Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ
ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ

ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Сущность изобретения: термолюминесцентный материал на основе термолюминофора с шириной запрещенной зоны от 7 до 11,5 эВ содержит дополнительно полупроводниковый элемент или полупроводниковое соединение с шириной запрещенной зоны от 0,18 до 2,7 эВ в количестве 1 30 мас. Относительная чувствительность к тяжелым заряженным частицам α/γ материала составляет 1,46 13,6. 1 з.п. ф-лы.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2039076
Класс(ы) патента: C09K11/08, C09K11/55, C09K11/61
Номер заявки: 4921185/26
Дата подачи заявки: 25.03.1991
Дата публикации: 09.07.1995
Заявитель(и): Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе АН СССР
Автор(ы): Шавер И.Х.; Кронгауз В.Г.; Морозов Е.Г.; Харциев В.Е.
Патентообладатель(и): Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Описание изобретения: Изобретение относится к детектированию ионизирующего излучения, а именно к люминофорам для термолюминесцентной дозиметрии, и может быть использовано в индивидуальной и клинической дозиметрии, в охране окружающей среды, в дозиметрии энергетических и исследовательских ядерных реакторов, в космических исследованиях, в дозиметрии ускорителей и других источников тяжелых ядерных частиц и нейтронов, а также в дозиметрии исследовательских и инженерных реакторов термоядерного синтеза.
Одной из основных характеристик дозиметрических материалов и детекторов на их основе является чувствительность к тяжелым заряженным частицам, которая определяет возможность детектирования не только собственно тяжелых заряженных частиц, но и быстрых нейтронов, в частности при регистрации нейтронов по протонам отдачи. Но реальные поля источников тяжелых заряженных частиц и быстрых нейтронов характеризуются, как правило, значительным вкладом гамма-излучения. Поэтому наиболее важной характеристикой материалов и детекторов является относительная чувствительность к тяжелым заряженным частицам, или α / γ -отношение. Это отношение применительно к термолюминофорам и термолюминесцентным детекторам, определяется как отношение количества квантов термолюминесценции, испускаемых при поглощении единичной энергии альфа-частиц, к количеству квантов термолюминесценции, испускаемых при поглощении единичной энергии гамма-излучения.
Известен термолюминофор на основе CaF2, активированного марганцем в количестве 1-10 мол. Этот термолюминофор имеет неплохие дозиметрические характеристики для гамма-излучения. Абсолютная чувствительность его к альфа-излучению около 100 МэВ-1, но α / γ -отношение не превышает величины 0,5-0,6 [1]
Известен термолюминофор [2] на основе фторида щелочно-земельного металла, активированного редкоземельным элементом, имеющий общую формулу MIIF2: aX, где МII один из элементов типа стронция и кальция, Х один из элементов типа тербия, празеодима, тулия, гольмия, самария и церия, 10-5 ≅ а ≅ 10-2. Одним из примеров конкретной реализации является термолюминофор CaF2 0,001 Tm. Эксперименты показывают, что α / γ -отношение как этого, так и других термолюминофоров, синтетизированных по данным работы [2] не превышает значения 0,2.
Известны другие термолюминофоры на основе CaF2, активированного тулием, которые предназначены для избирательной регистрации тяжелых заряженных частиц или быстрых нейтронов. Однако в большинстве случаев это достигается не за счет большого α / γ -отношения.
Так, в работе [3] описан термолюминофор CaF2:Tm (концентрация тулия 0,34 мол. ), в принципе способный избирательно детектировать тяжелые заряженные частицы или быстрые нейтроны. Такое его свойство обусловлено тем, что эффективность запасания в основных пиках термовысвечивания при 150оС (пик 3) и при 240оС (пик 5) различна для излучений с разными величинами линейной передачи энергии (ЛПЭ).
Относительная чувствительность к тяжелым заряженным частицам для данного термолюминофора невелика: ( α / γ )300,6; ( α / γ )5 0,38. Однако благодаря уникальному свойству избирательного запасания светосуммы этот термолюминофор успешно применяется для регистрации тяжелых заряженных частиц. Данный люминофор поэтому принят в качестве прототипа изобретения.
Целью изобретения является увеличение относительной чувствительности к тяжелым заряженным частицам α / γ -термолюминесцентного материала.
Это достигается тем, что термолюминесцентный материал содержит термолюминофор с шириной запрещенной зоны от 7 до 11,5 эВ и полупроводниковый элемент или полупроводниковое соединение с шириной запрещенной зоны от 0,18 до 2,7 эВ при следующем соотношении компонентов в вес.
Полупроводниковый элемент
или полупроводниковое
соединение 1-30
Термолюминофор Остальное.
Наличие полупроводникового соединения или полупроводникового элемента в термолюминесцентном материале приводит к увеличению α / γ -отношения. При этом имеет место ограничение по ширине запрещенной зоны (Еg) полупроводникового материала, поскольку при введении в термолюминофор более широкозонного полупроводникового материала, чем 2,7 эВ, например ZnS (Eg 3,56 эВ) или ZnO (Eg 3,44 эВ), положительный эффект практически отсутствует. Также не приводит к положительному эффекту использование в составе материалов узкозонных полупроводниковых материалов с узкозонными термолюминофорами. Например, InSb (Eg 0,18 эВ) в сочетании с термолюминофором CaS:Na, Bi (Eg 5 эВ) не приводит к положительному эффекту.
Работа с узкозонными полупроводниками с Еg < 0,18 эВ затруднительна, так как, например, известный полупроводниковый элемент α-Sn c Eg 0,08 эВ в процессе измерения термолюминесценции может плавиться, так как его температура плавления 305оС, а температура измерения 300-400оС. Более того, при 287 К (14оС) происходит превращение (α β)Sn (Справочник: Физико-химические свойства полупроводников, под ред. Новоселовой А.В. М. Наука, 1979).
Экспериментально установленный факт увеличения α / γ -отношения в термолюминесцентных материалах, содержащих термолюминофор с Еg 7-11,5 эВ и полупроводниковый материал с Еg 0,18-2,7 эВ, обосновывается следующим.
Большая длина пробега носителей ( > 1 мкм) в полупроводниковых материалах при облучении α-частицами обеспечивает полностью или частично дорекомбинационное рассасывание плазменного сгустка по объему термолюминесцентного материала. При этом рекомбинационное взаимодействие в термолюминофоре происходит в условиях "нормальной" плотности электронных возбуждений.
Таким образом, эффект увеличения α / γ -отношения предположительно объясняется тем, что α-частицы (или любое излучение с высокой ЛПЭ) поглощаются в полупроводниковом материале, рождаемые электроды вылетают из этого полупроводникового материала и поглощаются термолюминофором. Если энергия эмиттируемых электронов достаточна для ионизации термолюминофора, то запасание будет осуществляться с эффективностью, сравнимой с эффективностью запасания при облучении гамма-излучением.
Эксперименты с термолюминесцентными материалами, содержащими все доступные термолюминофоры (CaS:Na, Bi; LiF:Mg, Ti; CaF2:Tm; CaF2:Mn; CaSO4:Dy) и полупроводниковые элементы и соединения (Si; Ge; InSb; CdHgTe; In2O3; ZnS; ZnO), подтвердили, что α / γ-отношение существенно увеличивается во всех сочетаниях термолюминофоров с Еg ≥ 7 эВ и полупроводниковых материалов с Еg ≅2,7 эВ при содержании полупроводниковых материалов не менее 1 вес.
Таким образом, изобретение позволяет получить термолюминесцентные материалы широкого класса с увеличенным α / γ -отношением.
Ниже приведены примеры конкретной реализации заявляемого термолюминесцентного материала.
П р и м е р 1. Готовят смесь, содержащую 1,98 г термолюминофора на основе CaF2: Tm и 0,02 г InSb. Полный состав термолюминофора CaF2: 0,2% Tm, 0,001% Cd, 5%LiF. Смесь помещают в тигель, проводят термообработку в атмосфере аргона при температуре 700оС в течение 1 ч, охлаждают, размалывают в ступке и изготавливают образцы полученного термолюминесцентного материала таблетки прессованием под давлением 100 кг .см-2. Масса образца 100 мг, диаметр 10 мм.
Образцы полученного термолюминесцентного материала и образцы исходного термолюминофора, изготовленные аналогично, облучают последовательно α-излучением 239Pu и γ -излучением 137Cs.
Измеряют запасенные светосуммы облученных образцов на лабораторной установке, включающей нагревательное устройство с линейной скоростью нагрева 1оС. с-1, ФЭУ-18А и самопишущий потенциометр, и определяют α / γ -отношение в пиках при 150оС, ( α / γ )3, и при 240оС, ( α / γ )5, по формуле
α/γ где Sα Sγ светосуммы, запасенные при α- и γ-облучении (квант термолюминесценции);
Nα Nγ количество α-частиц и γ-квантов, поглощенных образцом;
Eα Eγ энергия α -частиц и γ-квантов, МэВ.
Получены следующие значения: для исходного термолюминофора ( α / γ )3 1,30; ( α / γ )5 2,24; для термолюминесцентного материала ( α / γ )3 2,73; ( α / γ )5 4,67.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 99% термолюминофора на основе CaF2: Tm (Eg 10,3 эВ) и 1% полупроводникового соединения InSb (Eg0,18 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 2,1 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 2. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора на основе CaF2:Tm и 0,20 г InSb. Состав термолюминофора, обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для этого термолюминесцентного материала: ( α / γ )3 5,29; ( α / γ )5 10,0.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора на основе CaF2: Tm и 10% полупроводникового соединения InSb, имеет увеличенное α / γ -отношение в 4-4,5 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 3. Готовят смесь, содержащую 1,40 г термолюминофора на основе CaF3:Tm и 0,60 г InSb. Состав термолюминофора, обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для этого термолюминесцентного материала: ( α / γ )3 9,36; ( α / γ )5 13,6.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 70% термолюминофора на основе CaF2: Tm и 30% полупроводникового соединения InSb, имеет увеличенное α / γ -отношение в 6,1-7,2 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 4. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора на основе CaF2: Tm и 0,20 г Cd0,3Hg0,7Te. Состав термолюминофора, обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1 (но термообработка при 500оС). Получены следующие значения для этого термолюминесцентного материала: ( α / γ )3 7,02; (α / γ )5 9,10. Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора на основе CaF2:Tm и 10% полупроводникового соединения Cd0,3Hg0,7Te (Eg 0,35 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 4,1-5,4 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 5. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора на основе CaF2:Tm и 0,20 г Si. Состав термолюминофора, обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для этого термолюминесцентного материала: ( α / γ ) 6,85; (α / γ ) 9,10.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора на основе CaF2: Tm и 10% полупроводникового элемента Si (Eg 1,1 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 4,1-5,2 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 6. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора на основе CaF2:Tm и 0,20 г Ge. Состав термолюминофора, обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для этого термолюминесцентного материала: ( α / γ )3 6,80; ( α / γ )5 8,90.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора на основе CaF2:Tm и 10% полупроводникового элемента Ge (Eg 0,67 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 4-5,2 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 7. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора на основе CaF2:Tm и 0,20 г In2O3. Состав термолюминофора, обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для этого термолюминесцентного материала: ( α / γ )3 3,20; ( α / γ )5 4,91. Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора на основе CaF2:Tm и 10% полупроводникового соединения In2O3 (Eg 2,7 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 2,2-2,5 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 8. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора на основе CaF2:Tm и 0,20 г Ge. Термолюминофор монокристалл, выращенный из фторида кальция, 1,5 мол. фторида марганца и 0,10 мол. фторида железа по способу, описанному в работе [2] Для изготовления смеси монокристалл предварительно размалывают. Обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для пика при 250оС: для исходного термолюминофора α / γ 0,90; для термолюминесцентного материала α / γ 7,40.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора на основе CaF2:Mn (Eg 10,3 эВ) и 10% полупроводникового элемента Ge (Eg 0,67 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 8,2 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 9. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора CaSO4:Dy и 0,20 г Ge. Термолюминофор CaSO4:Dy, имеющий наименование ТЛД-480/570, представляет собой порошковый термолюминофор, применяемый для изготовления таблетированных детекторов гамма-излучения.
Обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для пика при 210оС: для исходного термолюминофора α / γ 0,63, для термолюминесцентного материала: α / γ 3,11.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора CaSO4: Dy (Eg 7 эВ) и 10% полупроводникового элемента Ge (Eg 0,67 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 4,9 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 10. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора LiF:Mg, Ti и 0,20 г Cd0,3Hg0,7Te. Термолюминофор LiF:Mg, Ti промышленно выпускаемый термолюминофор ТЛД-400. Обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по значению для пика при 200оС:
для исходного термолюминофора α / γ= 0,97;
для термолюминесцентного материала α / γ 4,50.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора LiF:Mg, Ti (Eg 11,5 эВ) и 10% полупроводникового соединения Cd0,3Hg0,7Te (Eg0,35 эВ), имеет α / γ -отношение, увеличенное в 4,5 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 11. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора CaSO4: Dy и 0,20 г InSb. Обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для пика при 210оС: для исходного термолюминофора α / γ 0,63, для термолюминесцентного материала α / γ 2,42.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора CaSO4: Dy (Eg 7 эВ) и 10% полупроводникового соединения InSb (Eg 0,18 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 3,8 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 12. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора CaSO4: Dy и 0,20 г In2O3. Обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для пика при 210оС: для исходного термолюминофора α / γ 0,63, для термолюминесцентного материала α / γ 1,46.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора CaSO4: Dy (Eg 7 эВ) и 10% полупроводникового соединения In2O3 (Eg 2,7 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 2,3 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 13. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора LiF:Mg, Ti и 0,20 г InSb. Обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для пика при 200оС: для исходного термолюминофора α / γ 0,97, для термолюминесцентного материала α / γ 3,38.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора LiF:Mg, Ti (Eg 11,5 эВ) и 10% полупроводникового соединения InSb (Eg 0,18 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 3,5 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
П р и м е р 14. Готовят смесь, содержащую 1,80 г термолюминофора LiF:Mg, Ti и 0,20 г In2O3. Обработка смеси, изготовление образцов и определение α / γ -отношения по примеру 1. Получены следующие значения для пика при 200оС: для исходного термолюминофора α / γ 0,97, для термолюминесцентного материала α / γ=2,0.
Таким образом, термолюминесцентный материал, содержащий 90% термолюминофора LiF:Mg, Ti (Eg 11,5 эВ) и 10% полупроводникового соединения In2O3 (Eg 2,7 эВ), имеет увеличенное α / γ -отношение в 2 раза по сравнению с исходным термолюминофором.
Формула изобретения: 1. ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ на основе термолюминофора, отличающийся тем, что, с целью увеличения относительной чувствительности к тяжелым заряженным частицам α/γ , он дополнительно содержит полупроводниковый элемент или полупроводниковое соединение с шириной запрещенной зоны от 0,18 до 2,7 эВ при следующем соотношении компонентов, мас.
Полупроводниковый элемент или полупроводниковое соединение 1 30
Термолюминофор Остальное
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит термолюминофор с шириной запрещенной зоны от 7 до 11,5 эВ.