[go: up one dir, main page]

RU2820300C1 - Crystalline scintillator - Google Patents

Crystalline scintillator Download PDF

Info

Publication number
RU2820300C1
RU2820300C1 RU2023132924A RU2023132924A RU2820300C1 RU 2820300 C1 RU2820300 C1 RU 2820300C1 RU 2023132924 A RU2023132924 A RU 2023132924A RU 2023132924 A RU2023132924 A RU 2023132924A RU 2820300 C1 RU2820300 C1 RU 2820300C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scintillator
tlbr
solid solution
silver chloride
iodide
Prior art date
Application number
RU2023132924A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лия Васильевна Жукова
Владислав Максимович Кондрашин
Анастасия Алексеевна Южакова
Александр Евгеньевич Львов
Александр Сергеевич Корсаков
Дмитрий Дарисович Салимгареев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Application granted granted Critical
Publication of RU2820300C1 publication Critical patent/RU2820300C1/en

Links

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to crystalline inorganic scintillators (CIS). Crystalline scintillator, including silver halides and monovalent thallium iodide, is made in the form of a monocrystal based on silver chloride, additionally containing a solid solution of monovalent thallium bromide iodide of composition TlBr0.46I0.54, with the following ratio of ingredients in wt.%: silver chloride 75.0–80.0; solid solution of TlBr0.46I0.54 25.0–20.0.
EFFECT: wider emission spectrum in the red region and near-infrared range, wider operating temperature range of the scintillator.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к новому классу кристаллических неорганических сцинтилляторов (КНС) на основе галогенидов серебра и галогенидов одновалентного таллия, конкретно к сцинтилляционным монокристаллам на основе новой фазовой диаграммы системы The invention relates to a new class of crystalline inorganic scintillators (SSCs) based on silver halides and monovalent thallium halides, specifically to scintillation single crystals based on a new phase diagram of the system

AgCl-TlBr0,46I0,54.AgCl-TlBr 0.46 I 0.54 .

Известны кристаллический сцинтиллятор ЛИЯ-1 [Патент РФ № 2065614 от 20.08.1996, Бюл. № 23] и кристаллический сцинтиллятор ЛИЯ-2 [Патент РФ № 2066464 от 10.09.1996, Бюл. № 25] на основе галогенидсеребряных монокристаллов, легированных йодидом одновалентного таллия. Но максимумы центров свечения сцинтилляторов расположены при 400 нм, то есть они не пригодны для работы с кремниевыми PIN-фотодиодами чувствительным к красному и инфракрасному излучениям.Known crystal scintillator LIYA-1 [RF Patent No. 2065614 dated 08.20.1996, Bull. No. 23] and crystal scintillator LIYA-2 [RF Patent No. 2066464 dated 09.10.1996, Bull. No. 25] based on silver halide single crystals doped with monovalent thallium iodide. But the maxima of the scintillator glow centers are located at 400 nm, that is, they are not suitable for working with silicon PIN photodiodes sensitive to red and infrared radiation.

Наиболее близким техническим решением является кристаллический сцинтиллятор ЛИЯ-3 [Патенет РФ № 2284044 от 20.09.2006, Бюл. № 26]. Сцинтиллятор содержит галогениды серебра и галогениды таллия при следующем соотношении ингредиентов в мас. %: хлорид серебра 18,0-22,0; бромид серебра 74,5-73,0; йодид серебра 0,5-1,0; йодид однорвалентного таллия 7,0-4,0. Плотность сцинтиллятора 6,6 г/см3; эффективный атомный номер = 45,7-45,75; диапазон пропускания от 0,4 до 40,0 мкм; максимум спектра свечения () около 675 нм и оно сосредоточено в основном в красной и ближней инфракрасной (ИК) области от 590 до 765 нм (по полувысоте полосы свечения); длительность сцинтилляции около 40 нс. Чувствительность сцинтиллятора хорошо согласуется со спектральной чувствительностью кремниевых PIN-фотодиодов и обеспечивает хорошую загрузочную способность.The closest technical solution is the LIYA-3 crystal scintillator [RF Patent No. 2284044 dated 09.20.2006, Bull. No. 26]. The scintillator contains silver halides and thallium halides in the following ratio of ingredients in wt. %: silver chloride 18.0-22.0; silver bromide 74.5-73.0; silver iodide 0.5-1.0; monovalent thallium iodide 7.0-4.0. Scintillator density 6.6 g/cm 3 ; effective atomic number = 45.7-45.75; transmission range from 0.4 to 40.0 µm; maximum of the luminescence spectrum ( ) about 675 nm and it is concentrated mainly in the red and near-infrared (IR) region from 590 to 765 nm (at half-height of the luminescence band); Scintillation duration is about 40 ns. The sensitivity of the scintillator matches well the spectral sensitivity of silicon PIN photodiodes and provides good loading capacity.

Но существует техническая задача по разработке новых составов сцинтилляционных монокристаллов на основе галогенидов серебра и твердых растворов галогенидов одновалентного таллия, обеспечивающих наибольшее смещение максимума спектра свечения в красную область и ближний ИК диапазон, а также высокую загрузочную способность детектора в 1,5-2 раза, чем в прототипе (ЛИЯ-3).But there is a technical challenge to develop new compositions of scintillation single crystals based on silver halides and solid solutions of monovalent thallium halides, providing the greatest shift of the maximum of the emission spectrum to the red region and near-IR range, as well as a high loading capacity of the detector 1.5-2 times than in the prototype (LIYA-3).

Техническая задача решена за счет того, что разработан:The technical problem was solved due to the fact that:

Кристаллический сцинтиллятор, включающий галогениды серебра и йодид одновалентного таллия, отличающийся тем, что он изготовлен в виде монокристалла на основе хлорида серебра, дополнительно содержащего твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия состава TlBr0,46I0,54 при следующем соотношение ингредиентов в мас. %:A crystalline scintillator comprising silver halides and monovalent thallium iodide, characterized in that it is made in the form of a single crystal based on silver chloride, additionally containing a solid solution of monovalent thallium bromide iodide with the composition TlBr 0.46 I 0.54 with the following ratio of ingredients in wt. %:

хлорид серебра - 75,0-80,0;silver chloride - 75.0-80.0;

твердый раствор TlBr0,46I0,54 - 25,0-20,0.solid solution TlBr 0.46 I 0.54 - 25.0-20.0.

Сущность изобретения состоит в том, что разработаны новые эффективные сцинтилляционные монокристаллы, обеспечивающие при длительности времени сцинтилляции около 20 нс высокую загрузочную способность детектора. КНС получены на основе определённых химических составов гомогенной области изученной нами фазовой диаграммы системы The essence of the invention is that new effective scintillation single crystals have been developed, providing high loading capacity of the detector with a scintillation time of about 20 ns. The SNSs were obtained on the basis of certain chemical compositions of the homogeneous region of the phase diagram of the system we studied.

AgCl-TlBr0,46I0,54 (см. формулу и примеры) и относятся к новому классу кристаллических сцинтилляторов на основе галогенидов серебра и галогенидов одновалентного таллия. Они негигроскопичны, пластичны и высоко прозрачные для собственного свечения в спектральном диапазоне от 0,45 до 50,0 мкм без окон поглощения и обладают, по сравнению с прототипом, повышенной плотностью 6,8-6,9 г/см3, эффективный атомный номер = 52,5-52,7. Световыход в 9 раз больше, чем световыход сцинтиллятора на основе кристалла нитрида алюминия, легированного оксидом иттрия (AlNi:Y2O3). Рабочий температурный диапазон сцинтилляторов от -60 С° до +200 С°AgCl-TlBr 0.46 I 0.54 (see formula and examples) and belong to a new class of crystalline scintillators based on silver halides and monovalent thallium halides. They are non-hygroscopic, plastic and highly transparent for their own glow in the spectral range from 0.45 to 50.0 microns without absorption windows and have, compared to the prototype, an increased density of 6.8-6.9 g/cm 3 , effective atomic number = 52.5-52.7. The light output is 9 times greater than the light output of a scintillator based on an aluminum nitride crystal doped with yttria (AlNi:Y 2 O 3 ). The operating temperature range of scintillators is from -60 C° to +200 C°

Таким образом, химические составы, а также оптические и сцинтилляционные параметра КНС обеспечивают наибольшее смещение спектра свечения сцинтиллятора в красную область и ближний ИК диапазон от 650 до 850 нм (по полувысоте полосы свечения) с максимумом спектра свечения 760 нм (фиг. 1).Thus, the chemical compositions, as well as the optical and scintillation parameters of the SNS provide the greatest shift of the scintillator emission spectrum to the red region and the near-IR range from 650 to 850 nm (at the half-height of the emission band) with a maximum emission spectrum of 760 nm (Fig. 1).

Пример 1.Example 1.

По специально разработанной технологии, выращен вертикальным методом Бриджмена сцинтилляционный монокристалл на основе хлорида серебра, дополнительно содержащий твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов в мас. %:Using a specially developed technology, a scintillation single crystal based on silver chloride was grown using the vertical Bridgman method, additionally containing a solid solution of monovalent thallium bromide iodide with the following ratio of ingredients in wt. %:

хлорид серебра - 75,0;silver chloride - 75.0;

твердый раствор TlBr0,46I0,54 - 25,0.solid solution TlBr 0.46 I 0.54 - 25.0.

Сцинтилляционный монокристалл выращивают из однофазной высокочистой шихты с чистотой по катионным примесям 0,1 ppm, синтезированную методом термозонной кристаллизации-синтеза (ТЗКС) [Патент РФ «Способ получения высокочистых веществ» № 2160795 от 07.07.1999], идентичного химического состава, что и монокристалл.A scintillation single crystal is grown from a single-phase high-purity charge with a purity of cationic impurities of 0.1 ppm, synthesized by the method of thermal zone crystallization-synthesis (TZKS) [RF Patent “Method of obtaining high-purity substances” No. 2160795 dated 07/07/1999], identical chemical composition as the single crystal .

Оптические свойства сцинтилляционного монокристалла исследовались на поликристаллических пластинах, изготовленных по методу горячего прессования, толщиной до 2,0 мм с оптической поверхностью. Спектры пропускания КНС регистрировали на спектрометре UV-1800 (от 190 до 1100 нм) и на ИК Фурье спектрометре IR Prestige-21 Shimadzu (1,28 - 41,7 мкм), а также ИК Фурье спектрометре Vertex-80, Bruker с расширенным ИК диапазоном (от 14,7 до 60,6 мкм). Сцинтиллятор высокопрозрачен в диапазоне от 0,45 до 50,0 мкм без окон поглощения, что свидетельствует о высокой степени чистоты выращенного монокристалла.The optical properties of the scintillation single crystal were studied on polycrystalline plates manufactured using the hot pressing method, up to 2.0 mm thick with an optical surface. Transmission spectra of the SOS were recorded on a UV-1800 spectrometer (from 190 to 1100 nm) and on an IR Fourier spectrometer IR Prestige-21 Shimadzu (1.28 - 41.7 μm), as well as an IR Fourier spectrometer Vertex-80, Bruker with extended IR range (from 14.7 to 60.6 µm). The scintillator is highly transparent in the range from 0.45 to 50.0 µm without absorption windows, which indicates a high degree of purity of the grown single crystal.

Сцинтиллятор обладает эффективным атомным номером = 52,7 и высокой плотностью равной 6,9 г/см3. Световыход сцинтилляции определяли на аттестованной установке согласно ГОСТам при альфа-возбуждении (плутоний-229). Он в 9 раз больше, чем световыход сцинтиллятора на основе кристалла нитрида алюминия, легированного оксидом иттрия (AlNi:Y2O3). Длительность сцинтилляционной вспышки около 20 нс. Спектр рентгенолюминесценции определяли на установке АСНИ. Возбуждение от аппарата УРС-1, катод медный, напряжение 40 кВ, ток 10 мА. Спектр свечения монокристалла сосредоточен в основном в красной и ближней инфракрасной (ИК) области спектра от 650 до 850 нм (по полувысоте спектра свечения), максимум спектра свечения расположен при 760 нм, что согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов и обеспечивает хорошую загрузочную способность КНС (фиг. 1). Рабочий температурный диапазон сцинтиллятора от -60 С° до+200 С°.The scintillator has an effective atomic number = 52.7 and high density equal to 6.9 g/cm 3 . The scintillation light output was determined on a certified installation in accordance with GOST standards with alpha excitation (plutonium-229). It is 9 times greater than the light output of a scintillator based on an aluminum nitride crystal doped with yttria (AlNi:Y 2 O 3 ). The duration of the scintillation flash is about 20 ns. The X-ray luminescence spectrum was determined using an ASNI installation. Excitation from the URS-1 apparatus, copper cathode, voltage 40 kV, current 10 mA. The emission spectrum of the single crystal is concentrated mainly in the red and near-infrared (IR) regions of the spectrum from 650 to 850 nm (at half-height of the emission spectrum), the maximum of the emission spectrum is located at 760 nm, which is consistent with the spectral sensitivity of PIN photodiodes and provides good loading capacity of the SNS (Fig. 1). The operating temperature range of the scintillator is from -60 C° to +200 C°.

Пример 2.Example 2.

Эксперименты и исследования свойств проводили как в примере 1. Вырастили сцинтилляционный монокристалл с чистотой по катионным примесям 0,1 ppm на основе хлорида серебра, дополнительно содержащий твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов в мас. %:Experiments and studies of properties were carried out as in example 1. A scintillation single crystal with a purity of cationic impurities of 0.1 ppm based on silver chloride was grown, additionally containing a solid solution of monovalent thallium bromide iodide with the following ratio of ingredients in wt. %:

хлорид серебра - 80,0;silver chloride - 80.0;

твердый раствор TlBr0,46I0,54 - 20,0.solid solution TlBr 0.46 I 0.54 - 20.0.

КНС имеет плотность 6,8 г/см3 и эффективный атомный номер равный 52,5. Максимум спектра свечения сцинтиллятора расположен при 760 нм (по полувысоте полосы свечения). Граница ИК области излучения сцинтиллятора расположена при 0,95-1,0 мкм. Световыход сцинтиллятора … Диапазон пропускания …KNS has a density of 6.8 g/cm 3 and an effective atomic number of 52.5. The maximum of the scintillator's emission spectrum is located at 760 nm (at half-height of the emission band). The boundary of the IR radiation region of the scintillator is located at 0.95-1.0 μm. Scintillator light output... Transmission range...

Пример 3. Example 3.

Вырастили высокочистый сцинтилляционный монокристалл при следующем соотношении ингредиентов в мас. %:A high-purity scintillation single crystal was grown with the following ratio of ingredients in wt. %:

хлорид серебра - 78,0;silver chloride - 78.0;

твердый раствор TlBr0,46I0,54 - 22,0.solid solution TlBr 0.46 I 0.54 - 22.0.

Эксперименты и исследования оптических и сцинтилляционных свойств проводили как в примере 1. Эффективный атомный номер = 52,6; плотность составляет 6,75 г/см3, диапазон пропускания КНС от 0,45 до 50,0 мкм без окон поглощения. Остальные параметры как в примере 1.Experiments and studies of optical and scintillation properties were carried out as in example 1. Effective atomic number = 52.6; the density is 6.75 g/cm 3 , the SNS transmission range is from 0.45 to 50.0 μm without absorption windows. The remaining parameters are as in example 1.

Технический результатTechnical result

Разработаны эффективные сцинтилляторы с длительностью свечения около 20 нс, изготовленные в виде монокристаллов на основе новой системы AgCl-TlBr0,46I0,54, обладающие высокой плотностью от 6,8 до 6,9 г/см3 и эффективным атомным номером = 52,5-52,7. Максимум спектра свечения, расположенный при 760 нм по полувысоте полосы свечения от 650 до 850 нм, смещен в красную область и ближний ИК диапазон, который согласуется со спектральной чувствительностью PIN-фотодиодов, что обеспечивает высокую загрузочную способность сцинтилляционных детекторов. Кроме того, КНС предназначены для визуализации излучений в системах радиационного мониторинга, таможенного контроля, а также являются перспективны для изготовления методом экструзии гибких и прочных на разрыв сцинтилляционных световодов.Efficient scintillators with a glow duration of about 20 ns have been developed, manufactured in the form of single crystals based on the new AgCl-TlBr 0.46 I 0.54 system, with a high density of 6.8 to 6.9 g/cm 3 and an effective atomic number = 52.5-52.7. The maximum of the luminescence spectrum, located at 760 nm at half-height of the luminescence band from 650 to 850 nm, is shifted to the red region and the near-IR range, which is consistent with the spectral sensitivity of PIN photodiodes, which ensures a high loading capacity of scintillation detectors. In addition, SNSs are intended for visualization of radiation in radiation monitoring systems, customs control, and are also promising for the production of flexible and tear-resistant scintillation light guides by extrusion.

Claims (2)

Кристаллический сцинтиллятор, включающий галогениды серебра и йодид одновалентного таллия, отличающийся тем, что он изготовлен в виде монокристалла на основе хлорида серебра, дополнительно содержащего твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия состава TlBr0,46I0,54 при следующем соотношение ингредиентов в мас.%:A crystalline scintillator comprising silver halides and monovalent thallium iodide, characterized in that it is made in the form of a single crystal based on silver chloride, additionally containing a solid solution of monovalent thallium bromide iodide with the composition TlBr 0.46 I 0.54 with the following ratio of ingredients in wt. %: хлорид серебра silver chloride 75,0-80,0 75.0-80.0 твердый раствор TlBr0,46I0,54 solid solution TlBr 0.46 I 0.54 25,0-20,025.0-20.0
RU2023132924A 2023-12-13 Crystalline scintillator RU2820300C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2820300C1 true RU2820300C1 (en) 2024-06-03

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2284044C1 (en) * 2005-05-13 2006-09-20 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет-УПИ Crystal scintillator
RU2287620C1 (en) * 2005-05-13 2006-11-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Инфракрасная волоконная оптика" Method of production of the defected crystals based on the metal halides solid solutions
JP2007093545A (en) * 2005-09-30 2007-04-12 Toshiba Corp Radiation detector
RU2426694C1 (en) * 2010-02-15 2011-08-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Сцинтилляционные Технологии Радиационного Контроля" Inorganic scintillation material, crystalline scintillator and radiation detector
US20180223186A1 (en) * 2011-10-10 2018-08-09 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Metal halide scintillators with reduced hygroscopicity and method of making the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2284044C1 (en) * 2005-05-13 2006-09-20 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет-УПИ Crystal scintillator
RU2287620C1 (en) * 2005-05-13 2006-11-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Инфракрасная волоконная оптика" Method of production of the defected crystals based on the metal halides solid solutions
JP2007093545A (en) * 2005-09-30 2007-04-12 Toshiba Corp Radiation detector
RU2426694C1 (en) * 2010-02-15 2011-08-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Сцинтилляционные Технологии Радиационного Контроля" Inorganic scintillation material, crystalline scintillator and radiation detector
US20180223186A1 (en) * 2011-10-10 2018-08-09 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Metal halide scintillators with reduced hygroscopicity and method of making the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fujimoto et al. New Intrinsic Scintillator with Large Effective Atomic Number: Tl 2 HfCl 6 and Tl 2 ZrCl 6 Crystals for X-ray and Gamma-ray Detections.
US8617422B2 (en) Use of codoping to modify the scintillation properties of inorganic scintillators doped with trivalent activators
Usui et al. Ce-doped Ga2O3 single crystalline semiconductor showing scintillation features
US8598530B2 (en) Chloride scintillator for radiation detection
RU2426694C1 (en) Inorganic scintillation material, crystalline scintillator and radiation detector
US20110272585A1 (en) Halide Scintillator for Radiation Detection
JP6058030B2 (en) Crystal materials, radiation detectors, imaging devices, nondestructive inspection devices, and lighting equipment
Belsky et al. Progress in the development of LuAlO/sub 3/-based scintillators
EA008367B1 (en) Rare-earth iodine scintillation crystals
Van Loef et al. Optical and scintillation properties of Cs/sub 2/LiYCl/sub 6: Ce/sup 3+/and Cs/sub 2/LiYCl/sub 6: Pr/sup 3+/crystals
Kim et al. Scintillation performance of the TlSr2I5 (Eu2+) single crystal
US20140110588A1 (en) Iodide scintillator for radiation detection
Drozdowski et al. β-Ga2O3: Ce as a fast scintillator: An unclear role of cerium
Rutstrom et al. Improved light yield and growth of large-volume ultrafast single crystal scintillators Cs2ZnCl4 and Cs3ZnCl5
Birowosuto et al. Scintillation properties of LuI/sub 3: Ce/sup 3+/-high light yield scintillators
Hawrami et al. Thallium strontium iodide: A high efficiency scintillator for gamma-ray detection
Fujimoto et al. Photoluminescence and Scintillation Properties of Rb 2 CeCl 5 Crystal.
Rooh et al. Crystal growth and scintillation characterizations of Tl2LiYCl6: Ce3+
WO2005114256A1 (en) ZnO SINGLE CRYSTAL AS SUPER HIGH SPEED SCINTILLATOR AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF
Khan et al. Scintillation Properties of TlGd 2 Cl 7 (Ce 3+) Single Crystal
Chewpraditkul et al. Scintillation Characteristics of Mg²⁺-Codoped Y 0.8 Gd 2.2 (Al₅–ₓGaₓ) O 12: Ce Single Crystals
RU2820300C1 (en) Crystalline scintillator
Chewpraditkul et al. Luminescence and scintillation properties of Mg 2+-codoped Lu 0.6 Gd 2.4 Al 2 Ga 3 O 12: Ce single crystal
Takebuchi et al. Neutron detection properties of Ti-doped LiGaO2 single crystalline scintillator
US8907292B2 (en) Tungstate-based scintillating materials for detecting radiation