Яркие и быстродействующие нейтронные сцинтилляторы

008364 Изобретение относится к новым сцинтилляционным материалам, в частности, в виде монокристаллов, к способу их получения в виде монокристаллов и к их применению для того, чтобы детектировать и/или различать нейтронное и/или гамма-излучение. Сцинтилляционные материалы широко используются для обнаружения гамма-лучей (электромагнитных волн с низкими энергиями, вплоть до 1 кэВ или ниже, называемых ниже как "гамма"), а также частиц, подобных нейтронам, альфа-частицам и т.д. Механизмы сцинтилляции основываются на целом ряде физических принципов, которые, по существу, превращают высокую энергию падающих фотонов или частиц в свет, который находится в пределах видимого диапазона или достаточно близко к нему. Особый интерес представляют монокристаллические формы сцинтилляторов, т.е. деталей, которые на уровне использования состоят из одного (самое большее, нескольких) кристаллов. Монокристаллическая конфигурация делает возможным более легкое выведение испущенного света при больших толщинах благодаря отсутствию внутренней диффузии через границы зерен, неоднородности и другие дефекты, которые имеют тенденцию присутствовать в поликристаллических материалах. Требуется кристаллическая структура (в атомном смысле), которая определяет механизмы сцинтилляции: стекловидное аморфное состояние вещества с большой вероятностью даст другие сцинтилляционные свойства. Выведенный свет затем собирают с помощью различных устройств, которые хорошо известны специалистам в данной области техники, подобных фотоумножителям, фотодиодам и т.п. Другая конфигурация заключается в том, чтобы все же сохранить кристаллическую структуру материала, но использовать его в виде порошка, либо спрессованного, либо спеченного,либо смешанного со связующим, таким образом, чтобы все же обеспечить отвод света. Обычно такие конфигурации являются слишком непрозрачными, когда они имеют толщину более чем несколько миллиметров, т.е. толщину, которая может быть не достаточной для того, чтобы остановить достаточное количество падающих частиц или фотонов. В целом, там, где это возможно и экономически эффективно,монокристаллы являются предпочтительными. Детектирование (обнаружение) гамма-, альфа- или бета-частиц, т.е. заряженных частиц, или нейтронов (именуемых ниже обобщенно как "радиация") представляет особый интерес в целом ряде применений в ядерной (радиационной) медицине, фундаментальной физике, промышленных измерительных приборах, сканерах багажа, при каротаже нефтяных скважин и т.п. В этих областях применения часто желательно отличать нейтроны от гамма-лучей, которые также могут достигать детектора, и при этом сцинтилляционный детектор должен быть способен выдавать различные сигналы люминесценции в зависимости от типа радиации (см. G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurements, Wiley, New York,2000). Для создания хорошего нейтронного или гамма-детектора необходимо соблюдение нескольких критериев. Путем, хорошо известным специалистам в данной области, выделяют энергетический спектр люминесценции сцинтиллятора при поступлении радиации, после чего события представляют на гистограмме (с энергиями по оси х и с числом отсчетов по оси у). В протоколе сбора данных задают "каналы" для сбора сигналов в пределах конкретного интервала энергии. Для хорошей идентификации пиков энергии поступающей радиации необходимо хорошее (низкое) разрешение по энергии. Разрешение по энергии обычно определяется для данного детектора при данной энергии как полная ширина на половине максимума пика, рассматриваемого на энергетическом спектре,деленная на энергию в центре тяжести пика (см. G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurements, JohnWileySons, Inc., 2nd Edition, p. 114). Другим очень важным параметром является константа времени затухания, которая описана, в частности, в работе W.W. Moses (Nucl. Instr. and Meth. A336 (1993) 253). Быстрое время затухания делает возможным быстрый анализ. Вообще говоря, временной спектр собранного сигнала от сцинтиллятора под действием радиации (нейтронов или гамма) может быть аппроксимирован суммой экспонент, каждая из которых характеризуется константой времени затухания. Качество сцинтиллятора определяется, по существу, вкладом самой быстрой компоненты эмиссии. Это число приводится авторами настоящего изобретения далее в тексте. Детектирование нейтронов часто проводят с помощью трубок Не 3. Этот тип устройств имеет высокую эффективность детектирования, хорошее различение гамма/нейтронов, может быть изготовлен в широком интервале размеров детектора и имеет долгую историю в данной области. Его слабыми местами являются относительно долгое время накопления заряда и низкие уровни сигнала. Во многих случаях предпочтительными являются твердофазные сцинтилляторы. Ряд сцинтилляторов, используемых для детектирования нейтронов, основываются на присутствии 6Li в молекуле. 6Li способен захватывать тепловые нейтроны и превращать их в ионизирующие частицы согласно реакции-Частицы и тритоны (частицы ядер трития) совместно имеют кинетическую энергию 4,78 МэВ. Последующее накопление этой энергии в материале может привести к обнаруживаемой люминесценции.-1 008364 Однако только лишь присутствие 6Li не гарантирует хороших свойств. Удобно также определить показатель различения гамма/нейтронов, так называемый фактор -эквивалента F, определяемый как где Сn представляет собой канал нейтронного пика (в протоколе сбора данных), а С представляет собой канал -пика, в то время как 0,662 МэВ - это энергия -лучей, а 4,76 МэВ - это кинетическая энергия частиц и тритонов вместе (в результате захвата нейтрона). Для радиографии вполне стандартными являются экраны LiF+ZnS(Ag). Высокая светоотдача(160000 фотонов/нейтрон) является очень привлекательной и обеспечивает хорошую чувствительность. Их время затухания находится в микросекундном интервале. Литиевое стекло (Li-e стекло), особенно его сорт, обогащенный по 6Li, является другим известным детектором нейтронов. Его светоотдача, к сожалению, очень низка, на уровне 6000 фотонов/нейтрон, а его разрешение по энергии является высоким. Оно имеет преимущество быстрого затухания с константой времени затухания на уровне примерно 75 нс. 6LiI (йодид лития), легированный европием (Eu), также является известным детектором нейтронов. Светоотдача в примерно 51000 фотонов/нейтрон является очень хорошей. Разрешение по энергии, тем не менее, является чрезвычайно высоким, а константа затухания столь же высока, как и у LiF+ZnS(Ag). Позднее Bessiere с соавторами были открыты новые соединения (Scint 2003, для публикации в Трудах), а именно Cs2LiYCl6 и Cs2LiYCl6:Ce3+. Оба демонстрируют высокую светоотдачу (34000 и 70000 соответственно). Их фактор -эквивалента также является очень хорошим, составляя 0,61 и 0,66 соответственно. Все результаты по легированному церием (Се) варианту приведены для концентрации 0,1 мол.%. Однако оба этих соединения имеют медленное время затухания (примерно 6-7 мкс). В дополнение, были упомянуты соединения Cs2LiYBr6 и Cs2LiYBr6:Ce в работе "Scintillation andSpectroscopy of the Pure and C3+-dopped Elpasolithes", Van Loef et al., Journal of Physics Condensed Matter,14, 2002, 8481-8496. Были исследованы оптические и сцинтилляционные (под действием гамма-лучей) свойства этих соединений. Однако там не имеется никаких упоминаний об их сцинтилляционных характеристиках под действием нейтронов. Упомянут лишь тот факт, что присутствие Li может сделать такие соединения на основе брома привлекательными. Это не гарантирует хорошие показатели под действием нейтронов. Настоящее изобретение относится к новому материалу, демонстрирующему значительно более высокую светоотдачу и быстрое (т.е. низкое) время затухания (послесвечения) по отношению к нейтронам(которое может быть обозначено как ). Этот материал также сохраняет хорошие свойства детектирования гамма-лучей и обеспечивает хорошее различение гамма-лучей и нейтронов. Материал по изобретению имеет общую формулу Cs(2-z)RbzLiLn(1-x)X6:xCe3+, где X представляет собой либо Br, либо I, Ln представляет собой Y, или Gd, или Lu, или Sc, или La, где z больше или равно 0 и меньше или равно 2, а х составляет более 0,0005. Величина х представляет собой мольную долю от суммыLn и Се. Величина х составляет более 0,0005, но можно также сказать, что х составляет более 0,05 мол.%. Оба этих выражения являются эквивалентными. Обычно х составляет менее 0,3 (=менее 30 мол.%), а более часто - менее 0,15. Особо предпочтительными составами являютсяCs2LiY(1-x)X6:xCe3+,CsRbLiY(1-x)X6:xCe3+. Сцинтиллирующий материал по изобретению может быть изготовлен в виде монокристалла. В этом случае его объем обычно составляет по меньшей мере 10 мм 3. Материал может также быть использован в виде порошка (поликристаллического), возможно либо спрессованным (уплотненным), либо спеченным,либо смешанным со связующим. Данные соединения выращивали в виде монокристаллов вертикальным методом Бриджмена. Поскольку эти соединения являются гигроскопичными, эксперименты проводили с образцами, запаянными в кварцевые ампулы. Могут быть использованы другие методы, известные специалисту в области роста кристаллов, такие как методы Чохральского или Киропулоса, при условии, что материал достаточно защищен от реакции с водой и кислородом. Монокристаллические образцы в примерах имели объем примерно 10 мм 3. Они содержат 6Li согласно распространенности в природе, но они могут быть с выгодой обогащены им (в ущерб стоимости). Свойства Cs2LiYX6:Ce3+ приведены в табл. 1 вместе со свойствами сцинтилляторов, уже известных в области детектирования нейтронов. Двухпиковая структура в спектре образца. 0,1%Се означает х=0,001 в общей формуле, которой фактически является Cs2LiY0,999Ce0,001X6. Из табл. 1 следует, что образцы согласно изобретению (образцы 3, 4, 5) имеют превосходные световые выходы под действием нейтронов, быстрые времена затухания и хорошее различение гамма/нейтронов, что видно из фактора F. Длина волны излучения имеет структуру с двумя пиками при приблизительно 390 и 420 нм, что удобным образом совпадает с максимальной чувствительностью бищелочных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Продукты согласно изобретению обладают тем преимуществом по сравнению с Cs2LiYCl6:0,1%Се (как в образце 2), что они являются чрезвычайно быстрыми сцинтилляторами и имеют даже еще более высокие значения светоотдачи и фактора F. Эти признаки не были описаны в упомянутой выше работе Van Loef с соавторами. Табл. 1 показывает также, что Rb2LiYBr6:Ce согласно изобретению (с полным замещением Cs на Rb) является столь же интересным. Наконец, хотя это и не описано здесь, замещение Y на другие редкоземельные элементы или подобные редкоземельным элементами элементы из того же столбца Периодической таблицы типа Sc, La, Lu также является частью изобретения. Следующая табл. 2 суммирует более подробно свойства соединений по изобретению в случаях детектирования гамма (излучаемого источником 137Cs), только нейтронов или комбинации гамма+нейтроны. Приведены первые две константы затухания (самая быстрая, а затем вторая самая быстрая) в экспоненциальных рядах разложения. Таблица 2 Основные характеристики Cs2LiYBr6:Ce3+ под действием гамма, нейтронного и гамма+нейтронного излучений (Rn=разрешение по энергии нейтронов) Показано, в частности, что материалы по изобретению образуют интересные гамма-детекторы, менее яркие, чем известные в области гамма-детектирования NaI:Ti, с эквивалентным разрешением по энергии, но с намного более быстрым затуханием. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Детектор нейтронов, содержащий в качестве сцинтиллирующего материала Cs(2-z)Rb2LiLn(1 где X представляет собой либо Br, либо I, Ln представляет собой Y, или Gd, или Lu, или Sc, 3+-3 008364 или La, где z больше или равно 0 и меньше или равно 2, а х составляет более 0,0005. 2. Детектор нейтронов по п.1, в котором х составляет более 0,005. 3. Детектор нейтронов по п.1 или 2, в котором х составляет менее 0,3. 4. Детектор нейтронов по любому из пп.1-3, в котором х составляет менее 0,15. 5. Детектор нейтронов по любому из пп.1-4, в котором материал находится в виде монокристалла. 6. Детектор нейтронов по п.5, в котором объем монокристалла составляет по меньшей мере 10 мм 3. 7. Детектор нейтронов по любому из пп.1-4, в котором материал находится в виде порошка. 8. Детектор нейтронов по п.7, в котором материал является либо спрессованным, либо спеченным,либо смешанным со связующим. 9. Детектор нейтронов по любому из пп.1-8, в котором формула материала представляет собойCs2LiYX6:xCe3+. 10. Детектор нейтронов по любому из пп.1-8, в котором формула материала представляет собойRb2LiYX6: хСе 3+. 11. Применение материала формулы Cs(2-z)RbzLiLn(1-x)X6:xCe3+, где X представляет собой либо Br,либо I, Ln представляет собой Y, или Gd, или Lu, или Sc, или La, где z больше или равно 0 и меньше или равно 2, а х составляет более 0,0005, в качестве детектора нейтронов. 12. Применение по п.11, при котором х составляет более 0,005. 13. Применение по п.11 или 12, при котором х составляет менее 0,3. 14. Применение по п.13, при котором х составляет менее 0,15. 15. Применение по любому из пп.11-14, при котором материал находится в виде монокристалла. 16. Применение по п.15, при котором объем монокристалла составляет по меньшей мере 10 мм 3. 17. Применение по любому из п.11-14, при котором материал находится в виде порошка. 18. Применение по п.17, при котором материал является либо спрессованным, либо спеченным, либо смешанным со связующим. 19. Применение по любому из пп.11-18, при котором формула материала представляет собойCs2LiYX6:хСе 3+. 20. Применение по любому из пп.11-18, при котором формула материала представляет собойRb2LiYX6:xCe3+. 21. Применение по любому из пп.11-20 в качестве детектора нейтронов и гамма-излучения. 22. Материал формулы Rb2LiLnX6:xCe3+, где X представляет собой либо Br, либо I, Ln представляет собой Y, или Gd, или Lu, или Sc, или La, a x составляет более 0,0005. 23. Материал по п.22, в котором Ln представляет собой Y. 24. Материал формулы Cs(2-z)RbzLiLn(1-x)I6:xCe3+, где Ln представляет собой Y, или Gd, или Lu, илиSc, или La, где z больше или равно 0 и меньше или равно 2, а х составляет более 0,0005. 25. Материал по любому из пп.22-24, в котором х составляет более 0,005. 26. Материал по любому из пп.22-25, в котором х составляет менее 0,3. 27. Материал по п.26, в котором х составляет менее 0,15. 28. Материал по любому из пп.22-27, причем он находится в виде монокристалла. 29. Материал по п.28, причем объем монокристалла составляет по меньшей мере 10 мм 3. 30. Материал пп.22-27, причем он находится в виде порошка. 31. Материал по п.30, причем он является либо спрессованным, либо спеченным, либо смешанным со связующим.