Способ получения двуслойного волоконного сцинтиллятора

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, конкретно к двуслойным волоконным сцинтилляторам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе сцинтилляционных волоконных детекторов для радиационного экологического мониторинга территории, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за ядерным топливом и изделиями из делящихся материалов, а также для создания антитеррористических комплексов радиационного контроля. Способ получения двуслойного волоконного сцинтиллятора, включает разогрев материала сердцевины и оболочки при температуре 180-190°С, давлении 150-180 кг/см² с последующим формированием двуслойной структуры волокна методом экструзии со скоростью 1,0-1,5 м/час, причем материал сердцевины сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%: хлорид серебра 5,0-10,0; бромид серебра 87,5-85,0; иодид серебра 0,5-1,0; иодид одновалентного таллия 7,0-4,0, а материал оболочки сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%: хлорид серебра 18,0-20,0; бромид серебра 80,5-79,4; иодид серебра 0,1-0,5; иодид одновалентного таллия 0,5-1,0. Изобретение позволяет получить новое поколение гибких длинных двуслойных волоконных сцинтилляторов с максимумом спектра свечения от 600 до 800 нм. Структура двуслойного волокна обеспечивает передачу сцинтилляционного излучения практически без потерь за счет эффекта полного внутреннего отражения излучения в сердцевину волокна на границе раздела сердцевина-оболочка.

 

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, конкретно к двуслойным волоконным сцинтилляторам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе сцинтилляционных волоконных детекторов для радиационного экологического мониторинга территории, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за ядерным топливом и изделиями из делящихся материалов, а также для создания антитеррористических комплексов радиационного контроля.

Известны методы получения монокристаллических волокон путем вытягивания из расплава: метод капиллярного формообразования, метод лазерной плавки, метод вытягивания вниз, метод подачи расплава под давлением, метод вытяжки в стеклянной оболочке [Кацуяма Т., Мацумура X. Инфракрасные волоконные световоды. - М.: Мир, 1992, стр.186-195]. Материалом для волокон служат галогенидные и оксидные кристаллы (AgBr, KCl, Al₂O₃(Cr) CsBr, CsI, KPC-5).

Но этими методами получают короткие, длиной несколько сантиметров волокна с различным диаметром по длине волокна, что приводит к потере сцинтилляционного излучения, а вследствие монокристаллической структуры они не подлежат изгибу. Кроме того, этими методами трудно получить двуслойное волокно.

Наиболее близким техническим решением является модифицированный метод микровытягивания вниз из расплава с использованием двойного тигля. Этим методом получают сердцевино-оболочечные, т.е. двуслойные монокристаллические волокна. Верхний тигель с капилляром обеспечивает разогрев материала сердцевины до температуры плавления растущего волокна, а нижний тигель служит для формирования оболочки данного волокна [T.Fukuda, P.Rudolph, S.Uda (Eds) «Fiber Crystal Growth from the Melt» Springer-Verlag, 2003, p.267-280]. Скорость вытягивания двуслойного волоконного сцинтиллятора 0,5-1,0 мм/мин (0,03-0,06 м/час). Материалом сердцевины служит Y₂Al₅O₁₂, а оболочки Al₂O₃, либо сердцевина состоит из LiNbO₃, легированного марганцем (Mn), а оболочка выполнена из LiNbO₃. В волокнах наблюдается полоса люминесценции с максимумом спектра свечения на длине волны ~ 440 нм.

Методу присущи те же недостатки, а именно получаемые двуслойные монокристаллические волоконные сцинтилляторы длиной несколько см, нельзя изогнуть, т.к. они ломаются и имеют непостоянный диаметр, что приводит к потерям сцинтилляционного излучения. Кроме того, метод непроизводительный, т.к. скорость вытягивания волокна 0,03-0,06 м/час, трудно воспроизводим и требует значительных энергозатрат.

Задачей изобретения является разработка производительного, хорошо воспроизводимого энергосберегающего способа получения гибких длинных двуслойных волоконных сцинтилляторов с максимумом спектра свечения на длинах волн от 600 до 800 нм и геометрически правильной круглой сердцевиной и оболочкой.

Поставленная задача решается за счет того, что разогрев материала сердцевины и оболочки сцинтиллятора осуществляют при температуре 180-190°С, давлении 150-180 кг/см², а формирование структуры волокна методом экструзии ведут со скоростью 1,0-1,5 м/час, причем материал сердцевины сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%:

хлорид серебра	5,0-10,0
бромид серебра	87,5-85,0
иодид серебра	0,5-1,0
иодид одновалентного таллия	7,0-4,0,

а материал оболочки сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%:

хлорид серебра	18,0-20,0
бромид серебра	80,5-79,4
иодид серебра	0,1-0,5
иодид одновалентного таллия	0,5-1,0

Сцинтилляционные кристаллы AgCl_xBr_yI_1-x-y(TlI) пластичны и не обладают эффектом спайности, поэтому из них получают методом экструзии волокна, т.е. выдавливанием волокон из монокристаллических заготовок через фильеру. Их длина до 50 м и более. Они гибкие - радиус изгиба до 5 мм. Двуслойные волоконные сцинтилляторы обладают геометрически правильной круглой сердцевиной и оболочкой по всей длине, что невозможно осуществить из указанных в прототипе оксидных сцинтилляторов.

Плотность сердцевины двуслойного волоконного сцинтиллятора больше чем в оболочке, из-за содержания T1I (4,0-7,0% по массе). Поэтому сцинтилляционное излучение преломляется на границе раздела сердцевина-оболочка и распространяется по сердцевине практически без потерь. Кроме того, указанное содержание T1I в волокне обеспечивает наличие полосы люминесценции с максимумом свечения на длинах волн от 600 нм до 800 нм.

Режимы экструзии - температура разогрева заготовок, давление и скорость процесса взаимосвязаны и подобраны экспериментальным путем для данного состава двуслойного волоконного сцинтиллятора. Если понижать температуру ниже 180°С, то чтобы осуществить процесс экструзии необходимо повысить давление более 180 кг/см², при этом скорость становится менее 1 м/час. В случае увеличения температуры более 190°С, давление процесса становится менее 15 кг/см² при скорости более 1,5 м/час. При таких режимах получения двуслойного волоконного сцинтиллятора граница между сердцевиной и оболочкой становится размытой, что приводит к потере сцинтилляционного излучения.

Пример 1. Для сердцевины волокна подготовили монокристаллическую заготовку диаметром 3 мм, высотой 30 мм и составом, мас.%:

хлорид серебра 5,0

бромид серебра 87,5

иодид серебра 0,5

иодид одновалентного таллия 7,0,

которую вставили по центру в цилиндрическое отверстие монокристаллической заготовки для оболочки диаметром 10 мм, высотой 30 мм и составили, мас.%:

хлорид серебра 18,0

бромид серебра 80,5

иодид серебра 0,5

иодид одновалентного таллия 1,0

Заготовки поместили в контейнер, разогрели до 180°С и под давлением 180 кг/см² выдавили 6,0 м двуслойного волоконного сцинтиллятора при скорости экструзии 1,0 м/час. Диаметры сердцевины волокна, размером 210 мкм, и оболочки, 700 мкм, имеют строго цилиндрическую форму по всей длине волоконного сцинтиллятора, в котором наблюдается полоса люминесценции с максимумом спектра свечения от 600 до 800 нм.

Пример 2. Эксперимент провели как в примере 1, но сердцевина и оболочка волоконного сцинтиллятора имели состав, мас.%:

	сердцевина	оболочка
хлорид серебра	10,0	20,0
бромид серебра	85,0	79,4
иодид серебра	1,0	0,1
иодид одновалентного таллия	4,0	0,5

Режимы экструзии следующие: температура разогрева заготовок составляла 190°С, давление 150 кг/см² при скорости выдавливания волокна через фильеру 1,5 м/час. Волоконный сцинтиллятор имеет четкую, круглую сердцевину и оболочку по всей длине, а максимум спектра свечения наблюдается в спектральном диапазоне от 600 до 800 нм.

Пример 3. Методом экструзии получили 6 м двухслойного волоконного сцинтиллятора со скоростью 1,3 м/час при температуре разогрева монокристаллических заготовок 185°С, давлении 170 кг/см². При этом состав сердцевины и оболочки содержит ингредиенты, мас.%:

	сердцевина	оболочка
хлорид серебра	8,0	19,0
бромид серебра	86,0	80,0
иодид серебра	0,7	0,3
иодид одновалентного таллия	5,3	0,7

Волокно имеет свойство как в примере 1.

При выращивания монокристаллов, содержащих иодида одновалентного таллия более 7,0% по массе, кристаллы вырастают блочными и не пригодны для изготовления волоконного сцинтиллятора. В случае содержания в сердцевине волоконного сцинтиллятора иодида одновалентного таллия менее 4,0% по массе, происходит преломление сцинтилляционного излучения в оболочку из-за маленькой разности в показателях преломления сердцевина-оболочка, а следовательно, и потеря излучения.

Технических результат позволяет получать новое поколение гибких длинных двуслойных волоконных сцинтилляторов с максимумом спектра свечения от 600 до 800 нм. Структура двуслойного волокна обеспечивает передачу сцинтилляционного излучения практически без потерь за счет эффекта полного внутреннего отражения излучения в сердцевину волокна на границе раздела сердцевина-оболочка. Новые двуслойные волоконные сцинтилляторы востребованы для изготовления систем и комплексов для обнаружения радиационного излучения.

Способ получения двуслойного волоконного сцинтиллятора, включающий разогрев материала сердцевины и оболочки с последующим формированием двуслойной структуры волокна, отличающийся тем, что разогрев материала сердцевины и оболочки сцинтиллятора осуществляют при температуре 180-190°С, давлении 150-180 кг/см², а формирование структуры волокна методом экструзии ведут со скоростью 1,0-1,5 м/ч, причем материал сердцевины сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%:

хлорид серебра	5,0-10,0
бромид серебра	87,5-85,0
иодид серебра	0,5-1,0
иодид одновалентного таллия	7,0-4,0

а материал оболочки сцинтиллятора содержит ингредиенты, мас.%:

хлорид серебра	18,0-20,0
бромид серебра	80,5-79,4
иодид серебра	0,1-0,5
иодид одновалентного таллия	0,5-1,0