專利名稱：光亮和快速的中子閃爍器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新的閃爍材料，特別是單晶形式的閃爍材料，將它們制備成單晶的方法，以及它們用于檢測(cè)和/或鑒別中子和/或Y射線輻射的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
閃爍材料廣泛地用于檢測(cè)Y射線(或者能量降低至IkeV或者更低的電磁波，以下稱為“Y”)以及如中子、α-粒子等的粒子。
閃爍機(jī)制依賴于許多主要將入射光子或者粒子的高能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光范圍或者合理地接近可見(jiàn)光范圍的光線的物理機(jī)理。人們對(duì)單晶形式的閃爍器，即在此應(yīng)用范圍內(nèi)的由一個(gè)(最多幾個(gè))晶體構(gòu)造的晶片尤為感興趣。由于不存在易于存在于多晶材料中的穿過(guò)顆粒邊界的內(nèi)部漫射、非均質(zhì)性以及其它缺點(diǎn)，單個(gè)晶體(單晶)構(gòu)造使得它更易于在厚度方向上提取發(fā)射光。需要晶體結(jié)構(gòu)(在原子意義上)是因?yàn)樗鼪Q定著閃爍機(jī)制玻璃態(tài)狀的非晶態(tài)物質(zhì)可能會(huì)產(chǎn)生不同的閃爍性質(zhì)。然后采用多種本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的器件，比如，光電倍增管、光電二極管等對(duì)提取的光線進(jìn)行收集。另一種構(gòu)造是仍然保持材料的晶體結(jié)構(gòu)，以粉末的形式對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，以仍然能夠進(jìn)行光線提取的方式使其或者被結(jié)合劑包裹或者與粘合劑燒結(jié)或者混合。通常，當(dāng)厚度超過(guò)幾毫米(不足以阻止粒子或者光子充分入射的厚度)時(shí)，那些構(gòu)造也是不透明的?？傊?，當(dāng)可能以及成本效益合算時(shí)，優(yōu)選使用單晶。Y、α或者β粒子、帶電粒子或者中子(以下通常指定為“輻射”)是大量核醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)物理學(xué)、工業(yè)計(jì)量器、行李掃描器、油井記程儀等應(yīng)用中主要的興趣所在。在那些應(yīng)用中，通?？梢院弦獾貙⒅凶优c可以同時(shí)到達(dá)檢測(cè)器的Y射線鑒別，并且取決于射線的類型，閃爍檢測(cè)器將能產(chǎn)生不同的突光信號(hào)(參見(jiàn)，G.F. Knoll, Radiation DetectionandMeasurements(Wiley, New York,2000))。為了構(gòu)造優(yōu)良的中子或者Y檢測(cè)器需要達(dá)到幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式，繪制在入射輻射下閃爍器的能量圖譜，在此將結(jié)果表示在柱形圖上(X-軸為能量，y_軸為計(jì)數(shù)的數(shù)字)。在獲取方法中，對(duì)“通道”進(jìn)行限定以收集特定能量范圍內(nèi)的信號(hào)。為了獲得良好的入射輻射的能量峰鑒別，需要良好的(低的)能量分辨率。對(duì)于設(shè)定能量的給定檢測(cè)器而言，能量分辨率通常被確定為能譜中所討論的最大峰的半寬度除以此峰質(zhì)心處能量的值(參見(jiàn)，G.F Knoll, " Radiation Detection and Measurement",John Wiley andSons, Inc,第二版，pll4)。另一個(gè)非常重要的參數(shù)是衰減時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)由W. W Moses進(jìn)行了詳細(xì)描述(Nucl. Instr and Meth. A336 (1993) 253)。衰減時(shí)間越快，使得分析越快。一般而言，在射線(中子或者Y)下由閃爍器收集的信號(hào)的時(shí)間光譜可以通過(guò)幾個(gè)指數(shù)的和來(lái)擬合，所述的每個(gè)指數(shù)由衰減時(shí)間常數(shù)來(lái)表征。閃爍器的品質(zhì)基本上由最快發(fā)射分量的貢獻(xiàn)所決定。這就是我們?cè)诒疚闹幸M(jìn)一步報(bào)道的數(shù)值。通常使用He3管進(jìn)行中子檢測(cè)。這種類型的裝置具有高檢測(cè)效率、優(yōu)良的中子/Y鑒別力、可以被制成廣泛的檢測(cè)器尺寸并且在本領(lǐng)域具有悠久的歷史。它的缺點(diǎn)是電荷收集時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)和信號(hào)水平較低。在許多情形中，優(yōu)選使用固態(tài)閃爍器。用于中子檢測(cè)的許多閃爍器都依賴于分子中6Li的存在。6Li能夠俘獲熱中子，并
且能根據(jù)以下反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電離粒子
^Li+In-^H+α ⑴
α和氚核粒子共同具有4. 78MeV的動(dòng)能。隨后，此能量在材料中的沉積會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生可檢測(cè)的熒光。然而，僅僅存在6Li并不能保證其具有優(yōu)良的性能。由此，可以適宜地將Y/中子鑒別指標(biāo)-所謂的Y-換算系數(shù)匕定義為
C 0.662Fm ()
Y其中Cn為中子峰(在獲取方法中)的通道，和Cy為Y峰通道，同時(shí)0.662MeV為Y -射線的能量，以及4. 78MeV為α和氚核粒子的總動(dòng)能(源于中子捕獲)。對(duì)于射線照相術(shù)，LiF+ZnS(Ag)屏非常標(biāo)準(zhǔn)。其高光輸出(160000光子/中子)非常誘人并且提供了良好的靈敏度。它的衰減時(shí)間在微秒范圍內(nèi)。Li玻璃，尤其是富含6Li的類型的Li玻璃是另一種卓越的中子檢測(cè)器。它的光輸出不利地非常低，為6000光子/中子，并且它的能量分辨率高。它具有快速衰減的優(yōu)點(diǎn)，衰減常數(shù)為大約75ns。摻雜了銪(Eu)的6LiI (碘化鋰)也是一種熟知的中子檢測(cè)器。其光輸出為約51000光子/中子，非常優(yōu)良。但是，其能量分辨率仍然極高，其衰減常數(shù)與LiF+ZnS(Ag) —樣高。最近,Bessiere等人(Scint2003,正在出版)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的化合物，即Cs2LiYCl6和Cs2LiYCl6:Ce3+。它們都顯示出高光輸出(分別為34000和70000)。它們的、-換算系數(shù)也非常良好，分別為O. 61和O. 66。關(guān)于Ce-摻雜形式的所有結(jié)果都是濃度為O. Imol %時(shí)得到的結(jié)果。盡管如此，這兩種化合物都具有緩慢的衰減時(shí)間(約6 7微秒)。此外，在“Scintillationand Spectroscopy of the Pure andCe3+_DopedElpasolithes，，，Van Loef 等人，Journal of Physics CondensedMatter, 14,2002,8481-8496中提及了 Cs2LiYBrf^PCs2LiYBr6tj他們對(duì)這些化合物的光學(xué)和閃爍(在Y-射線下)性能進(jìn)行了研究。然而，其中沒(méi)有提及它們?cè)谥凶酉碌拈W爍特性。其中僅僅提及了Li的存在可以使得上述基于溴的化合物具有誘人的性能的事實(shí)。這并不能保證它們?cè)谥凶幼饔孟乱簿哂袃?yōu)良的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種對(duì)中子顯示出顯著地高光輸出率和快速(即低的)衰減時(shí)間(可以由τ表示)的新材料。這種材料還保持了良好的Y-射線檢測(cè)性能,并且能夠提供對(duì)Y-射線和中子的良好鑒別。
本發(fā)明材料的通式為CS(2_z)RbzLiLn(1_x)X6:XCe3+，其中X為Br或者I，Ln為Y或者Gd或者Lu或者Sc或者La,其中z大于或者等于O并且小于或者等于2,和x大于O. 0005。X值為L(zhǎng)n與Ce的總和的摩爾分?jǐn)?shù)。X值大于O. 0005，但是，也可以說(shuō)x大于O. 05mol %。這兩種措詞是等價(jià)的。通常X小于0.3(=小于30mOl% )，并且更通常小于O. 15。特別有用的組成為-Cs2LiY (1_x)X6: xCe3+,-CsRbLiY(H)X6 :xCe3+。本發(fā)明的閃爍材料可以被制成單晶形式。在這種情形下，它的體積通常至少為10_3。所述材料還可以以粉末(多晶)形式使用，它可能被粘合劑包裹或者與粘合劑燒結(jié)或者混合。
具體實(shí)施方式
·可以通過(guò)垂直Bridgman技術(shù)以單晶形式生長(zhǎng)本發(fā)明化合物。因?yàn)樗龌衔锞哂形鼭裥?，因此上述試?yàn)是對(duì)密封在石英管中的樣品進(jìn)行的。也可以使用晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它技術(shù)，比如Czochralski或者Kyropoulos技術(shù),條件是對(duì)所述材料進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，防止其與水和氧氣反應(yīng)。實(shí)施例中的單晶樣品按體積計(jì)為約10_3。它們含有天然豐度的6Li,但是它們可以有利地富集6Li (對(duì)成本不利)。在下表中給出了 Cs2LiYBr6 = Ce3+的性能，以及中子檢測(cè)領(lǐng)域已知的閃爍器的性能。表I =Cs2LiYBr6:Ce3+與其它中子閃爍器的對(duì)比性能
化合物光輸出對(duì)中子的脈沖高度在Y/中子下
(光子/中子)能量分辨率 I別的衰減時(shí)間
____OU__IV__( PS)
_i__Cs2LiYCl,__34000__R5__Ml__7.0
2Cs2LiYq6:0.1%Ce__70000____066__6.5
3Cs2LiYBr6:1 %Ce 85800/88200 4.5/9.0* 0.76/0.75__0,089
4Cs2LiYBr6:0.3%Ce__73000__-__-__0.070/0.0083
5Rb2LiYBrf,:0.5%Ce65000__-__-__-_
6LiF-ZnS:Ag__160000__-__0Λ5__I
_J___LiIrEu__51000__40__086__1.2
8Li 玻璃600013-220.310.075
(* :樣品光譜中的雙重峰結(jié)構(gòu))(O. 1% Ce 表示通式中 x = O. 001,通式事實(shí)上為 Cs2LiYa 999CeacitllX6)從表I中可以看出，根據(jù)本發(fā)明的樣品(樣品3、4、5)具有優(yōu)良的光輸出(中子)、快速的衰減時(shí)間和良好的Y-中子鑒別力(由系數(shù)F Y可以看出)。其發(fā)射波長(zhǎng)在大約390和420nm處具有雙重峰結(jié)構(gòu)，這合意地與雙堿金屬光電倍增管的最高靈敏度相匹配。根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品優(yōu)于Cs2LiYCl6 :0. l%Ce(如樣品2所示)，為極端快速閃爍器，并且具有甚至更高的光輸出和F Y系數(shù)。這些特征在上述Van Loef等人的文獻(xiàn)中并沒(méi)有描述。表I還表明，根據(jù)本發(fā)明的Rb2LiYBr6:Ce (Cs全部被Rb替換)同樣是令人感興趣的。最后，雖然未在這里進(jìn)行描述，但是Y被周期表中同一族的其它稀土元素或者同化的稀土元素(比如Sc、La、Lu)替換的技術(shù)方案同樣為本發(fā)明的一部分。下表2更為詳細(xì)地匯總了在Y (由137Cs源發(fā)射)、單獨(dú)的中子或者組合的Y+中子檢測(cè)的情形中，本發(fā)明化合物的性能。其中對(duì)指數(shù)級(jí)數(shù)衰變中的前兩個(gè)衰減常數(shù)(最快，然后是第二最快)進(jìn)行了報(bào)道。表2 :在Y、中子和Y +中子福射(Rn =對(duì)中子的能量分辨率)下Cs2Li Y Br6: Ce3+的主要特性
權(quán)利要求
1.具有快速衰減時(shí)間和高能量分辨率、鑒別中子和Y輻射的中子和Y檢測(cè)器，所述檢測(cè)器含有Cs(2_z)RbzLiLn(1_x)X6:XCe3+作為閃爍材料，其中X為Br或者I，Ln為Y或者Gd或者Lu或者Sc或者La,其中z大于或者等于O并且小于或者等于2,和x大于O. 0005。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的檢測(cè)器,其中X大于O.005。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的檢測(cè)器,其中X小于O.3。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的檢測(cè)器，其中X小于O.15。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的檢測(cè)器，其中所述閃爍材料為單晶形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的檢測(cè)器，其中所述單晶的體積至少為10mm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任一項(xiàng)的檢測(cè)器，其中所述閃爍材料為粉末形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的檢測(cè)器，其中所述閃爍材料被粘合劑包裹或者與粘合劑燒結(jié)或混八口 ο
9.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任一項(xiàng)的檢測(cè)器，其中所述閃爍材料具有下式Cs2LiYX6: xCe3+。
10.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任一項(xiàng)的檢測(cè)器，其中所述閃爍材料具有下式Rb2LiYX6: xCe3+。
11.式Cs(2_z)RbzLiLn(1_x)X6:XCe3+的材料在快速中子檢測(cè)中用于以高能量分辨率確定、和中子輻射圖譜以及用于鑒別中子和Y輻射的用途，其中X為Br或者I，Ln為Y或者Gd或者Lu或者Sc或者La,其中z大于或者等于O并且小于或者等于2,和x大于O. 0005。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的用途，其中X大于O.005。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的用途，其中X小于O.3。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的用途，其中X小于O.15。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的用途，其中所述材料為單晶形式。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的用途，其中所述單晶的體積至少為10mm3。
17.根據(jù)權(quán)利要求11 14中任一項(xiàng)的用途，其中所述閃爍材料為粉末形式。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的用途，其中所述閃爍材料被粘合劑包裹或者與粘合劑燒結(jié)或混八口 ο
19.根據(jù)權(quán)利要求11 14中任一項(xiàng)的用途，其中所述閃爍材料具有下式Cs2LiYX6: xCe3+。
20.根據(jù)權(quán)利要求11 14中任一項(xiàng)的用途，其中所述閃爍材料具有下式Rb2LiYX6: xCe3+。
21.式Rb2LiLnX6IxCe3+的材料，其中X為Br或者I，Ln為Y或者Gd或者Lu或者Sc或者La，和X大于O. 0005。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的材料，其中Ln是Y。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22的材料，其中X大于O.005。
24.根據(jù)權(quán)利要求21或22的材料，其中所述閃爍材料為粉末形式。
25.式Cs(2_z)RbzLiLn(1_x)I6:xCe3+的材料，其中Ln為Y或者Gd或者Lu或者Sc或者La，其中z大于或者等于O并且小于或者等于2，和X大于O. 0005。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的材料，其中X大于O.005。
27.根據(jù)權(quán)利要求21或25的材料，其中X小于O.3。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的材料，其中X小于O.15。
29.根據(jù)權(quán)利要求21或25的材料，其中所述閃爍材料為單晶形式。
30.根據(jù)權(quán)利要求21或25的材料，其中所述單晶的體積至少為10mm3。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的材料，其中所述閃爍材料為粉末形式。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的材料，其中所述閃爍材料被粘合劑包裹或者與粘合劑燒結(jié)或混八口 ο
全文摘要
本發(fā)明涉及光亮和快速的中子閃爍器，具體地，包括通式為Cs(2-z)RbzLiLn(1-x)X6:xCe3+的閃爍材料的和γ中子檢測(cè)器，其中X為Br或者I，Ln為Y或者Gd或者Lu或者Sc或者La，其中z大于或者等于0并且小于或者等于2，和x大于0.0005，所述材料通常為單晶形式。所述閃爍材料具有顯著低的衰減時(shí)間。
文檔編號(hào)G01T3/00GK102928868SQ20121038310
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者K.W.克拉默, H.-U.居德?tīng)? A.貝西埃, P.多倫博斯, C.W.E.范?？?申請(qǐng)人:科學(xué)技術(shù)基金會(huì), 伯爾尼大學(xué)