиллятора Csl-T1 эта зависимость не линейна. Кроме того, в отличие от прототипа Csl-T1, который гигроскопичен (его растворимость в H2O при 14oC - 66 г/100 г H2O [5]) и требует защиты от окружающей атмосферы, имеет невысокие механические характеристики (твердость по Моосу - 1-2; модуль Юнга Eю=5,5х109 н/м2 [5] и радиационную стойкость (радиационные повреждения наблюдаются при дозе 103 рад [2]), прозрачный монолитный сцинтилляционный материал ZnS-Te не гигроскопичен (не растворим в H2O, имеет более высокие механические свойства (твердость по Моосу - 3,4-4, модуль Юнга Eю=8х1010 н/м2) и радиационную стойкость (при облучении изотопом 60Со дозой 28,35 Мрад коэффициент отражения ZnS-Te в видимой области спектра уменьшается на 4-7%). В таблице отражены основные свойства сцинтиллятора на основе ZnS-Te в сравнении с аналогичными характеристиками известных сцинтилляторов, в том числе прототипа Csl-T1. Из таблицы видно, что сцинтиллятор ZnS-Te имеет те или иные преимущества практически перед всеми представленными материалами. Так, по сравнению с цинксульфидным аналогом (ZnS-Ag), ZnS-Te имеет высокий коэффициент пропускания в области собственной эмиссии (см. фиг. 1, кривая 1), который сопоставим с таковым для монокристаллического ZnS (т. е. приближается к теоретически возможному), и замечательными временными параметрами. По величине быстродействия и световыходу ZnS-Te превосходит также не только Csl-TI, но и CaF-Eu. По сравнению с Nal-T1 ZnS-Te имеет более высокие эксплуатационные характеристики (прочность, отсутствие гигроскопичности и т.п.), хотя несколько уступает по величине световыхода. Таким образом, по совокупности полученных свойств прозрачный монолитный поликристаллический ZnS-Te представляется весьма перспективным материалом для использования в сцинтилляционных детекторах для обнаружения и регистрации заряженных частиц в широком диапазоне энергий, в том числе высокоэнергетичных заряженных частиц космического происхождения. Изложенные сведения подтверждают новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость заявленного способа. Список литературы
1. Blasse. Scintillator Materials. American Chemical Society, 1994, vol. 6, No 9, pp. 1465-1475. 2. HARSHAW/QS Scintillation Detector Catalog. Saint-Gobain, Ceramiques Industrielles, 1992, p. 111. 3. M. H. Медведев. Сцинтилляционные детекторы. М., Атомиздат, 1977, с. 94-105. 4. О. H. Казанкин, Л.Я. Марковский, И.А. Миронов и др. Неорганические люминофоры. Л., "Химия", 1975, с. 192. 5. А. Блистанов и др. Акустические кристаллы. Справочник. М.: Наука, 1982, с. 430.
Класс G01T1/202 кристаллических