CZ37255U1 - Multikomponentní monokrystalický scintilátor - Google Patents

Multikomponentní monokrystalický scintilátor Download PDF

Info

Publication number
CZ37255U1
CZ37255U1 CZ2023-41157U CZ202341157U CZ37255U1 CZ 37255 U1 CZ37255 U1 CZ 37255U1 CZ 202341157 U CZ202341157 U CZ 202341157U CZ 37255 U1 CZ37255 U1 CZ 37255U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
scintillator
multicomponent
crystal
monocrystalline
scintillation
Prior art date
Application number
CZ2023-41157U
Other languages
English (en)
Inventor
Martin Nikl
CSc. Nikl Martin prof. Ing.
Jan Pejchal
Pejchal Jan Ing., Ph.D.
Jindřich HOUŽVIČKA
Jindřich Dr. Houžvička
Silvia Sýkorová
M.Sc. Sýkorová Silvia
Ondřej Zapadlík
Ondřej Ing. Zapadlík
Tomáš Parkman
Parkman Tomáš Ing., Ph.D.
Dalibor Pánek
Pánek Dalibor Ing., Ph.D.
Vojtěch Vaněček
Vaněček Vojtěch Ing., Ph.D.
Original Assignee
Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Crytur, Spol.S R.O.
České vysoké učení technické v Praze
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i., Crytur, Spol.S R.O., České vysoké učení technické v Praze filed Critical Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Priority to CZ2023-41157U priority Critical patent/CZ37255U1/cs
Publication of CZ37255U1 publication Critical patent/CZ37255U1/cs

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/22—Complex oxides
    • C30B29/28—Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent
    • C09K11/08—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/64—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent
    • C09K11/08—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C09K11/7706—Aluminates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Description

Multikomponentní monokrystalický scintilátor
Oblast techniky
Technické řešení spadá do oblasti techniky zabývající se scintilační detekcí ionizujícího záření a urychlených nabitých částic, konkrétně se týká multikomponentního monokrystalického scintilátoru.
Dosavadní stav techniky
Scintilační detektor je zařízení, které umožňuje detegovat fotony ionizujícího záření nebo nabité urychlené částice. Skládá se ze scintilačního materiálu a fotodetektoru, které jsou opticky propojeny. Scintilační materiál zachycuje fotony ionizujícího záření nebo nabité urychlené částice a přeměňuje jejich energii na světelný záblesk, kdy větší počet fotonů v něm je v ultrafialové neboli UV oblasti, viditelné neboli VIS oblasti či blízké infračervené neboli NIR spektrální oblasti. Tento světelný záblesk je pak fotodetektorem přeměněn na elektrický signál, který se dále zpracovává návaznými elektronickými obvody. V mnoha aplikacích je vyžadována rychlá odezva scintilačního materiálu v oblasti desítek či stovek nanosekund, případně i kratší, neboť scintilační detektor funguje v režimu počítání jednotlivých přicházejících fotonů či částic.
Jako scintilační materiál se často používají monokrystaly dielektrických materiálů se širokým zakázaným pásem (nad cca 3 eV), které jsou dále dopovány rychlými luminiscenčními centry, které energii uloženou v základním materiálu efektivně přeměňují na zmíněné UV/VIS/NIR fotony, které se ze scintilátoru vyzáří. Nejčastější takový dopant je Ce3+, jehož luminiscenční přechod 5di-4f má typické doby života v oblasti desítek nanosekund a splňuje tedy výše uvedené požadavky na rychlost scintilační odezvy při současné vysoké kvantové účinnosti jeho luminiscence při aplikační teplotě, nejčastěji v okolí teploty pokojové. Kromě rychlosti scintilační odezvy je důležitým parametrem scintilátoru tzv. světelný výtěžek neboli LY, který je definován jako počet vyzářených luminiscenčních fotonů na jednotku pohlcené energie (typ. 1 Me V) ze vstupujícího ionizujícího záření a charakterizuje účinnost scintilátoru. LY se měří v časovém okně, typicky 1 až 2 mikrosekundy, definovaném detekční elektronikou.
Jednou z nejčastěji používaných materiálových skupin pro tento účel jsou cerem dopované granátové struktury A3B5O12, jejichž základním zástupcem je Y3AI5O12 označovaný jako YAG:Ce. Tento materiál se jako scintilátor používá od 80. let dvacátého století a vyrábí se mj. i v české firmě CRYTUR spol. s r.o. S požadavkem na lepší atenuační neboli zeslabovací schopnost pro pronikavé ionizační záření gama byl vyvinut jeho strukturní analog, cerem dopovaný LU3AI5O12 (LuAG:Ce) s výrazně vyšší hustotou a efektivním atomovým číslem a tedy s řádově vyšší atenuační schopností. Jeho scintilační odezva ale obsahuje intenzivní pomalejší komponenty v oblasti časů nad cca 10 ps, které již nejsou registrovány při měření LY a jeho hodnota je tedy v případě LuAG:Ce (20000 až 22000 ph/MeV) nižší než u YAG:Ce (25000 až 30000 ph/MeV). V roce 2011 byl vynalezen tzv. multikomponentní granát s obecným vzorcem (Gd,Lu,Y)3(Ga,Al)50i2, který vlivem potlačení záchytu elektronů v pastech v optimalizovaném složení Gd3GaxA15-xOi2:Ce (GGAG:Ce), kde 2,5 < x < 3, dosahuje hodnot LY 50000 až 60000 ph/MeV a je nejúčinnějším scintilačním materiálem ve třídě monokrystalických kyslíkatých sloučenin, viz přehledový článek [1], Vzhledem k ultravysokému světelnému výtěžku nachází tento materiál aplikace ve vícero oblastech, např. v lékařském zobrazování, high-tech průmyslu či monitoringu radioaktivních materiálů v životním prostředí včetně bezpečnostních technik.
Růst objemových monokrystalů GGAG:Ce v průmyslových podmínkách se uskutečňuje z vysokoteplotní taveniny metodou Czochralského a největší krystaly uváděné v literatuře dosahují průměru cca 10 cm s délkou válcové části přes 10 cm. Vzhledem k přítomnosti Ga ve složení materiálu je nutné používat pro pěstování iridiový kelímek, což výrobu významně
- 1 CZ 37255 UI prodražuje vzhledem k prudce rostoucí ceně iridia. Proto je snahou modifikovat složení tohoto multikomponentního granátu tak, aby bylo možné použít pro pěstování z taveniny kelímek z molybdenu či wolframu, jejichž cena je mnohonásobně nižší. Pěstování z taveniny molybdenovém kelímku bylo nedávno publikováno pro složení Gd3Sc2AhOi2:Ce (GSAG:Ce) [2], dosažená hodnota LY cca 10000 ph/MeV je ale násobně nižší než u GGAG:Ce.
Úkolem technického řešení je proto vytvoření takového multikomponentního monokrystalického scintilátoru s granátovou strukturou vycházejícího ze složení GSAG:Ce, který bude dosahovat vyšších hodnot světelného výtěžku neboli LY než u publikovaných monokrystalů [2], a bude ho možné pěstovat jako objemový monokrystal z taveniny v molybdenovém či wolframovém kelímku.
[1] M. Nikl, A. Yoshikawa, Recent R&D trends in inorganic single crystal scintillator materials for radiation detection. Adv. Opt. Mater. 3, 463 až 481 (2015).Doi: 10.1002/adom.201400571
[2] O. Zapadlík, J. Pejchal, R. Kučerková, A. Beitlerová, M. Niki, Composition-Engineered GSAG Garnet: Single-Crystal Host for Fast Scintillators. Crystal Growth & Design 21 (2021) 7139-7149. DOI: 10.1021/acs.cgd.lc01007
Podstata technického řešení
Vytčený úkol je vyřešen pomocí multikomponentního monokrystalického scintilátoru na bázi na bázi cerem dopovaného granátu neboli na bázi granátové struktury (Gd,Y)3(Sc,Al)50i2 dopované cerem podle tohoto technického řešení. Podstata technického řešení spočívá v tom, že odpovídá obecnému chemickému vzorci Gd3-xyYxCeySc2A130i2, kde stechiometrický koeficient „x“ leží v intervalu 0,01 < x < 1 a stechiometrický koeficient „y“ je 0,01.
Multikomponentní monokrystalický scintilátor umožňuje scintilační detekci rentgenového či gama záření nebo urychlených částic s účinností pro optimalizované složení významně převyšující standartní scintilátor BGO neboli bizmut-germanium-oxid Bi4Ge30i2 nebo pro známé monokrystaly GSAG:Ce. Předností multikomponentního monokrystalického scintilátoru ve srovnání se standartním scintilátorem BGO je vyšší světelný výtěžek a také rychlejší scintilační odezva než v případě BGO, která je cca 300 ns = 1/e doba života.
Multikomponentní monokrystalický scintilátor na bázi multikomponentního Gd-Y-Sc-Al granátu se pěstuje s pomocí nákladově efektivní technologie růstem krystalu v redukční atmosféře s použitím molybdenového či wolframového kelímku. Takové monokrystaly byly vypěstovány metodou micro-pulling-down z molybdenového kelímku v redukční atmosféře a následně přežíhány při vysoké teplotě na vzduchu.
Výhody multikomponentního monokrystalického scintilátoru podle tohoto technického řešení spočívají zejména v tom, že dosahuje vyšších hodnot světelného výtěžku neboli LY než u známých monokrystalů, a navíc je ho možné pěstovat jako objemový monokrystal z taveniny v molybdenovém či wolframovém kelímku.
Objasnění výkresů
Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:
obr. la znázorňuje fotografii vypěstovaného a vyžíhaného monokrystalu
Gd2,79Yo,2Ce0,0iSc2A130i2,;
-2CZ 37255 UI obr. 1b znázorňuje fotografii vypěstovaného a vyžíhaného monokrystalu Gd2,49Yo,5Ce0,0iSc2Al3Oi2;
obr. 1c znázorňuje fotografii vypěstovaného a vyžíhaného monokrystalu Gd2,i9Yo,8Ce0,0iSc2Al3Oi2;
obr. 2 znázorňuje absorpční spektra monokrystalů s vyznačenými přechody na Ce3+ a Gd3+;
obr. 3 znázorňuje radioluminiscenční spektra monokrystalů při buzení kontinuálním rentgenovým zářením; a obr. 4 znázorňuje spektrálně nerozlišený scintilační dosvit monokrystalu Gd2,79Yo,2Ce0,0iSc2Al3Oi2při buzení gama fotony 662 keV z radioisotopu 137Cs.
Příklad uskutečnění technického řešení
Na obr. 1 jsou vyobrazeny monokrystalické tyčky multikomponentního monokrystalického scintilátoru podle tohoto technického řešení pěstované metodou micro-pulling-down Czochralského technologií v redukční atmosféře s použitím molybdenového kelímku.
Příklad 1
Byl připraven vzorek monokrystalu multikomponentního monokrystalického scintilátoru o složení Gd3-x-yYxCeySc2Al30i2, kde x=0,2 a y=0,01, jedná se tedy o Gd2.79Yo.2Ceo.oiSc2Al3Oi2, který by přípraven následujícím postupem:
Binární oxidy Gd2O3, Y3O3, Sc2O3, ABO3 a CeO2 o čistotě 5N byly smíchány v poměru odpovídajícím uvedené chemické formuli v úhrnné hmotnosti cca 1 g, vloženy do molybdenového kelímku a roztaveny při teplotě cca 1820 °C. Tavenina byla homogenizována při této teplotě po dobu cca 1 hod, pak byl zahájen růst krystalu dotykem zárodku krystalu YAG:Ce s taveninou. Růst probíhal v redukční atmosféře Ar+5 %H2, která zabraňuje oxidaci kelímku, rychlostí 0,03 mm/min. Byla spotřebována veškerá tavenina z kelímku. Ochlazení krystalu na pokojovou teplotu trvalo cca 2 hod. Vyrostlý Gd2,79Yo,2Ceo,oiSc2Al3Oi2 krystal byl poté žíhán 12 hod na vzduchu při 1200 °C a jeho finální vzhled je na obr. la. Cca 0,5 cm od konce tyčky bylo odříznuto kolečko a oboustranně naleštěno na finální tloušťku 1 mm, které bylo použito pro další charakterizace.
Příklad 2
Byl připraven vzorek monokrystalu multikomponentního monokrystalického scintilátoru o složení Gd3-x-yYxCeySc2Al30i2, kde x=0,5 a y=0,01, jedná se tedy o Gd2.49Yo.5Ceo.oiSc2Al3Oi2, který by přípraven následujícím postupem:
Binární oxidy Gd2O3, Y3O3, Sc2O3, ABO3 a CeO2 o čistotě 5N byly smíchány v poměru odpovídajícím uvedené chemické formuli v úhrnné hmotnosti cca 1 g, vloženy do molybdenového kelímku a roztaveny při teplotě cca 1820 °C. Tavenina byla homogenizována při této teplotě po dobu cca 1 hod, pak byl zahájen růst krystalu dotykem zárodku krystalu YAG:Ce s taveninou. Růst probíhal v redukční atmosféře Ar+5 %H2, která zabraňuje oxidaci kelímku, rychlostí 0,03 mm/min. Byla spotřebována veškerá tavenina z kelímku. Ochlazení krystalu na pokojovou teplotu trvalo cca 2 hod. Vyrostlý Gd2,49Yo,5Ceo,oiSc2Al3Oi2 krystal byl poté žíhán 12 hod na vzduchu při 1200 °C a jeho finální vzhled je na obr. 1b. Cca 0,5 cm od konce tyčky bylo odříznuto kolečko a oboustranně naleštěno na finální tloušťku 1 mm, které bylo použito pro další charakterizace.
-3 CZ 37255 UI
Příklad 3
Byl připraven vzorek monokrystalu multikomponentního monokrystalického scintilátoru o složení Gd3-x-yYxCeySc2A130i2, kde x=0,8 a y=0,01, jedná se tedy o Gd2,i9Yo.sCeo,oiSc2Al3Oi2, který by přípraven následujícím postupem:
Binární oxidy Gd2O3, Y2O3, Sc2O3, ABO3 a CeO2 o čistotě 5N byly smíchány v poměru odpovídajícím uvedené chemické formuli v úhrnné hmotnosti cca 1 g, vloženy do molybdenového kelímku a roztaveny při teplotě cca 1820 °C. Tavenina byla homogenizována při této teplotě po dobu cca 1 hod, pak byl zahájen růst krystalu dotykem zárodku krystalu YAG:Ce s taveninou. Růst probíhal v redukční atmosféře Ar+5 %H2, která zabraňuje oxidaci kelímku, rychlostí 0,03 mm/min. Byla spotřebována veškerá tavenina z kelímku. Ochlazení krystalu na pokojovou teplotu trvalo cca 2 hod. Vyrostlý Gd2,i9Yo,sCeo,oiSc2Al3Oi2 krystal byl poté žíhán 12 hod na vzduchu při 1200 °C a jeho finální vzhled je na obr. 1c. Cca 0,5 cm od konce tyčky bylo odříznuto kolečko a oboustranně naleštěno na finální tloušťku 1 mm, které bylo použito pro další charakterizace.
Monokrystalické tyčky mají místy matný povrch vlivem redukční atmosféry při růstu krystalu, ale v objemu jsou transparentní, což dokumentují absorpční spektra na obr. 2, měřená na 1 mm naleštěných kolečkách. Ve spektrech jsou označeny absorpční přechody iontů Ce3+ aGd3+. Scintilační spektra jsou na obr. 3 a dominuje jim luminiscence centra Ce3+ (přechod 5di-4f) s maximem u 550 nm. Jejich intensita roste se snižováním obsahu yttria a dosahuje cca 2,4 až 2,5x vyšší amplitudy v porovnání se standartním scintilátorem BGO. Příklad scintilačního dosvitu při buzení radioisotopem 137Cs (662 Ke V) je na obr. 4 pro x=0,2. Pro praxi důležitá tzv. 1/e doba života je z dosvitu vyhodnocena na cca 220 ns, takže více než 90 % intensity scintilačního výstupu lze pojmout při měření světelného výtěžku LY se standartní časovou konstantou elektroniky (shaping time) 1 mikrosekunda.
Světelný výtěžek vzorků multikomponentního monokrystalického scintilátoru je uveden v tabulce 1 a dosahuje pro x = 0,2 hodnoty 13970 ph/MeV což je o 37 % vyšší hodnota než pro GSAG:Ce v Ref. [2] uvedené výše a l,85x vyšší než u standartního scintilátoru BGO.
Tabulka 1, která uvádí hodnoty světelného výtěžku LY měřené s časovou konstantou detekční elektroniky 1 mikrosekunda.
V zorek multikomponentního monokrystalického scintilátoru LY (ph/MeV)
x = 0,8, y = 0,01 Gd2,7?Y0,2Ceo,eiS€2AhOn 8450
x = 0,5, y = 0,01 Gd2^Yo,5Ceo,OÍSc2AhOi2 11990
x - 0,2, y - 0,01 Gdi.^Yo^Ceo^rSciALOu 13970
BGO standard 7570
Odborník bude v rámci rutinního plnění zadaného úkolu schopen navrhnout materiály pro multikomponentní monokrystalický scintilátor s jiným složením ve vymezeném intervalu kompozičních hodnot při zachování technické myšlenky tohoto technického řešení.
-4CZ 37255 UI
Průmyslová využitelnost
Multikomponentní monokrystalický scintilátor podle tohoto technického řešení lze využít zejména v optických nebo optoelektronických aplikacích. Obecně lze ale multikomponentní 5 monokrystalický scintilátor použít tam, kde je používán standartní scintilátor BGO.

Claims (1)

1. Multikomponentní monokrystalický scintilátor na bázi cerem dopovaného granátu, vyznačující se tím, že
5 odpovídá obecnému chemickému vzorci Gd3-xyYxCeySc2A130i2, kde stechiometrický koeficient „x“ leží v intervalu 0,01 < x < 1, a kde stechiometrický koeficient „y“ je 0,01.
CZ2023-41157U 2023-07-20 2023-07-20 Multikomponentní monokrystalický scintilátor CZ37255U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2023-41157U CZ37255U1 (cs) 2023-07-20 2023-07-20 Multikomponentní monokrystalický scintilátor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2023-41157U CZ37255U1 (cs) 2023-07-20 2023-07-20 Multikomponentní monokrystalický scintilátor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ37255U1 true CZ37255U1 (cs) 2023-08-23

Family

ID=87846565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2023-41157U CZ37255U1 (cs) 2023-07-20 2023-07-20 Multikomponentní monokrystalický scintilátor

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ37255U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK2671940T3 (en) Single crystal of garnet type to a scintillator, and a radiation detector using the same
CN103249805B (zh) 包含掺杂稀土硅酸盐的发光材料
US6818896B2 (en) Scintillator crystals and their applications and manufacturing process
Chen et al. Slow scintillation suppression in yttrium doped BaF 2 crystals
US20040084655A1 (en) Terbium or lutetium containing scintillator compositions having increased resistance to radiation damage
US8486300B2 (en) Lanthanide doped strontium barium mixed halide scintillators
CN103388179B (zh) 共掺杂的掺铊碘化铯闪烁晶体及其制备方法和应用
US20230002927A1 (en) Li+ doped metal halide scintillation crystal with zero-dimensional perovskite structure, preparation method and use thereof
Yanagida et al. Scintillation properties of transparent ceramic and single crystalline Nd: YAG scintillators
US11142689B2 (en) Yttrium-doped barium fluoride crystal and preparation method and use thereof
JP2012180399A (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶、及び、これを用いる放射線検出器
JP2013002882A (ja) 放射線検出器
CN103403126B (zh) 闪烁体、放射线检测装置及放射线检测方法
JP2009074039A (ja) 単結晶シンチレーター
JP2013040274A (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶およびこれを用いる放射線検出器
JP2013043960A (ja) シンチレータ用ガーネット型結晶およびこれを用いる放射線検出器
CZ37255U1 (cs) Multikomponentní monokrystalický scintilátor
CN110760307A (zh) 一种稀土掺杂石榴石结构闪烁体
Zahra et al. Effect of annealing temperature on scintillation properties of Ce3+ doped Y2SiO5 nanomaterials synthesized by the sol-gel pathway
CN113293436A (zh) 一种近红外闪烁晶体及其制备方法与应用
Kimura et al. Optical and radiation response properties of Nd-doped BaTi4O9 crystals emitting near-infrared photons
Shah et al. LaBr/sub 3: Ce scintillators for gamma ray spectroscopy
CN118480351A (zh) 八面体格位掺杂改善铝镓酸钆闪烁材料、制备方法和应用
WO2012105695A1 (ja) 中性子線検出用シンチレーター及び中性子線検出装置
US8384035B2 (en) Lanthanide doped barium phosphorous oxide scintillators

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20230823