преобразователь высокоэнергетических частиц и способ получения пленки

Формула изобретения

1. Преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем эпитаксиальная пленка содержит, по меньшей мере, и один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит разновалентные ионы свинца в соотношении, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит кислородные вакансии в количестве, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка дополнительно содержит, по меньшей мере, один ион из группы Mg ²⁺, Са²⁺, Sr²⁺ , Ge⁴⁺, Si⁴⁺, Sn ⁴⁺, Zr⁴⁺, Hf⁴⁺ , Sb⁵⁺, Nb⁴⁵⁺ и Та ⁵⁺.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка дополнительно содержит, по меньшей мере, один ион из группы Sc³⁺, La ³⁺, Y³⁺, Lu³⁺ , Al³⁺, Ga³⁺, In ³⁴⁺.

6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку, нанесенную на эпитаксиальную пленку.

7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку, нанесенную на подложку.

8. Преобразователь по п.6 или 7, отличающийся тем, что дополнительная пленка содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Pb, Bi, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.

9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из оксидного монокристалла из групп берилла, вольфрамита, граната, кальцита, пироксена, что он содержит, по меньшей мере, одну дополнительную пленку пинели, хантита, оливина, танталата, фианита, корунда, рутила, титаната, молибдата, ниобата, галлата и германата.

10. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла граната одного из составов из группы Gd₃Ga₅O ₁₂, Nd₃Ga₅O ₁₂, Sm₃Ga₅O ₁₂, (Gd, Ca)₃(Zr, Mg, Ga) ₅O₁₂, Ca₃(Nb, Ga)₅O₁₂ или Ca ₃(Nb, Ge, Ga)₅O₁₂ с ориентацией (111) или (110) или (100) или (210) или (211) или (311) или (411) или (511).

11. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла граната состава Ca_xD_yM _zMe_qO₁₂, где D - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, М - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, Me - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не менее 3, входящий в тетраэдрическую подрешетку структуры граната, 2,90<х<3,10; 0,05<у<1,80; 3,11<z+q<4,91.

12. Преобразователь по п.11, отличающийся тем, что подложка в качестве химического элемента D содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Nb, Zr, Та и V, в качестве химического элемента М содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Ga, Al, Li и Mg, а в качестве химического элемента Me содержит, по меньшей мере, один химический элемент из группы Ga, Al, Ge и Si.

13. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что рассогласование параметров кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки составляет от -0,0020 до +0,0040 nm.

14. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что содержание ионов висмута не превышает 75 ат.%.

15. Способ получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi₂ O₃, В₂О ₃ и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин, причем компоненты шихты содержатся в следующем отношении, мол.%.:

Pb и/или Bi2O 3	40,0-90,0
В2O3	0,5-15,0
кристаллообразующие оксиды	остальное

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит, по меньшей мере, один из оксидов из группы Li ₂СО₃, К₂СО ₃, Na₂СО₃, Ва₂СО₃, СаСО ₃, BaO, CaO, MgO, GeO₂, SiO ₂, В₂O₃, V ₂O₅, Nb₂O ₅, Li₂O, K₂ O, Na₂O, Rb₂O, В ₂O₃, Li₂ MoO₄, К₂MoO ₄, Na₂MoO₄ , Li₂WO₄, K₂WO₄, Li ₂Mo₂O₇, K₂Mo₂O ₇, Na₂Mo₂O ₇, Na₂WO₄, Li₂W₂O ₇.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что шихта содержит кристаллообразующие оксиды в мольном соотношении, обратно пропорциональном коэффициентам распределения кристаллообразующих элементов.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что раствор-расплав находится при температуре от 600 до 1100°С.

19. Способ по п.15, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав на глубину меньше толщины подложки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области выращивания эпитаксиальных монокристаллических пленок для измерения рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного и космического излучений и промышленно применимо при изготовлении детекторов ядерных частиц, нейтронов, - и -частиц, -квантов, сцинтиляционных и рентгеновских экранов.

Известен преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде пластины из оксидного монокристалла [Yu.Zorenko, V.Gorbenko, I.Konstankevych, a.Voloshinovskii, G.Strygayuk, V.Mikhailin, V.Kolobanov, D.Spassky. Single-crystalline films of Ce-doped YAG and LuAG phosphors: advantages over bulk crystals analogues. Journal of Luminescence, 2003, 3 B 2 v8.06 a/w (Dec 5 2003), p.1-11]. Недостатками этого преобразователя являются низкое пространственное разрешение вследствие относительно большой толщины пластины и недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в преобразователе.

Наиболее близким к заявляемому является известный преобразователь высокоэнергетических частиц, выполненный в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла [Yu.Zorenko, V.Gorbenko, I.Konstankevych, a.Voloshinovskii, G.Strygayuk, V.Mikhailin, V.Kolobanov, D.Spassky. Single-crystalline films of Ce-doped YAG and LuAG phosphors: advantages over bulk crystals analogues. Journal of Luminescence, 2003, 3 B 2 v8.06 a/w (Dec 5 2003), p.1-11].

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в преобразователе.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi₂ O₃, В₂О ₃ и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, [Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах: Справочник / Под ред. Н.Н.Евтихиева, Б.Н.Наумова. М.: Радио и связь. 1987, с.86-94].

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно высокая эффективность преобразования, обусловленная низким содержанием тяжелых химических элементов в пленке.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения эффективности преобразования высокоэнергетических частиц в излучение люминесценции видимого диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе высокоэнергетических частиц, выполненном в виде эпитаксиальной пленки, нанесенной на изоморфную подложку из оксидного монокристалла, пленка содержит ионы свинца и/или висмута, причем концентрация этих ионов составляет от 0,1 до 90 ат.%.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать разновалентные ионы свинца в соотношении, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать кислородные вакансии в количестве, обеспечивающем зарядовую компенсацию.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один химический элемент из группы Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn и Sb.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один ион из группы Mg²⁺, Са²⁺ , Sr²⁺, Ge⁴⁺, Si ⁴⁺, Sn⁴⁺, Zr⁴⁺ , Hf⁴⁺, Sb⁵⁺, Nb ⁴⁵⁺ и Та⁵⁺.

В частности, эпитаксиальная пленка может содержать, по меньшей мере, один ион из группы Sc ³⁺, La³⁺, Y³⁺ , Lu³⁺, Al³⁺, Ga ³⁺, In³⁴⁺.

В частности, преобразователь может содержать, по меньшей мере, одну дополнительную пленку. При этом дополнительная пленка может быть нанесена на эпитаксиальную пленку или подложку. При этом дополнительная пленка может содержать, по меньшей мере, один химический элемент из группы Pb, Bi, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb, Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Cd. Sn и Sb.

В частности, подложка может быть выполнена из оксидного монокристалла из групп берилла, вольфрамита, граната, кальцита, пироксена, шпинели, хантита, оливина, танталата, фианита, корунда, рутила, титаната, молибдата, ниобата, галлата и германата. При этом подложка может быть выполнена из монокристалла граната одного из составов из группы Gd ₃Ga₅O₁₂, Nd ₃Ga₅O₁₂, Sm ₃Ga₅O₁₂, (Gd, Ca)₃(Zr, Mg, Ga)₅ O₁₂, Ca₃(Nb, Ga) ₅O₁₂ или Ca₃ (Nb, Ge, Ga)₅O₁₂ с ориентацией (111), или (110), или (100), или (210), или (211), или (311), или (411), или (511). При этом подложка может быть выполнена из монокристалла граната состава Ca _xD_yM_zMe _qO₁₂, где D - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, М - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не более 3, входящий в октаэдрическую подрешетку структуры граната, Me - по меньшей мере, один химический элемент с валентностью не менее 3, входящий в тетраэдрическую подрешетку структуры граната, 2,90<х<3,10; 0,05<у<1,80; 3,11<z+q<4,91; р<0,04.

В частности, рассогласование параметров кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки может составлять от -0,0020 до +0,0040 nm.

В частности, содержание ионов висмута не превышает 75 ат.%.

Поставленная задача решается также тем, что в известном способе получения пленки, при осуществлении которого изоморфную монокристаллическую подложку помещают в переохлажденный раствор-расплав, шихта для приготовления которого содержит PbO и/или Bi₂ O₃, В₂О ₃ и, по меньшей мере, один кристаллообразующий оксид, отличающийся тем, что подложку помещают в раствор-расплав, по меньшей мере, два раза на время от 0,1 с до 100 мин, причем компоненты шихты содержатся в следующем отношении (в мол. %.):

Pb+Bi2O 3	40,0-90,0,
В2O3	0,5-15,0,
кристаллообразующие оксиды	остальное.

В частности, шихта дополнительно может содержать, по меньшей мере, один из оксидов из группы Li₂СО ₃, К₂СО₃, Na ₂CO₃, Ва₂СО ₃, СаСО₃, BaO, CaO, MgO, GeO ₂, SiO₂, В₂ O₃, V₂O ₅, Nb₂O₅, Li ₂O, K₂O, Na₂ О, Rb₂O, В₂О ₃, Li₂MoO₄, K₂MoO₄, Na ₂MoO₄, Li₂WO ₄, K₂WO₄, Li ₂Mo₂O₇, К ₂Мо₂O₇, Na ₂Mo₂O₇, Na ₂WO₄, Li₂W ₂O₇.

В частности, шихта дополнительно может содержать, по меньшей мере, один из оксидов из группы К ₂O, Li₂O, CaO, MgO, GeO ₂ и SiO₂ в концентрации не более 10 мол. %.

В частности, шихта может содержать кристаллообразующие оксиды в мольном соотношении, обратно пропорциональном коэффициентам распределения кристаллообразующих элементов.

В частности, раствор-расплав может находиться при температуре от 600 до 1100°С.

Заявляемые технические решения, представляющие собой устройство и способ получения материала для него, связаны единым изобретательским замыслом.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен преобразователь высокоэнергетических частиц. Он содержит монокристаллическую подложку 1, эпитаксиальную пленку 2, а также дополнительные пленки 3, 4 и 5, которые, например, представляют собой наноструктуры.

Суть изобретения состоит в следующем. Преобразователи высокоэнергетических частиц, изготовленные из монокристаллов, выращенные, например, по методу Чохральского, не могут содержать в своем составе в достаточно большой концентрации химических элементов, коэффициенты распределения которых существенно меньше 1. К их числу относятся, как правило, тяжелые элементы, определяющие эффективность преобразования высокоэнергетических частиц в видимое излучения (например, свинец и близкий к нему по свойствам висмут). От этого недостатка свободен метод жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава. Более того, нестационарность заключительной стадии эпитаксиального роста приводит к тому, что в переходном поверхностном слое концентрация химических элементов, коэффициенты распределения которых существенно меньше 1, на порядок и выше, чем в основном объеме пленки. Толщину этого слоя можно увеличить, многократно погружая на короткое время в раствор-расплав и извлекая из него растущую эпитаксиальную пленку. В частности, таким образом получают пленки 3, 4 и 5.

Преобразователь работает следующим образом. Высокоэнергетические частицы падают на преобразователь со стороны пленки 5 и создают в нем нарушения кристаллической структуры (различного рода дефекты). Затем эти нарушения релаксируют (самопроизвольно «залечиваются»), вследствие чего возникает излучение люминесценции в видимом диапазоне, выходящее, в том числе, и через прозрачную подложку 1. Излучение люминесценции регистрируют визуально или каким-либо иным известным способом. Опыт показал, что интенсивность этого излучения (эффективность преобразования) тем выше, чем больше Pb или Bi содержится в эпитаксиальной пленке 2 и дополнительных пленках 3, 4 и 5.

Пример 1. На подложке из Y₃Al₅ О₁₂ методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе PbO-В₂О₃ вырастили эпитаксиальную пленку Y₃Al ₅О₁₂, легированную Се в концентрации 0,08 ат.%. Оказалось, что в эпитаксиальной пленке интенсивность излучения люминесценции на длине волны =515 нм в три раза выше, чем в монокристалле того же состава, выращенном по методу Чохральского.

Пример 2. На подложке, выполненной в виде пластины из монокристалла Gd ₃Ga₅O₁₂ с ориентацией (111), из раствора-расплава, содержащем 85,4 мол. % PbO и 5,1 мол. % В₂O₃, при двукратном погружении в раствор-расплав при температуре 910°С вырастили эпитаксиальную пленку Gd₃Ga ₅O₁₂. Оказалось, что по сравнению с подложкой интенсивность люминесценции эпитаксиальной пленки в области спектра >360 нм возросла на полтора порядка величины.