сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов

Формула изобретения

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов, включающий фторид лития, активированный азотно-кислым уранилом ⁶ LiF-UO₂(NO₃)₂, отличающийся тем, что он дополнительно содержит изотоп гелия ³He (в объеме или приповерхностном слое) при следующем соотношении ингредиентов, ат.%:

6LiF-UO2 (NO3)2	99,94-99,98
Изотоп 3He	0,02-0,06

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неорганическим сцинтилляционным материалам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе сцинтилляционных детекторов для радиоэкологического мониторинга территорий, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за первичным ядерным топливом и за изделиями из делящихся материалов, а также для создания антитеррористических комплексов радиационного контроля.

Для обнаружения и регистрации тепловых нейтронов сцинтилляционным методом необходимо, чтобы вещество сцинтиллятора обладало достаточно высоким световыходом сцинтилляций и, главное, повышенным сечением взаимодействия с тепловыми нейтронами в рамках возможных ядерных реакций типа (n, ), или (n, р), или (n, ), поскольку именно этот параметр определяет основную техническую характеристику сцинтиллятора: эффективность регистрации тепловых нейтронов. Последняя определяется как отношение числа зарегистрированных тепловых нейтронов к числу тепловых нейтронов, попавших в сцинтиллятор. Чтобы регистрировать тепловые нейтроны, вещество сцинтиллятора должно их чувствовать, взаимодействовать с ними. Так, сцинтиллятор на основе NaI-Tl, обладающий рекордно высоким световыходом сцинтилляций при регистрации гамма-излучения [Прайс В. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1964, 464 с.; Группен К. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. 408 с.] практически не пригоден для регистрации тепловых нейтронов, поскольку ядра элементов, образующих вещество сцинтиллятора NaI-Tl не взаимодействует с тепловыми нейтронами. Напротив, сцинтилляторы, в состав которых входят, например, ядра ⁶Li, или ¹⁰В, или другие ядра, имеющие высокое сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами, обладают эффективностью их регистрации, достаточной для использования в сцинтилляционных счетчиках.

Поскольку нейтронное излучение делящихся материалов (ДМ) всегда сопровождается гамма-излучением, то для повышения обнаружительной способности сцинтиллятора по отношению к ДМ необходимо, чтобы сцинтиллятор одновременно мог регистрировать и гамма-излучение. Для таких сцинтилляторов в индивидуальной (персональной) дозиметрии дополнительным требованием является требование их тканеэквивалентности: их эффективный атомный номер Z_эф должен быть равен или близок к эффективному атомному номеру биологической ткани (Z_эф ^биол =7,42). Это требование не является обязательным для производственной дозиметрии нейтронов, однако оно актуально для персональной дозиметрии.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов на основе кристалла ⁶LiKSO₄-Cu [патент РФ 2148837]. Он содержит ⁶Li-изотоп и регистрирует тепловые нейтроны по реакции Li(n, )T с сечением захвата 940 барн [Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. М.: изд-во МГУ, 1963; Групен К. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. 408 с]. Однако сцинтиллятор ⁶LiKSO₄ -Cu обладает невысокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов из-за недостаточно высокого сечения реакции ⁶Li(n, )Т. Кроме того, кристаллы ⁶LiKSO4-Cu нетехнологичны, имеют высокую степень дефектности, а их эффективный атомный номер Z _эф существенно превышает Z_эф биологической ткани, и требование тканеэквивалентности сцинтиллятора - необходимое условие индивидуальной дозиметрии, не выполняется.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов на основе кристалла NaI-Tl с чехлом-радиатором из борсодержащего материала, окружающего кристалл NaI-Tl [патент РФ 2189057]. Толщина радиатора, изготовленного из карбида или нитрида бора, достаточна для полного поглощения тепловых нейтронов ядрами ¹⁰В. Сечение захвата тепловых нейтронов естественной смесью изотопов бора составляет 767 барн, а для чистого изотопа ¹⁰В - 3837 барн. Недостатком известного сцинтиллятора [патент РФ 2189057] является недостаточно высокое сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами и высокая гигроскопичность применяемого кристалла NaI-Tl. Последнее делает его ненадежным в эксплуатации. Все известные потенциальные борсодержащие сцинтилляторы [Прайс В. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1964. 464 с.; Групен К. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. 408 с.; Огородников И.Н., Кружалов А.В. // Изв. ВУЗов, Физика, 1996. Т.39, №11. С.76-93] обладают недостаточно высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов из-за невысокого сечения реакции для естественной смеси изотопов бора (на уровне 767 барн). Кроме того, для NaI-Tl Z_эф =54, что в 7-8 раз превышает Z_эф биологической ткани, т.е. требование тканеэквивалентности сцинтиллятора - необходимое условие индивидуальной дозиметрии, не выполняется.

Известна сцинтилляционная композиция из кристаллов Bi₄Ge ₃O₁₂ и пластика или стильбена [патент РФ 2158011] для регистрации быстрых нейтронов и -излучения. Однако такая сцинтилляционная композиция нечувствительна к тепловым нейтронам.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов на основе кристалла NaI-Tl с чехлом-радиатором из серебра [Прайс В. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1964. 464 с]. Серебро эффективно поглощает нейтроны резонансных энергий и испускает -кванты по реакции (n, ). Последние и регистрируются кристаллом NaI-Tl. Резонансные реакции (n, ) на естественной смеси изотопов серебра имеют сечение взаимодействия 86,3 барн для медленных и промежуточных нейтронов и 63,3 барн для тепловых нейтронов. Однако стоимость такого детектора высока из-за высоких цен на серебро. Применение изотопа ¹⁰⁹ Ag для регистрации тепловых нейтронов (сечение 91 барн) при работе в сочетании с NaI-Tl нецелесообразно из-за низкого сечения взаимодействия и малого периода полураспада ¹⁰⁹Ag, равного всего 24,6 суткам. Таким образом, эффективность регистрации тепловых нейтронов таким сцинтиллятором невысокая. Кроме того, условие тканеэквивалентности для сцинтиллятора NaI-Tl не выполняется.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов в виде сцинтилляционной композиции из трех параллельно-последовательно соединенных сцинтилляторов [патент РФ 2143711], один из которых, выполненный на основе ⁶Li-силикатного стекла, чувствителен к тепловым нейтронам. Однако эффективность регистрации тепловых нейтронов таким сцинтиллятором, определяемая соответствующим сечением реакции ⁶Li(n, )Т (сечение реакции равно 940 барн), невысокая и кроме того для него не выполняется условие тканеэквивалентности.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов на основе ⁶LiI-Eu [Павловская Т.Ф. и др. ПТЭ. 1970. №1. С.90], который обладает длительностью сцинтилляций ˜1 мкс, световыходом ˜0,1 относительно световыхода CsI-Tl. Однако известный сцинтиллятор регистрирует тепловые нейтроны за счет реакции ⁶Li(n, )Т с сечением 940 барн, т.е. эффективность регистрации тепловых нейтронов этим сцинтиллятором невысокая. Кроме того, известный сцинтиллятор LiI-Eu характеризуется наличием -активности продуктов радиоактивного распада, образовавшихся в результате реакций (n, ), (n, р) и (n, 2n) на ядрах йода, что повышает уровень его шумов. Для LiI-Eu не выполняется требование тканееэквивалентности, он не пригоден для метрологически выдержанной персональной дозиметрии.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов [а.с. СССР №1380465 G 01 T 3/06, 1987 г.] на основе состава Sr ₃Y_1-xGd_х(PO₄) ₃, где х=0,3-0,5 с максимумом спектра свечения при 313 нм и длительностью сцинтилляций 370 нс. Однако для сцинтиллятора Sr₃Y_1-xGd_x(PO₄) ₃ сцинтилляционная эффективность регистрации нейтронов по реакции (n, ) недостаточно высока. Она составляет 0,3 относительно таковой для эталона ⁶LiI-Eu. Для известного сцинтиллятора не выполняется требование тканеэквивалентности.

Известно применение состава Gd₃Sc₂Al₃ O₁₂ [а.с. СССР №1106281, G 01 T 3/06, 1/202] в качестве сцинтиллятора для регистрации тепловых нейтронов. Однако сцинтилляционная эффективность этого состава при регистрации нейтронов по (n, )-реакции невысока, она равна 0,15-0,20 относительно таковой для ⁶ LiI-Eu. Кроме того, эффективный атомный номер известного сцинтиллятора существенно выше Z_эф биологической ткани, и требование тканеэквивалентности - необходимое условие индивидуальной дозиметрии, не выполняется.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов на основе ⁶LiF-W [Charkina T.A., Eidelman L.G., Goriletsky V.I., Kudin A.M. et al. New thermal neutron detector LiF(W). Book of Abstracts Int. Conf. on Inorganic Scintillators and Their Applications, SCINT-95, 1995. P.161]. Известный сцинтиллятор ⁶LiF-W имеет максимум свечения при 430 нм, длительность сцинтилляций - 40 мкс, коэффициент преломления - 1,40, плотность - 2,64 г/см³, эффективный атомный номер Z_эф=8,2, близкий к Z_эф биологической ткани, температуру плавления - 1133 К. Однако он имеет невысокую сцинтилляционную эффективность, равную 0,1 относительно световыхода LiI-Eu.

Известен сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов [патент РФ по заявке №2003119786/28 (020975) от 30.06.2003] на основе фторида кальция (99,25-99,59 ат.%), содержащего активатор фторид европия (0,4-0,7 ат.%) и изотоп ³He (0,01-0,05 ат.%). Он имеет повышенный световыход сцинтилляций со спектром свечения в синей области с максимумом при 450 нм. Известный сцинтиллятор имеет повышенную чувствительность к тепловым нейтронам, благодаря наличию в нем дополнительно к изотопу ⁶Li изотопа ³He с сечением захвата тепловых нейтронов 4000 барн. Однако известный сцинтиллятор для тепловых нейтронов имеет эффективный атомный номер Z_эф=16,5, который более чем в два раза превышает эффективный атомный номер биологической ткани (Z _эф ^биол.=7,42), и поэтому известный сцинтиллятор CaF₂-Eu, ³He не пригоден для использования в индивидуальной дозиметрии.

Известен способ имплантации ионов He⁺ в кристаллы LiF с использованием ускорителя ионов [Bonfigli F., Jacquier В., Montereali R.M. et al. / Concentration of F₂ and F₃ ⁺ defects in He ⁺ implanted LiF crystals determinated by optical transmission and photoluminescence measurements // Optical Materials. 2003. Vol.24. P.291-296]. Ионы Не⁺, имплантируемые в кристаллы LiF, имели энергию 1,5-2 МэВ, доза облучения(флюенс) составляла 6·10¹³-2,5·10¹⁶ ион/см² . Однако получаемые по известному способу кристаллы LiF были имплантированы ионами гелиевого изотопа ⁴He, имеющего крайне низкое сечение захвата тепловых нейтронов; известные составы LiF-4He не применялись для регистрации тепловых нейтронов, об их возможном или невозможном использовании в качестве детекторов тепловых нейтронов в известном источнике [Bonfigli F., Jacquier В., Montereali R.M. et al. / Concentration of F₂ and F_з+ defects in He⁺ implanted LiF crystals determinated by optical transmission and photoluminescence measurements // Optical Materials. 2003. Vol.24. P.291-296] не упомянуто.

Наиболее близким к заявляемому по составу является сцинтиллятор на основе фторида лития, активированного азотнокислым уранилом LiF-UO₂(NO₃)₂ (0,001-0,005 мол.%). В нем используется естественная смесь изотопов ⁷Li и ⁶Li [а.c. СССР №1304584, G 01 T 1/202, 1985]. Однако из-за низкого содержания изотопа ⁶Li в естественной смеси изотопов лития (7,42%) и невысокого сечения захвата тепловых нейтронов изотопом ⁶Li (940 барн) известный детектор обладает недостаточно высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. Ранее этот известный сцинтиллятор был предложен для регистрации только заряженных частиц.

Таким образом, известные составы, содержащие изотоп ⁶Li, применяемые в качестве сцинтилляторов для регистрации тепловых нейтронов обладают недостаточно высоким сечением взаимодействия с тепловыми нейтронами 940 барн (реакция (n, ) и соответственно недостаточно высокой эффективностью их регистрации. В предлагаемом изобретении применяют известный сцинтиллятор LiF-UO ₂(NO₃)₂ (в котором литий максимально обогащен изотопом ⁶Li), в который дополнительно вводят изотоп ³He тем или иным способом: методом термодиффузии или методом имплантации ускоренных ионов гелия ³He в приповерхностные слои. В первом случае, когда изотоп ³ Не введен в детектор методом термодиффузии, получают объемный сцинтиллятор; во втором, при поверхностной имплантации, получают тонкослойный чувствительный к тепловым нейтронам сцинтиллятор того же состава.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый сцинтиллятор (объемный или тонкослойный) на основе кристаллов фторида лития, активированных азотнокислым уранилом, имеет состав, ат.%:

6LiF-UO2 (NO3)2	99,94-99,98
изотоп гелия 3He	0,02-0,06

При дополнительном введении в известный состав изотопа Не эффективность регистрации тепловых нейтронов возрастает более чем на порядок по сравнению с эффективностью регистрации тепловых нейтронов кристаллами прототипа LiF-UO₂(NO₃ )₂, содержащими естественную смесь изотопов ⁷ Li и ⁶Li, и возрастает в 2-3 раза по сравнению с эффективностью регистрации тепловых нейтронов с помощью аналога ⁶LiF-W. Такое повышение эффективности регистрации тепловых нейтронов обусловлено тем, что их захват происходит на ядрах двух типов: на ядрах ⁶Li (реакция (n, ) с сечением 940 барн) и на ядрах ³He (реакция (n, р) с сечением захвата 4000 барн [Машкович В.П., Кудрявцева Л.В. Защита от ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1995, 494 с.]). Эффективный атомный номер предлагаемого сцинтиллятора близок к эффективному атомному номеру биологической ткани, что необходимо для персональной дозиметрии.

Дополнительным преимуществом предлагаемого сцинтиллятора является его чувствительность к гамма-излучению, что повышает его способность к обнаружению делящихся материалов. Более того, дополнительным преимуществом является также то, что содержащийся в составе сцинтиллятора изотоп ³He обеспечивает не только регистрацию тепловых нейтронов и регистрацию части надтепловых нейтронов благодаря их замедлению путем рассеяния на ядрах гелия, что также повышает обнаружительную способность сцинтиллятора к нейтронным потокам и делящимся материалам.

Пример 1

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов состава ⁶LiF-UO₂(NO₃)₂ - 99,94 ат.%, изотоп ³Не - 0,06 ат.%. Сцинтиллятор получают в две стадии. На первой стадии выращивают кристаллы ⁶LiF-UO₂(NO₃)₂ с содержанием UO₂(NO₃)₂ 0,005 мол.% в виде були диаметром 30-50 мм, длиной 40-60 мм методом Кирпопулоса в платиновых тиглях на воздухе [Кидибаев М.М. Радиационно-стимулированные процессы в кристаллах (Li, Na)F-U,Me / Ред. Б.В.Шульгин. Каракол; Екатеринбург: ИГУ, УГТУ, 1999. 220 с]. Затем из центральной части були вырезают кристалл под стандартный диаметр ˜ 40 мм, толщиной 4-6 мм, которая достаточна для захвата тепловых нейтронов ядрами ⁶Li. Затем кристалл-заготовку помещают в барокамеру, в которой в кристалл вводят изотоп ³He с помощью термодиффузии по методу А.Я. Купряжкина (Купряжкин А.Я., Куркин А.Д. // ФТТ. 1990. Т.32, №8. С.2349-2354]. В кристаллах LiF эффективно реализуется междоузельный, вакансионный и дислокационный механизмы термодиффузии с невысокой энергией активации и низкими энергиями растворения. Режим термодиффузии выбран (по известной температурной зависимости растворимости гелия и по известной зависимости растворимости гелия в кристаллах LiF от давления насыщения) таким, чтобы содержание ³He в кристалле LiF-UO₂(NO₃) ₂, ³He было доведено до 0,06 ат.%. Полученные кристаллы обладали следующими свойствами: эффективный атомный номер Z_эф=8,2 близок к Z_эф биологической ткани; спектр свечения имеет максимум при 530 нм; длительность основной компоненты сцинтилляции равна 4-6 мкс. Срок службы сцинтиллятора при комнатной рабочей температуре (при расчетном типовом коэффициенте междоузельной диффузии ˜10⁹ см/с) для кристалла с диаметром порядка 40 мм составляет по оценке несколько лет. Эффективность регистрации тепловых нейтронов в сравнении с таковой для сцинтиллятора LiF-UO₂(NO₃)₂ возрастает в 11 раз. Она в четыре раза выше, чем у аналога ⁶LiF-W.

Пример 2

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов состава ⁶LiF-UO₂(NO ₃)₂ - 99,98 ат.%, изотоп ³He - 0,02 ат.%. Сцинтиллятор получают в две стадии. Вначале выращивают кристаллы ⁶LiF-UO₂(NO₃) ₂ с содержанием UO₂(NO₃)₂ 0,003 мол.% в виде були, как и в примере 1. Из центральной части вырезают кристалл диаметром 40 мм и толщиной 4-6 мм. Затем в кристалл вводят методом имплантации изотоп ³He с энергией 1-3 МэВ при токе пучка 10-15 мкА. Полученные кристаллы имели поверхностный слой толщиной 5-10 мкм, насыщенный ионами Не, который и выполнял функции тонкослойного сцинтиллятора-регистратора тепловых нейтронов, обладая повышенной эффективностью регистрации тепловых нейтронов, провзаимодействовавших с ядрами ⁶Li в этом слое. Относительная сцинтилляционная эффективность нейтронно-чувствительного слоя в два раза выше, чем у аналога ⁶LiF-W, и в 6-8 раз выше, чем у прототипа.

Пример 3

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов состава ⁶LiF-UO ₂(NO₃)₂ - 99,96 ат.%, изотоп ³He - 0,04 ат.% получают так же, как в примере 1. Вначале выращивают кристалл ⁶LiF-UO₂(NO ₃)₂, а затем насыщают его изотопом ³He методом термодиффузии. Полученный сцинтиллятор имел размеры =40 мм, h=4 мм, имел эффективный атомный номер Z_эф = 8,2, спектр свечения с максимумом в области 480-530 нм и сцинтилляционную эффективность в 2,7 раза выше, чем у аналога ⁶LiF-W и в 8-10 раз выше, чем у прототипа.

Пример 4

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов состава ⁶LiF-UO ₂(NO₃)₂ - 99,93 ат.%, изотоп ³He (газ) - 0,07 ат.%. Содержание UO₂(NO ₃)₂ 0,001 мол.%. Выращивание кристаллов ⁶LiF-UO₂(NO₃)₂ с последующим введением в них изотопа ³Не методом термодиффузии проводят аналогично примеру 1, но при большем времени термодиффузии. Размеры сцинтиллятора, как в примере 1 (диаметр ˜40 мм, толщина - 4-6 мм). Сцинтиллятор имеет пониженную на 30% эффективность регистрации тепловых нейтронов по сравнению с эффективностью регистрации сцинтиллятором, описанным в примере 1. Последнее обусловлено появлением окраски кристалла, связанной с созданием дефектов-центров окраски и поглощением ими части свечения, испускаемого урановыми центрами.

Пример 5

Сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов состава ⁶LiF-UO₂(NO ₃)₂ - 99,99 ат.%, изотоп ³He - 0,01 ат.% получен, как в примере 1. Световыход сцинтилляций оказался ниже, чем в примерах 1-4 из-за пониженного содержания в нем изотопа ³Не.