RU2717158C1

RU2717158C1 - INORGANIC POLYCRYSTALLINE SCINTILLATOR BASED ON Sc, Er:YAG AND A METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: RU2717158C1
Application number: RU2019119601A
Authority: RU
Inventors: Евгений Степанович Лукин; Нелля Александровна Попова; Андрей Анатольевич Лучков
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-03-18

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: present invention relates to the field of transparent ceramic materials with a yttrium-aluminum garnet structure doped with erbium and scandium ions of a cubic structure Er:YAG(Sc), having properties for use as luminescent scintillation materials, intended for scanning systems of medical high-speed computed tomography, x-ray units and gamma radiation plants. Initial solution of yttrium, aluminum, erbium and scandium chlorides is prepared, evaporated to concentrated state, sprayed in solution of settling agent – basic solution of aqueous ammonia to obtain precipitate – precursor. Filtered precipitate having a homogeneous composition of the cubic solid solution is dried and calcined at temperature in range from 800 to 1,000 °C, is pressed by isostatic compaction into compact of preset shape with density of 55 % of theoretical density. Further, obtained compact is sintered in vacuum at temperature of 1,700–1,750 °C, degree of vacuum of 10Pa.EFFECT: obtaining transparent ceramics with light transmission of up to 85 % and improved scintillation parameters: irradiation area 540–700 nm, light output 56–74 % relative to CsI:Tl, pulse duration 53–44 ns.4 cl, 5 dwg, 1 tbl, 3 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к области керамических материалов, а более конкретно, к улучшенным легированием редкоземельными элементами керамических люминесцентных сцинтилляционных материалов со структурой иттрий-алюминиевого граната, которые особенно полезны для использования в сканирующих системах медицинской высокоскоростной компьютерной томографии, при других рентгеновских излучениях, гамма-излучениях, а также для применения в целях обнаружения радиации.The present invention relates to the field of ceramic materials, and more specifically, to improved rare-earth alloying of ceramic luminescent scintillation materials with the structure of yttrium-aluminum garnet, which are especially useful for use in scanning systems of medical high-speed computer tomography, with other x-rays, gamma radiation, as well as for radiation detection purposes.

Уровень техникиState of the art

Твердотельные сцинтилляционные материалы уже давно используются в качестве детекторов излучения для обнаружения проникающего излучения, как рентгеновские счетчики. Такие детекторы совсем недавно, сыграли важную роль в компьютерной томографии, цифровой радиографии, при других рентгеновских излучениях, гамма-излучении, ультрафиолетовом излучении, а также для применения в целях обнаружения радиации. Решение задач обеспечения радиационной безопасности окружающей среды, ядерной медицины, рентгеновской компьютерной томографии и ряда других, связанных с развитием ядерного приборостроения и физики высоких энергий, требует расширения числа сцинтилляционных материалов. Применимость того или иного оксидного монокристаллического сцинтиллятора определяется совокупностью его люминесцентных, сцинтилляционных, оптических и физико-химических свойств. Перспективы развития физики высоких энергий и ядерной медицины расширяются в связи с разработками поликристаллических оксидных материалов, обладающих определенным световым выходом, короткими временами высвечивания и незначительным послесвечением. Условия эксплуатации сцинтилляторов в детекторах излучения высоких энергий требуют, прежде всего, значительной поглощающей способности и быстродействия. Для создания современных приборов, в которых бы сцинтиллятор сочетался с твердотельным фотодиодом, нижний предел области высвечивания кристалла должен находиться на уровне 650 нм. Для того чтобы извлечь весь люминесцентный свет, генерируемый в люминесцентном материале, люминесцентный материал должен быть прозрачным. В противном случае большая часть люминесцентного света не достигнет фоточувствительного детектора из-за рассеяния и поглощения в пределах люминесцентного материала. Для того чтобы соответствовать требованиям к сцинтиллятору материал должен иметь однородные оптические и люминесцентные свойства, и свойства источника поглощения излучения по всей его длине. Для получения активированных сцинтилляционных монокристаллов требуется растить исходные були, имеющие однородную концентрацию люминесцентного активатора, как в радиальном направлении, так и в продольном направлении були, поскольку люминесцентный выход зависит от локальной концентрации ионов активатора.Solid state scintillation materials have long been used as radiation detectors to detect penetrating radiation, like X-ray counters. Recently, such detectors have played an important role in computed tomography, digital radiography, other x-rays, gamma radiation, ultraviolet radiation, as well as for applications to detect radiation. Solving the problems of ensuring radiation safety of the environment, nuclear medicine, X-ray computed tomography, and a number of others, related to the development of nuclear instrument engineering and high-energy physics, requires an increase in the number of scintillation materials. The applicability of one or another oxide single-crystal scintillator is determined by the combination of its luminescent, scintillation, optical and physico-chemical properties. The prospects for the development of high-energy physics and nuclear medicine are expanding in connection with the development of polycrystalline oxide materials with a certain light output, short exposure times and insignificant afterglow. The operating conditions of scintillators in high-energy radiation detectors require, first of all, significant absorption capacity and speed. To create modern devices in which the scintillator is combined with a solid-state photodiode, the lower limit of the area of crystal emission should be at 650 nm. In order to extract all the luminescent light generated in the luminescent material, the luminescent material must be transparent. Otherwise, most of the luminescent light will not reach the photosensitive detector due to scattering and absorption within the luminescent material. In order to meet the requirements for the scintillator, the material must have uniform optical and luminescent properties, and the properties of the radiation absorption source along its entire length. To obtain activated scintillation single crystals, it is required to grow the initial boules, which have a uniform concentration of the luminescent activator, both in the radial direction and in the longitudinal direction of the boule, since the luminescent yield depends on the local concentration of activator ions.

Только два монокристаллических люминофора, как известно, используются в системах коммерческих преобразователей рентгеновского излучения - йодид цезия (CsI) и вольфрамат кадмия (CdWO₄). Сцинтилляторы на основе кристалла йодида цезия (CsI) обладают высокой сцинтилляционной эффективностью, однако имеют очень малую химическую устойчивость, растворяются в спирте и слабых неорганических кислотах. Кроме того, кристаллы йодида цезия (CsI) и вольфрамата кадмия (CdWO₄) высвечиваются в ответ на рентгеновскую стимуляцию от 0,3 до 1,2 мкс. Поликристаллическая альтернатива йодистого цезия и вольфрамата кадмия описана в заявках на изобретения US 4421671, 4466929; 4466930; 4473413; 4518545; 4518546; 4525628; 4571312; 4747973 и 4783596. Твердотельные сцинтилляционные материалы, описанные в этих заявках, представляют собой кубический иттрий-гадолиниевый оксид и иттрий - алюминиевый фанат с добавками различных редкоземельных элементов, чтобы обеспечить сцинтилляционный материал, требуемыми люминесцентными свойствами. Этот поликристаллический материал имеет существенное преимущество по сравнению с йодидом цезия и вольфраматом кадмия: отсутствие радиационных повреждений и гистерезиса. Однако, недостатком сцинтилляционных композиций, обладающих кубической сингонией является достаточно низкое послесвечение до 0,5 мкс, а этого недостаточно, чтобы удовлетворить требования к системе сканирования высокого качества. Кроме того, этот поликристаллический материал имеет первичное время затухания порядка 1000 мкс - не такое быстрое, как требуется для существующих систем сканирования.Only two single-crystal phosphors are known to be used in systems of commercial X-ray converters - cesium iodide (CsI) and cadmium tungstate (CdWO ₄ ). Scintillators based on cesium iodide crystal (CsI) have high scintillation efficiency, however, they have very low chemical stability, are soluble in alcohol and weak inorganic acids. In addition, crystals of cesium iodide (CsI) and cadmium tungstate (CdWO ₄ ) are highlighted in response to x-ray stimulation from 0.3 to 1.2 μs. A polycrystalline alternative to cesium iodide and cadmium tungstate is described in patent applications US 4421671, 4466929; 4,466,930; 4,473,413; 4,518,545; 4,518,546; 4,525,628; 4,571,312; 4747973 and 4783596. The solid state scintillation materials described in these applications are cubic yttrium-gadolinium oxide and yttrium is an aluminum fan with additives of various rare earth elements to provide the scintillation material with the required luminescent properties. This polycrystalline material has a significant advantage compared with cesium iodide and cadmium tungstate: the absence of radiation damage and hysteresis. However, the disadvantage of scintillation compositions with cubic syngony is a sufficiently low afterglow of up to 0.5 μs, and this is not enough to satisfy the requirements for a high-quality scanning system. In addition, this polycrystalline material has a primary decay time of the order of 1000 μs - not as fast as required for existing scanning systems.

В заявке на изобретение DE 3704813 А1 описывается монокристаллический сцинтиллятор Gd_3-X Ce_X Al_5-Y Sc_Y О₁₂ (Х=0,05-0,2; Y=0,5-2,5), полученный путем распылительной сушки раствора сульфата исходных компонентов, прокаливания высушенного сульфата, смешивания оксидов, с последующим прессованием, спеканием, плавкой и вытягиванием монокристалла в высоком вакууме. Спектр для люминесцентного выхода этого материала содержит пик в районе 560 нм. Существенным недостатком монокристаллического сцинтиллятора Gd_3-X Ce_X Al_5-Y Sc_Y О₁₂ (Х=0,05-0,2; Y=0,5-2,5), является низкий световой выход быстрого свечения кристалла: 10% от такового для наиболее широко используемого сцинтиллятора CsI:Tl, при коротком времени высвечивания 65- 100 не.DE 3704813 A1 discloses a single crystal scintillator Gd _3-X Ce _X Al _5-Y Sc _Y O ₁₂ (X = 0.05-0.2; Y = 0.5-2.5) obtained by spray drying a solution of sulfate of the starting components, calcining the dried sulfate, mixing the oxides, followed by pressing, sintering, melting and drawing a single crystal in high vacuum. The spectrum for the luminescent yield of this material contains a peak in the region of 560 nm. A significant drawback of the Gd _3-X Ce _X Al _5-Y Sc _Y O ₁₂ single-crystal scintillator (X = 0.05-0.2; Y = 0.5-2.5) is the low light output of the crystal's fast glow: 10% from that for the most widely used CsI: Tl scintillator, with a short emission time of 65-100 ns.

Наиболее близким к заявляемому изобретению и выбранный в качестве прототипа, является способ получения прозрачной керамики на основе галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), галлий-скандий-гадолиниевого граната (ГСП) и иттрий-алюминиевого граната (ИАГ), легированного ионами редкоземельных металлов Cr³⁺, Се³⁺, Nd³⁺ и сцинтиллятор на основе этой керамики (Патент US 5484750 A1 GENERAL ELECTRIC COMPANY 16.01.1996). Известный способ получения прозрачной керамики на основе кубических структур граната заключается в смешивании исходного раствора солей хлоридов желаемых катионов с водным раствором гидроксида аммония с получением осадка, имеющего однородную композицию. Этот осадок отделяют от раствора, сушат, термически разлагают при температуре в диапазоне от 700 до 1000°С, прессуют изостатическим прессованием в полуфабрикат с плотностью 45% от теоретической плотности. Далее полученный полуфабрикат спекают в атмосфере кислорода при температуре от 1400 до 1700°С, затем спекают горячим изостатическим прессованием при высоком давлении и температуре 1400-1600°С, для получения желаемого светопропускания (до 78%). Основные сцинтилляционные параметры керамики на основе кубических структур граната, полученной по данному способу, составляют: световой выход 16-36% относительно светового выхода CsI:Tl (С_отн); при этом время высвечивания 82-95 нс.Closest to the claimed invention and selected as a prototype, is a method for producing transparent ceramics based on gallium-gadolinium garnet (GGG), gallium-scandium-gadolinium garnet (GSP) and yttrium-aluminum garnet (YAG) doped with rare earth ions Cr ^{3 +} , Ce ³⁺ , Nd ³⁺ and a scintillator based on this ceramic (Patent US 5484750 A1 GENERAL ELECTRIC COMPANY 01/16/1996). A known method for producing transparent ceramics based on cubic structures of pomegranate is to mix the initial solution of chloride salts of the desired cations with an aqueous solution of ammonium hydroxide to obtain a precipitate having a uniform composition. This precipitate is separated from the solution, dried, thermally decomposed at a temperature in the range from 700 to 1000 ° C, pressed by isostatic pressing into a semi-finished product with a density of 45% of theoretical density. Next, the resulting semi-finished product is sintered in an oxygen atmosphere at a temperature of from 1400 to 1700 ° C, then sintered by hot isostatic pressing at high pressure and a temperature of 1400-1600 ° C, to obtain the desired light transmission (up to 78%). The main scintillation parameters of ceramics based on cubic garnet structures obtained by this method are: light output 16-36% relative to the light output CsI: Tl (C _rel ); the luminescence time is 82-95 ns.

Недостатком данного способа является сложность процесса изготовления, связанная с необходимостью проведения двух операций спекания в атмосфере кислорода при температуре 1700°С, и горячего изостатического при высоком давлении и температуре 1600°С, а также низкий световой выход быстрого свечения керамики: 16% от такового для наиболее широко используемого сцинтиллятора CsI:Tl. Также, использование в качестве легирующих ионов переходных металлов Cr^3+, Се³⁺ не позволяет получить сцинтиллятор на основе иттрий-алюминиевого граната с высоким световым выходом - по прототипу 39-43%.The disadvantage of this method is the complexity of the manufacturing process associated with the need for two operations of sintering in oxygen atmosphere at a temperature of 1700 ° C, and hot isostatic at high pressure and a temperature of 1600 ° C, as well as low light output of fast luminescence of ceramics: 16% of that for the most widely used CsI scintillator: Tl. Also, the use of Cr ^3+, Се ³⁺ as transition metal alloying ions does not allow obtaining a scintillator based on yttrium-aluminum garnet with high light output - according to the prototype 39-43%.

Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention

Целью настоящего изобретения является создание керамического сцинтилляционного материала для детекторов ионизирующего излучения на основе активированного иттрий-алюминиевого граната, высвечивающего в интервале длин волн 550-700 нм, имеющего короткие времена люминесценций и высокий световой выход, а также способ получения такого материала в виде прозрачной керамики со светопропусканием в диапазоне длин волн 400-1100 нм до 85%.The aim of the present invention is to provide a ceramic scintillation material for ionizing radiation detectors based on activated yttrium-aluminum garnet, illuminating in the wavelength range 550-700 nm, having short luminescence times and high light output, as well as a method for producing such a material in the form of a transparent ceramic light transmission in the wavelength range of 400-1100 nm to 85%.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, заключается в создании сцинтилляционного материала на основе поликристаллического иттрий-алюминиевого граната (Y₃Al₅O₁₂), легированного ионами эрбия (0,5 ат. % по отношению к атому иттрия), содержащего в качестве активирующей добавки скандий трехвалентный в количестве 10,0-20,0 ат. %, с улучшенными сцинтилляционными параметрами. Область высвечивания 550-650 нм; световой выход 45-74% относительно CsI:Tl; время высвечивания 55-60 нс. В качестве активирующей добавки для поликристаллического иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия Er:ИАГ используют Sc^3+, который ранее в этом качестве для сцинтилляторов на основе Er:ИАГ не применялся.The technical problem solved by the present invention is to create a scintillation material based on polycrystalline yttrium-aluminum garnet (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ) doped with erbium ions (0.5 at.% With respect to the yttrium atom), containing as activating trivalent scandium additives in an amount of 10.0-20.0 at. %, with improved scintillation parameters. Illumination area 550-650 nm; light output 45-74% relative to CsI: Tl; flashing time 55-60 ns. As an activating additive for polycrystalline yttrium aluminum garnet doped with Er: YAG ions, Sc ^{3+ is used,} which was not previously used for Er: YAG scintillators in this quality.

Указанный технический результат достигается за счет того, что сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующих излучений, состоящий из поликристаллического иттрий-алюминиевого граната, легированный Ег³⁺, содержит активирующую добавку оксида скандия в количестве 10,0-20,0 ат. %, с образованием твердых растворов в соответствии с общей формулой: Y_3-n-0,4mEr_nSc_m Al_5-0,6m О₁₂ (n=0,015; m=0,3-0,6); способ получения, включающий растворение исходных катионов в виде хлоридов в горячей деонизированной воде, упаривают до концетрированного состояния и далее с использованием гетерофазного метода соосаждения через распыление в осадитель. Осадитель получают следующим образом. Предварительно готовят раствор в деионизированной воде углеаммонийных солей 25% концентрации при 25°С. Затем полученный раствор углеаммонийных солей 25% концентрации смешивают с 25% раствором гидроксида аммония в объемном соотношении 1:1. При осаждении используют 100% избыток осадителя по отношению к стехиометрическому количеству катионов в растворе из хлоридов, проводят синтез порошка прекурсора заданного состава. В результате чего получают порошок прекурсора фазово-чистый представленный кубическим твердым раствором иттрий-алюминиевого граната изоморфно-замещенным оксидами эрбия и скандия в форме округлых сферических частиц. После синтеза полученный порошок нагревают на воздухе до температуры 1000°С для термического разложения, затем измельчают в среде этанола в присутствии пластификатора, такого как поливиниловый спирт, с последующей сушкой и получением гранул. После гранулирования порошок формуют изостатическим прессованием при давлении до 200 МПа для получения образцов с относительной плотностью 55%, затем термообрабатывают в среде инертного газа при температуре 800°С в течение 4 часов, с последующим вакуумным спеканием при температуре 1700-1750°С в течение 15 часов. После вакуумного спекания образцы подвергают термическому отжигу на воздухе при температуре 1400°С в течение 5 часов, с целью преобразования ионов Er²⁺ в Er³⁺ и восполнения дефицита кислорода. После отжига образцы механически шлифуют до толщины 1,5 мм и полируют алмазными пастами. Керамика Er:ИАГ(Sc), полученная таким образом, является оптически прозрачным материалом с кубической структурой, с плотностью 99,99% от теоретической и светопропусканием в видимой области спектра 85%. Основные сцинтилляционные параметры составляют: область высвечивания 540-700 нм с двумя максимумами 557 нм и 680 нм; световой выход 56-74% относительно CsI(Tl); длительность сцинтилляционного импульса 53-44 не.The specified technical result is achieved due to the fact that the scintillation material for detecting ionizing radiation, consisting of polycrystalline yttrium-aluminum garnet doped with Er ³⁺ , contains an activating additive of scandium oxide in the amount of 10.0-20.0 at. %, with the formation of solid solutions in accordance with the general formula: Y _3-n-0.4m Er _n Sc _m Al _5-0.6m O ₁₂ (n = 0.015; m = 0.3-0.6); The production method, including dissolving the starting cations in the form of chlorides in hot deionized water, is evaporated to a concentrated state and then using the heterophase coprecipitation method by spraying into a precipitator. The precipitant is prepared as follows. A solution of carbon ammonium salts in 25% concentration at 25 ° C is preliminarily prepared. Then the resulting solution of carbon ammonium salts of 25% concentration is mixed with a 25% solution of ammonium hydroxide in a volume ratio of 1: 1. During precipitation, a 100% excess of precipitant is used with respect to the stoichiometric amount of cations in the solution from the chlorides, and a precursor powder of a given composition is synthesized. As a result, a precursor powder is obtained that is phase-pure, represented by a cubic solid solution of yttrium-aluminum garnet isomorphically substituted with erbium and scandium oxides in the form of rounded spherical particles. After synthesis, the resulting powder is heated in air to a temperature of 1000 ° C for thermal decomposition, then it is ground in ethanol in the presence of a plasticizer, such as polyvinyl alcohol, followed by drying to obtain granules. After granulation, the powder is formed by isostatic pressing at pressures up to 200 MPa to obtain samples with a relative density of 55%, then it is heat treated in an inert gas at 800 ° C for 4 hours, followed by vacuum sintering at a temperature of 1700-1750 ° C for 15 hours. After vacuum sintering, the samples are subjected to thermal annealing in air at a temperature of 1400 ° C for 5 hours in order to convert Er ^{2+ ions} to Er ³⁺ and to fill the oxygen deficiency. After annealing, the samples are mechanically ground to a thickness of 1.5 mm and polished with diamond pastes. Er: YAG (Sc) ceramics, thus obtained, is an optically transparent material with a cubic structure, with a density of 99.99% of theoretical and a transmittance of 85% in the visible spectrum. The main scintillation parameters are: the area of emission 540-700 nm with two maxima 557 nm and 680 nm; light output 56-74% relative to CsI (Tl); the duration of the scintillation pulse is 53-44 nsec.

Заявляемый интервал активирующей добавки Sc³⁺ 10,0-20,0 ат. %. обусловлен тем, что при концентрации, меньшей 10,0 ат. % резко снижается световой выход керамики (до 7-5%), а при концентрации, большей 20,0 ат. % не наблюдается дальнейшее нарастание светового выхода, в связи, с чем увеличение концентрации Sc³⁺ становится нецелесообразным.The inventive interval activating additives Sc ³⁺ 10,0-20,0 at. % due to the fact that at a concentration less than 10.0 at. % sharply decreases the light output of ceramics (up to 7-5%), and at a concentration greater than 20.0 at. % no further increase in the light output is observed, and therefore, an increase in the concentration of Sc ³⁺ becomes impractical.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Класс сцинтилляционных материалов основан на активированной люминесценции кубических кристаллов гранатов. Гранаты представляют собой класс материалов с химической формулой А₃В₅О₁₂. Кристаллическая структура кубическая, 160 ионов в элементарной ячейке, содержащей восемь формульных единиц. В соответствии с настоящим изобретением, катионы А являются ионом иттрия или в комбинациях с редкоземельными ионами активаторами. Катионы В являются ионами алюминия или, в комбинации и/или с заменами другими ионами активаторами. В частности, мы обнаружили, что с ионами-активаторами, расположенными в восьмерной координации или шестерной координации, иттрий-алюминиевый гранат является люминесцентным в ответ на рентгеновскую стимуляцию. Особенно важным рентгенолюминесцентным ионом-активатором является Sc³⁺, который находится в шести согласованных участках.The class of scintillation materials is based on activated luminescence of cubic garnet crystals. Grenades are a class of materials with the chemical formula A ₃ B ₅ O ₁₂ . The crystalline structure is cubic, 160 ions in a unit cell containing eight formula units. In accordance with the present invention, cations A are yttrium ion or activators in combination with rare earth ions. Cations B are aluminum ions or, in combination and / or with substitutions of other ions with activators. In particular, we found that with activator ions arranged in eighth coordination or sixth coordination, yttrium-aluminum garnet is luminescent in response to x-ray stimulation. A particularly important X-ray activator ion is Sc ³⁺ , which is located in six coordinated regions.

Люминесцентные свойства Sc³⁺ в иттрий-алюминиевом гранате, легированном ионами эрбия Er³⁺ характерны при расположении Sc³⁺ иона в узлах решетки, где поле кристалла является относительно сильным.The luminescent properties of Sc ³⁺ in yttrium-aluminum garnet doped with Er ³⁺ erbium ions are characteristic when the Sc ³⁺ ion is located at the lattice sites, where the crystal field is relatively strong.

В соответствии с настоящим изобретением процесс изготовления поликристаллического иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами Er³⁺ (0,015 моль % в пересчете на оксид эрбия), содержащий активирующую добавку оксида скандия в количестве 10-20 ат. %, осуществляют следующим образом. Исходный раствор желаемых катионов заданного состава формируют путем растворения хлоридов иттрия, алюминия, эрбия и скандия в деионизированной воде при нагревании и упаривают до концентрированного состояния. Затем горячий концентрированный раствор хлоридов катионов распыляют в осадитель. При контакте между двумя растворами мгновенно образуется осадок из малых сферических частиц, которые присутствуют в виде коллоидной суспензии осадка. Далее осадок декантируют в деонизированной воде. Процесс декантирования удаляет избыток гидроксида аммония и углекислого аммония и продуктов реакции, в виде хлорида аммония из осадка. Затем осадок отделяют от промывного раствора путем фильтрации. Осадок сушат при температуре 90-110°С методом вакуумной сушки в течении 2 часов. Высушенный осадок прокаливают на воздухе при температуре 1000°С в течение 2 часов для термического разложения и образования кристаллической структуры кубического твердого раствора на основе иттрий-алюминиевого граната.In accordance with the present invention, the manufacturing process of a polycrystalline yttrium-aluminum garnet doped with Er ³⁺ ions (0.015 mol% in terms of erbium oxide) containing an activating additive of scandium oxide in an amount of 10-20 at. %, carried out as follows. An initial solution of the desired cations of a given composition is formed by dissolving the yttrium, aluminum, erbium and scandium chlorides in deionized water with heating and evaporated to a concentrated state. Then a hot concentrated solution of cation chloride is sprayed into the precipitant. Upon contact between the two solutions, a precipitate instantly forms from small spherical particles, which are present in the form of a colloidal suspension of the precipitate. Next, the precipitate is decanted in deionized water. The decantation process removes excess ammonium hydroxide and ammonium carbonate and reaction products, in the form of ammonium chloride, from the precipitate. Then the precipitate is separated from the wash solution by filtration. The precipitate is dried at a temperature of 90-110 ° C by vacuum drying for 2 hours. The dried precipitate is calcined in air at a temperature of 1000 ° C for 2 hours for thermal decomposition and the formation of the crystalline structure of a cubic solid solution based on yttrium-aluminum garnet.

Удельная площадь поверхности полученных порошков со структурой граната была измерена методом абсорбции азота по методу БЭТ, и варьировалась от 8 до 20 м²/г. Размеры кристаллитов со структурой граната, измеренные при помощи растровой электронной микроскопии, составили от 110 до 65 нм. Полученный после термического разложения порошок измельчают на планетарной мельнице с использованием диоксида циркония в качестве мелющей оснастки и жидкой среды в виде этанола в присутствии пластификатора: поливиниловый спирт в количестве 4,0 масс. % от массы порошка. Измельчение на планетарной мельнице проводят в течение 60 минут. После измельчения, порошок сушат с последующей грануляцией методом распылительной сушки, температура в распылительной сушилке на входе составляет порядка 90-110°С. Полученные порошки формуют изостатическим прессованием при давлении до 200 МПа для получения компактов заданной формы с относительной плотностью 55%. После холодного изостатического прессования отформованные образцы термообрабатывают в среде инертного газа при температуре 800°С, со скоростью нагрева 1°С/мин, время выдержки 4 часа. Далее компакты спекают в вакууме. Температура спекания 1700-1750°С, время выдержки составляет 15 часов, степень вакуума 10^-5Па. Образцы керамики после вакуумного спекания отжигают на воздухе, нагревая до 1400°С со скоростью нагрева 1°С/мин, время выдержки 5 часов, охлаждают до 600°С со скоростью 3°С/мин, далее с печью. После спекания в вакууме получают керамические образцы, которые подвергают термическому отжигу на воздухе при температуре 1400°С в течение 5 часов.The specific surface area of the obtained powders with a garnet structure was measured by the nitrogen absorption method according to the BET method, and varied from 8 to 20 m ² / g. The sizes of crystallites with a garnet structure, measured using scanning electron microscopy, ranged from 110 to 65 nm. The powder obtained after thermal decomposition is crushed in a planetary mill using zirconia as a grinding tool and a liquid medium in the form of ethanol in the presence of a plasticizer: polyvinyl alcohol in an amount of 4.0 wt. % by weight of powder. Grinding in a planetary mill is carried out for 60 minutes. After grinding, the powder is dried, followed by granulation by spray drying, the temperature in the spray dryer at the inlet is about 90-110 ° C. The resulting powders are formed by isostatic pressing at pressures up to 200 MPa to obtain compacts of a given shape with a relative density of 55%. After cold isostatic pressing, the formed samples are heat treated in an inert gas at a temperature of 800 ° C, with a heating rate of 1 ° C / min, the exposure time is 4 hours. Then the compacts are sintered in a vacuum. The sintering temperature of 1700-1750 ° C, the exposure time is 15 hours, the degree of vacuum is 10 ^-5 Pa. After vacuum sintering, ceramic samples are annealed in air, heated to 1400 ° C with a heating rate of 1 ° C / min, the exposure time is 5 hours, cooled to 600 ° C at a speed of 3 ° C / min, then with a furnace. After sintering in vacuum, ceramic samples are obtained which are subjected to thermal annealing in air at a temperature of 1400 ° C for 5 hours.

Краткое описание прилагаемых иллюстрацийBrief description of the attached illustrations

Фиг. 1 - Микрофотография образца (по примеру 1) состава Y_2,76Er_0,015Sc_0,6Al_4,625O₁₂.FIG. 1 - Micrograph of a sample (according to example 1) of composition Y _2.76 Er _0.015 Sc _0.6 Al _4.625 O ₁₂ .

Фиг.2 - Спектральная кривая светопропускания керамики Er:ИАГ(Sc), содержание эрбия (Er³⁺) 0,5 ат. %, скандия (Sc³⁺) 20,0 ат. %.Figure 2 - Spectral light transmission curve of ceramics Er: YAG (Sc), erbium content (Er ³⁺ ) 0.5 at. %, scandium (Sc ³⁺ ) 20.0 at. %

Фиг. 3 - Спектр люминесценции образца керамики Er:ИАГ(Sc), содержание эрбия (Er³⁺) 0,5 ат. %, скандия (Sc³⁺) 20,0 ат. %. Здесь проявляется характерная серия полос в области 540-700 нм, наиболее интенсивными линиями, которой являются полосы на 557 и 680 нм.FIG. 3 - Luminescence spectrum of a ceramic sample Er: YAG (Sc), erbium content (Er ³⁺ ) 0.5 at. %, scandium (Sc ³⁺ ) 20.0 at. % Here a characteristic series of bands appears in the region of 540–700 nm, the most intense lines, which are the bands at 557 and 680 nm.

Фиг. 4 - Микрофотография образца (по примеру 2) состава Y_2,813Er_0,015Sc_0,45Al_4,719O₁₂.FIG. 4 - Micrograph of a sample (according to example 2) of composition Y _2.813 Er _0.015 Sc _0.45 Al _4.719 O ₁₂ .

Фиг. 5 - Микрофотография образца (по примеру 3) состава Y_2,873Er_0,015Sc_0,3Al_4,813O₁₂.FIG. 5 - Micrograph of a sample (according to example 3) of the composition Y _2.873 Er _0.015 Sc _0.3 Al _4.813 O ₁₂ .

В таблице 1 (см. в конце описания) представлены основные характеристики сцинтилляторов изготовленных по прототипу и предлагаемого материала, способы получения которого иллюстрируются следующими примерами (В таблице приведены данные для примеров 1 и 3).Table 1 (see the end of the description) presents the main characteristics of scintillators made according to the prototype and the proposed material, the methods for which are illustrated by the following examples (the table shows the data for examples 1 and 3).

Пример 1. Готовят исходный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, эрбия и скандия заданного состава, исходя из формулы композиции Y_2,76Er_0,015Sc_0,6Al_4,625O₁₂, путем растворения хлоридов в деионизированной воде при нагревании и упаривают до концентрированного состояния. Затем горячий концентрированный раствор хлоридов распыляют в раствор осадителя. Осадитель получают следующим образом. Предварительно готовят раствор в деионизированной воде углеаммонийных солей 25% концентрации при 25°С. Затем полученный раствор углеаммонийных солей 25% концентрации смешивают с 25% раствором гидроксида аммония в объемном соотношении 1:1. При осаждении используют 100% избыток осадителя по отношению к стехиометрическому количеству катионов в растворе из хлоридов. При контакте между раствором из хлоридов иттрия, алюминия, эрбия и скандия и осадителя мгновенно образуется осадок из малых сферических частиц, которые присутствуют в виде коллоидной суспензии осадка в маточном растворе. Далее осадок декантируют в деонизированной воде. Процесс декантирования удаляет избыток гидроксида аммония и карбоната аммония и продуктов реакции: хлорид аммония из осадка. Затем осадок отделяют от промывного раствора путем фильтрации. Осадок сушат при температуре около 100°С методом вакуумной сушки в течении 2 часов. Исследования полученного прекурсора методом абсорбции азота по методу БЭТ показали, что образцы имеют удельную поверхность, равную 3,741 м2/г. Высушенный осадок прокаливают на воздухе при температуре 1000°С в течение 2 часов для термического разложения и образования кристаллической структуры кубического твердого раствора со структурой граната. Удельная площадь поверхности полученных порошков со структурой граната была измерена методом абсорбции азота по методу БЭТ, и варьировалась от 8 до 20 м2/г. Размеры кристаллитов со структурой граната, измеренные при помощи растровой электронной микроскопии, составили от 110 до 65 нм. Полученный после термического разложения порошок измельчают на планетарной мельнице с использованием диоксида циркония в качестве мелющей оснастки и жидкой среды в виде этанола в присутствии пластификатора: поливиниловый спирт в количестве 4,0 масс. % от массы порошка. Измельчение на планетарной мельнице проводят в течение 60 минут. После измельчения, порошки сушат с последующей грануляцией методом распылительной сушки, температура в распылительной сушилке на входе составляет порядка 90-110°С. Полученные порошки формуют изостатическим прессованием при давлении до 200 МПа для получения компактов заданной формы с относительной плотностью 55%. После холодного изостатического прессования отформованные образцы термообрабатывают в среде инертного газа при температуре 800°С, со скоростью нагрева 1°С/мин, время выдержки 4 часа. Далее компакты спекают в вакууме. Композицию Y_2,76Er_0,015Sc_0,6Al_4,625O₁₂, спекают в вакууме при температуре 1700°С в течение 15 часов. Относительная плотность керамического материала >99,99%. Содержание Sc³⁺ - 20,0 ат. %, средний размер зерна 3,0 мкм.Example 1. Prepare an initial solution of yttrium, aluminum, erbium and scandium chlorides of a given composition, based on the composition formula Y _2.76 Er _0.015 Sc _0.6 Al _4.625 O ₁₂ , by dissolving the chlorides in deionized water by heating and evaporated to a concentrated state . The hot concentrated chloride solution is then sprayed into the precipitator solution. The precipitant is prepared as follows. A solution of carbon ammonium salts in 25% concentration at 25 ° C is preliminarily prepared. Then the resulting solution of carbon ammonium salts of 25% concentration is mixed with a 25% solution of ammonium hydroxide in a volume ratio of 1: 1. During precipitation, a 100% excess of precipitant is used with respect to the stoichiometric amount of cations in the chloride solution. Upon contact between a solution of yttrium, aluminum, erbium, and scandium chlorides and a precipitant, a precipitate instantly forms from small spherical particles, which are present as a colloidal suspension of the precipitate in the mother liquor. Next, the precipitate is decanted in deionized water. The decantation process removes excess ammonium hydroxide and ammonium carbonate and reaction products: ammonium chloride from the precipitate. Then the precipitate is separated from the wash solution by filtration. The precipitate is dried at a temperature of about 100 ° C by vacuum drying for 2 hours. Studies of the obtained precursor by the method of nitrogen absorption by the BET method showed that the samples have a specific surface area of 3.741 m2 / g. The dried precipitate is calcined in air at a temperature of 1000 ° C for 2 hours for thermal decomposition and the formation of the crystalline structure of a cubic solid solution with a garnet structure. The specific surface area of the obtained powders with the garnet structure was measured by the nitrogen absorption method by the BET method, and varied from 8 to 20 m2 / g. The sizes of crystallites with a garnet structure, measured using scanning electron microscopy, ranged from 110 to 65 nm. The powder obtained after thermal decomposition is crushed in a planetary mill using zirconia as a grinding tool and a liquid medium in the form of ethanol in the presence of a plasticizer: polyvinyl alcohol in an amount of 4.0 wt. % by weight of powder. Grinding in a planetary mill is carried out for 60 minutes. After grinding, the powders are dried, followed by granulation by spray drying, the temperature in the spray dryer at the inlet is about 90-110 ° C. The resulting powders are formed by isostatic pressing at pressures up to 200 MPa to obtain compacts of a given shape with a relative density of 55%. After cold isostatic pressing, the formed samples are heat treated in an inert gas at a temperature of 800 ° C, with a heating rate of 1 ° C / min, the exposure time is 4 hours. Then the compacts are sintered in a vacuum. The composition of Y _2.76 Er _0.015 Sc _0.6 Al _4.625 O ₁₂ , sintered in vacuum at a temperature of 1700 ° C for 15 hours. The relative density of the ceramic material is> 99.99%. The content of Sc ³⁺ is 20.0 at. %, average grain size of 3.0 microns.

Вид и структура образца керамики показана на фиг. 1. После спекания в вакууме получают керамические образцы, которые подвергают термическому отжигу на воздухе при температуре 1400°С в течение 5 часов.The type and structure of the ceramic sample is shown in FIG. 1. After sintering in vacuum, ceramic samples are obtained which are subjected to thermal annealing in air at a temperature of 1400 ° C for 5 hours.

Основные сцинтилляционные параметры представлены в таблице 1. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела следующие характеристики: светопропускание 85% (фиг.2), на спектре люминесценции (фиг.3) проявляется характерная серия полос в области 540-700 нм, наиболее интенсивными линиями, которой являются полосы на 557 и 680 нм.The main scintillation parameters are presented in Table 1. The optical ceramics obtained from this precursor had the following characteristics: light transmission of 85% (Fig. 2), a characteristic series of bands in the region of 540-700 nm, the most intense lines, appear in the luminescence spectrum (Fig. 3), which are the bands at 557 and 680 nm.

Пример 2. Готовят исходный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, эрбия и скандия заданного состава, исходя из формулы композиции Y_2,813Er_0,015Sc_0,45Al_4,719O₁₂, путем растворения хлоридов в деионизированной воде при нагревании и упаривают до концентрированного состояния. Затем горячий концентрированный раствор хлоридов распыляют в раствор осадителя. Осадитель получают следующим образом. Предварительно готовят раствор в деионизированной воде углеаммонийных солей 25% концентрации при 25°С. Затем полученный раствор углеаммонийных солей 25% концентрации смешивают с 25% раствором гидроксида аммония в объемном соотношении 1:1. При осаждении используют 100% избыток осадителя по отношению к стехиометрическому количеству катионов в растворе из хлоридов. При контакте между раствором из хлоридов иттрия, алюминия, эрбия, скандия и осадителя мгновенно образуется осадок из малых сферических частиц, которые присутствуют в виде коллоидной суспензии осадка в маточном растворе. Далее осадок декантируют в деонизированной воде. Процесс декантирования удаляет избыток гидроксида аммония и карбоната аммония и продуктов реакции: хлорид аммония из осадка. Затем осадок отделяют от промывного раствора путем фильтрации. Осадок сушат при температуре около 100°С методом вакуумной сушки в течении 2 часов. Исследования полученного прекурсора методом абсорбции азота по методу БЭТ показали, что образцы имеют поверхность, равную 3,741 м2/г. Высушенный осадок прокаливают на воздухе при температуре 1000°С в течение 2 часов для термического разложения и образования кристаллической структуры кубического твердого раствора со структурой граната. Удельная площадь поверхности полученных порошков со структурой граната была измерена методом абсорбции азота по методу БЭТ и варьировалась от 8 до 20 м2/г. Размеры кристаллитов со структурой граната, измеренные при помощи растровой электронной микроскопии, составили от 110 нм до 65 нм. Полученный после термического разложения порошок измельчают на планетарной мельнице с использованием диоксида циркония в качестве мелющей оснастки и жидкой среды в виде этанола в присутствии пластификатора: поливиниловый спирт, в количестве 4,0 масс. % от массы порошка. Измельчение на планетарной мельнице проводят в течение 60 минут. После измельчения, порошки сушат с последующей грануляцией методом распылительной сушки, температура в распылительной сушилке на входе составляет порядка 90-110°С. Полученные порошки формуют изостатическим прессованием при давлении до 200 МПа для получения компактов заданной формы с относительной плотностью 55%. После холодного изостатического прессования отформованные образцы термообрабатывают на воздухе, в среде инертного газа при температуре 800°С, со скоростью нагрева 1°С/мин, время выдержки 4 часа. Далее компакты спекают в вакууме. Композицию Y_2,813Er_0,015Sc_0,45Al_4,719O₁₂, спекают в вакууме при температуре 1700°С в течение 15 часов. Относительная плотность керамического материала >99,99%. Содержание Sc³⁺ - 15,0 ат. %, средний размер зерна 4,0 мкм.Example 2. An initial solution is prepared from yttrium, aluminum, erbium and scandium chlorides of a given composition, based on the composition formula Y _2.813 Er _0.015 Sc _0.45 Al _4.719 O ₁₂ , by dissolving the chlorides in deionized water by heating and evaporated to a concentrated state. The hot concentrated chloride solution is then sprayed into the precipitator solution. The precipitant is prepared as follows. A solution of carbon ammonium salts in 25% concentration at 25 ° C is preliminarily prepared. Then the resulting solution of carbon ammonium salts of 25% concentration is mixed with a 25% solution of ammonium hydroxide in a volume ratio of 1: 1. During precipitation, a 100% excess of precipitant is used with respect to the stoichiometric amount of cations in the chloride solution. Upon contact between a solution of yttrium, aluminum, erbium, scandium, and precipitant chlorides, a precipitate is formed from small spherical particles, which are present in the form of a colloidal suspension of the precipitate in the mother liquor. Next, the precipitate is decanted in deionized water. The decantation process removes excess ammonium hydroxide and ammonium carbonate and reaction products: ammonium chloride from the precipitate. Then the precipitate is separated from the wash solution by filtration. The precipitate is dried at a temperature of about 100 ° C by vacuum drying for 2 hours. Studies of the obtained precursor by the method of nitrogen absorption by the BET method showed that the samples have a surface equal to 3.741 m2 / g. The dried precipitate is calcined in air at a temperature of 1000 ° C for 2 hours for thermal decomposition and the formation of the crystalline structure of a cubic solid solution with a garnet structure. The specific surface area of the obtained powders with a garnet structure was measured by the nitrogen absorption method by the BET method and varied from 8 to 20 m2 / g. The sizes of crystallites with a garnet structure, measured using scanning electron microscopy, ranged from 110 nm to 65 nm. The powder obtained after thermal decomposition is ground in a planetary mill using zirconia as a grinding tool and a liquid medium in the form of ethanol in the presence of a plasticizer: polyvinyl alcohol, in an amount of 4.0 wt. % by weight of powder. Grinding in a planetary mill is carried out for 60 minutes. After grinding, the powders are dried, followed by granulation by spray drying, the temperature in the spray dryer at the inlet is about 90-110 ° C. The resulting powders are formed by isostatic pressing at pressures up to 200 MPa to obtain compacts of a given shape with a relative density of 55%. After cold isostatic pressing, the formed samples are heat treated in air, in an inert gas at a temperature of 800 ° C, with a heating rate of 1 ° C / min, the exposure time is 4 hours. Then the compacts are sintered in a vacuum. Composition Y _2.813 Er _0.015 Sc _0.45 Al _4.719 O ₁₂ is sintered in vacuo at a temperature of 1700 ° C. for 15 hours. The relative density of the ceramic material is> 99.99%. The content of Sc ³⁺ is 15.0 at. %, average grain size of 4.0 microns.

Вид и структура образца керамики показана на фиг. 4. После спекания в вакууме получают керамические образцы, которые подвергают термическому отжигу на воздухе при температуре 1400°С в течение 5 часов. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела светопропуекание 85%.The type and structure of the ceramic sample is shown in FIG. 4. After sintering in vacuum, ceramic samples are obtained which are subjected to thermal annealing in air at a temperature of 1400 ° C for 5 hours. The optical ceramics obtained from this precursor had a light transmission of 85%.

Пример 3. Готовят исходный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, эрбия и скандия заданного состава, исходя из формулы композиции Y_2,873Er_0,015Sc_0,3Al_4,813O₁₂, путем растворения хлоридов в деионизированной воде при нагревании и упаривают до концентрированного состояния. Затем горячий концентрированный раствор хлоридов распыляют в раствор осадителя. Осадитель получают следующим образом. Предварительно готовят раствор в деионизированной воде углеаммонийных солей 25% концентрации при 25°С. Затем полученный раствор углеаммонийных солей 25% концентрации смешивают с 25% раствором гидроксида аммония в объемном соотношении 1:1. При осаждении используют 100% избыток осадителя по отношению к стехиометрическому количеству катионов в растворе из хлоридов. При контакте между раствором из хлоридов иттрия, алюминия, эрбия, скандия и осадителя мгновенно образуется осадок из малых сферических частиц, которые присутствуют в виде коллоидной суспензии осадка в маточном растворе. Далее осадок декантируют в деонизированной воде. Процесс декантирования удаляет избыток гидроксида аммония и карбоната аммония и продуктов реакции: хлорид аммония из осадка. Затем осадок отделяют от промывного раствора путем фильтрации. Осадок сушат при температуре около 100°С методом вакуумной сушки в течении 2 часов. Исследования полученного прекурсора методом абсорбции азота по методу БЭТ показал, что образцы имеют удельную поверхность, равную 3,741 м2/г. Высушенный осадок прокаливают на воздухе при температуре 1000°С в течение 2 часов для термического разложения и образования кристаллической структуры кубического твердого раствора со структурой граната. Удельная площадь поверхности полученных порошков со структурой граната была измерена методом абсорбции азота по методу БЭТ и варьировалась от 8 до 20 м2/г. Размеры кристаллитов со структурой граната, измеренные при помощи растровой электронной микроскопии, составили от 110 до 65 нм. Полученный после термического разложения порошок измельчают на планетарной мельнице с использованием диоксида циркония в качестве мелющей оснастки и жидкой среды в виде этанола в присутствии пластификатора: поливиниловый спирт в количестве 4,0 масс. % от массы порошка. Измельчение на планетарной мельнице проводят в течение 40 минут.Example 3. An initial solution is prepared from yttrium, aluminum, erbium and scandium chlorides of a given composition, based on the composition formula Y _2.873 Er _0.015 Sc _0.3 Al _4.813 O ₁₂ , by dissolving the chlorides in deionized water by heating and evaporated to a concentrated state. The hot concentrated chloride solution is then sprayed into the precipitator solution. The precipitant is prepared as follows. A solution of carbon ammonium salts in 25% concentration at 25 ° C is preliminarily prepared. Then the resulting solution of carbon ammonium salts of 25% concentration is mixed with a 25% solution of ammonium hydroxide in a volume ratio of 1: 1. During precipitation, a 100% excess of precipitant is used with respect to the stoichiometric amount of cations in the chloride solution. Upon contact between a solution of yttrium, aluminum, erbium, scandium, and precipitant chlorides, a precipitate is formed from small spherical particles, which are present in the form of a colloidal suspension of the precipitate in the mother liquor. Next, the precipitate is decanted in deionized water. The decantation process removes excess ammonium hydroxide and ammonium carbonate and reaction products: ammonium chloride from the precipitate. Then the precipitate is separated from the wash solution by filtration. The precipitate is dried at a temperature of about 100 ° C by vacuum drying for 2 hours. The study of the obtained precursor by the method of nitrogen absorption by the BET method showed that the samples have a specific surface of 3.741 m2 / g. The dried precipitate is calcined in air at a temperature of 1000 ° C for 2 hours for thermal decomposition and the formation of the crystalline structure of a cubic solid solution with a garnet structure. The specific surface area of the obtained powders with a garnet structure was measured by the nitrogen absorption method by the BET method and varied from 8 to 20 m2 / g. The sizes of crystallites with a garnet structure, measured using scanning electron microscopy, ranged from 110 to 65 nm. The powder obtained after thermal decomposition is crushed in a planetary mill using zirconia as a grinding tool and a liquid medium in the form of ethanol in the presence of a plasticizer: polyvinyl alcohol in an amount of 4.0 wt. % by weight of powder. Grinding on a planetary mill is carried out for 40 minutes.

После измельчения порошки сушат с последующей грануляцией методом распылительной сушки, температура в распылительной сушилке на входе составляет порядка 90-110°С. Полученные порошки формуют изостатическим прессованием при давлении до 200 МПа для получения компактов заданной формы с относительной плотностью 55%. После холодного изостатического прессования отформованные образцы термообрабатывают в среде инертного газа при температуре 800°С, со скоростью нагрева 1°С/мин, время выдержки 4 часа. Далее компакты спекают в вакууме. Композицию Y_2,873Er_0,015Sc_0,3Al_4,813O₁₂, спекают в вакууме при температуре 1750°С в течение 15 часов. Относительная плотность керамического материала >99,99%. Содержание Sc³⁺ - 10,0 ат. %, средний размер зерна 4,5 мкм. Вид и структура образца керамики показана на фиг. 5.After grinding, the powders are dried, followed by granulation by spray drying, the temperature in the spray dryer at the inlet is about 90-110 ° C. The resulting powders are formed by isostatic pressing at pressures up to 200 MPa to obtain compacts of a given shape with a relative density of 55%. After cold isostatic pressing, the formed samples are heat treated in an inert gas at a temperature of 800 ° C, with a heating rate of 1 ° C / min, the exposure time is 4 hours. Then the compacts are sintered in a vacuum. Composition Y _2.873 Er _0.015 Sc _0.3 Al _4.813 O ₁₂ is sintered in vacuo at a temperature of 1750 ° C. for 15 hours. The relative density of the ceramic material is> 99.99%. The content of Sc ³⁺ - 10.0 at. %, average grain size of 4.5 microns. The type and structure of the ceramic sample is shown in FIG. 5.

После спекания в вакууме получают керамические образцы, которые подвергают термическому отжигу на воздухе при температуре 1400°С в течение 5 часов.After sintering in vacuum, ceramic samples are obtained which are subjected to thermal annealing in air at a temperature of 1400 ° C for 5 hours.

Основные сцинтилляционные параметры представлены в таблице 1. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела светопропускание 85%.The main scintillation parameters are presented in Table 1. The optical ceramics obtained from this precursor had a transmittance of 85%.

Таким образом, заявленный способ получения прозрачных поликристаллических твердотельных сцинтилляционных материалов, а также создание сцинтилляционных структур, в которых основной матрицей материала является иттрий - алюминиевый гранат контролируемого состава, включающих частичное замещение катионов в основной композиции ИАГ, позволяет получать прозрачный керамический сцинтилляционный материал на основе иттрий - алюминиевого граната, легированного ионами Er³⁺ - 0,5 ат. % и ионами Sc³⁺ - 10,0 - 20,0 ат. %, со светопропусканием в видимой области спектра 85% и основными сцинтилляционными параметрами: область высвечивания 540-700 нм с двумя максимумами 557 нм и 680 нм; световой выход 56-74% относительно CsI(Tl); длительность сцинтилляционного импульса 53-44 нс.Thus, the claimed method for producing transparent polycrystalline solid-state scintillation materials, as well as the creation of scintillation structures in which the main matrix of the material is yttrium - aluminum garnet of controlled composition, including partial substitution of cations in the main YAG composition, allows to obtain a transparent ceramic scintillation material based on yttrium - aluminum garnet doped with Er ³⁺ ions - 0.5 at. % and Sc ³⁺ ions - 10.0 - 20.0 at. %, with a transmittance in the visible region of the spectrum of 85% and the main scintillation parameters: the emission region of 540-700 nm with two maxima of 557 nm and 680 nm; light output 56-74% relative to CsI (Tl); the duration of the scintillation pulse is 53-44 ns.

Claims

1. A method for producing a transparent polycrystalline solid-state scintillation material with a garnet structure doped with rare-earth ions, including dissolving the initial cations of salts, evaporating to a concentrated state, co-precipitating through sputtering, followed by filtering the precursor precipitate, decanting, drying and heat treatment, compaction and compaction and characterized in that yttrium-aluminum garnet is used as a material with a garnet structure ionized with Er ³⁺ and Sc ³⁺ ions, to prepare which an initial solution of the desired cations of a given composition is prepared by dissolving yttrium, aluminum, erbium and scandium chlorides in deionized water by heating and evaporated to a concentrated state and sprayed into a previously prepared precipitator, the precipitate obtained is decanted in deionized water, then the precipitate is dried at a temperature of 90-110 ° C by vacuum drying for 2 hours and calcined in air at a temperature of 1000 ° C for 2 hours to obtain a solid powder solution with the structure of a garnet, then the powder is ground in a planetary mill using zirconia as a grinding tool in ethanol in the presence of polyvinyl alcohol in an amount of 4.0 wt. % by weight of the powder, followed by drying and obtaining granules, after granulation, the powder is formed by isostatic pressing at a pressure of up to 200 MPa to obtain compacts with a relative density of 55%, then the compacts are heat-treated in an inert gas at 800 ° C for 4 hours, followed by vacuum sintering at a temperature of 1700-1750 ° C for 15 hours; after vacuum sintering, ceramic samples are obtained which are subjected to thermal annealing in air at a temperature of 1400 ° C for 5 hours.

2. The method according to p. 1, characterized in that as a precipitant use a mixture of an aqueous solution of carbon ammonium salts of 25% concentration and a solution of ammonium hydroxide 25% in a volume ratio of 1: 1.

3. The method according to p. 1, characterized in that as an activating additive is used scandium in an amount of 10-20 at. %

4. The method according to p. 1, characterized in that the concentration of Er ³⁺ cations in the scintillation material of polycrystalline yttrium aluminum garnet is 0.015 mol. % in terms of erbium oxide.