RU2564038C1 - Scintillation substance - Google Patents
Scintillation substance Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564038C1 RU2564038C1 RU2014112956/03A RU2014112956A RU2564038C1 RU 2564038 C1 RU2564038 C1 RU 2564038C1 RU 2014112956/03 A RU2014112956/03 A RU 2014112956/03A RU 2014112956 A RU2014112956 A RU 2014112956A RU 2564038 C1 RU2564038 C1 RU 2564038C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glass
- ions
- glasses
- scintillation
- luminescence
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 52
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- WVMPCBWWBLZKPD-UHFFFAOYSA-N dilithium oxido-[oxido(oxo)silyl]oxy-oxosilane Chemical compound [Li+].[Li+].[O-][Si](=O)O[Si]([O-])=O WVMPCBWWBLZKPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 abstract description 12
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 abstract description 11
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- -1 cerium ions Chemical class 0.000 abstract description 7
- 239000012190 activator Substances 0.000 abstract description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 5
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 abstract description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 abstract 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 4
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- MYWUZJCMWCOHBA-VIFPVBQESA-N methamphetamine Chemical compound CN[C@@H](C)CC1=CC=CC=C1 MYWUZJCMWCOHBA-VIFPVBQESA-N 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910019400 Mg—Li Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000001748 luminescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-BJUDXGSMSA-N (6Li)Lithium Chemical compound [6Li] WHXSMMKQMYFTQS-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 1
- 229910001148 Al-Li alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N Li2O Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010411 cooking Methods 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 1
- XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M dilithium;hydroxide Chemical compound [Li+].[Li+].[OH-] XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 239000005365 phosphate glass Substances 0.000 description 1
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009103 reabsorption Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C4/00—Compositions for glass with special properties
- C03C4/0078—Compositions for glass with special properties for glass for dosimeters
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
- C03C10/0009—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing silica as main constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
- C03C10/0018—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and monovalent metal oxide as main constituents
- C03C10/0027—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and monovalent metal oxide as main constituents containing SiO2, Al2O3, Li2O as main constituents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C3/00—Glass compositions
- C03C3/04—Glass compositions containing silica
- C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
- C03C3/095—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing rare earths
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C4/00—Compositions for glass with special properties
- C03C4/0042—Compositions for glass with special properties for glass comprising or including particular isotopes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C2214/00—Nature of the non-vitreous component
- C03C2214/16—Microcrystallites, e.g. of optically or electrically active material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционных неорганических материалов для измерения ионизирующего изучения на основе силикатных стекол и стеклокомпозитов, активированных ионами церия, в частности к материалам для регистрации нейтронов.The invention relates to a technology for producing scintillation inorganic materials for measuring an ionizing study based on silicate glasses and glass composites activated by cerium ions, in particular to materials for detecting neutrons.
Известны фосфатные сцинтилляционные стекла [1] для регистрации нейтронов, однако спектр люминесценции в таких стелах лежит в ультрафиолетовой области спектра, что требует применения фотоприемников с улучшенной спектральной чувствительностью в ультрафиолете.Phosphate scintillation glasses [1] are known for detecting neutrons, however, the luminescence spectrum in such steles lies in the ultraviolet region of the spectrum, which requires the use of photodetectors with improved spectral sensitivity in ultraviolet light.
Известны сцинтилляционные стекла, полученные в системе Li2O-MgO-SiO2-Ce [2, 3]. Спектр люминесценции в таких стеклах сдвинут в голубую область спектра по отношению к фосфатным стеклам, однако максимум полосы остается в диапазоне короче 400 нм и лежит в ближнем ультрафиолетовом диапазоне.Known scintillation glasses obtained in the system Li 2 O-MgO-SiO 2 -Ce [2, 3]. The luminescence spectrum in such glasses is shifted to the blue region of the spectrum with respect to phosphate glasses, however, the band maximum remains in the range shorter than 400 nm and lies in the near ultraviolet range.
Известны сцинтилляционные стекла, содержащие Si, Al и Li, и активированные ионами церия. В таких стеклах выход сцинтилляций увеличивается с увеличением содержания алюминия [4]. Описан широкий ряд составов стекол в системе Li2O-Al2O3-Ce2O3-SiO2, в интервале составов: Li2O - 17,5-35,0 мол.% (8,5-20,5 вес.%), Al2O3 - 0-18,0 мол.% (0-29,7 вес.%), Се2О3 - 0,59-0,63 мол.% (3,18-3,85 вес.%), SiO2 - 54,9-79,3 мол.% (55,8-84,0 вес.%), для которых установлен эффект повышения световыхода сцинтилляций при термообработке в течение 1-6 часов при температуре 400°С. Недостатком указанных стекол является понижение содержания ионов лития в материале, что негативно сказывается на эффективности регистрации нейтронов.Known scintillation glasses containing Si, Al and Li, and activated by cerium ions. In such glasses, the scintillation yield increases with increasing aluminum content [4]. A wide range of glass compositions in the Li system is described.2O-al2O3-Ce2O3-SiO2, in the range of compositions: Li2O - 17.5-35.0 mol.% (8.5-20.5 wt.%), Al2O3 - 0-18.0 mol.% (0-29.7 wt.%), Ce2ABOUT3- 0.59-0.63 mol.% (3.18-3.85 wt.%), SiO2 - 54.9-79.3 mol.% (55.8-84.0 wt.%), For which the effect of increasing the scintillation light output during heat treatment for 1-6 hours at a temperature of 400 ° C was established. The disadvantage of these glasses is a decrease in the content of lithium ions in the material, which negatively affects the efficiency of neutron detection.
Известны сцинтилляционные силикатные стекла, содержащие литий для поглощения нейтронов с природным соотношением изотопов, или обогащенные изотопом 6Li.Комбинация в активированном церием стекле только ионов Si и Li позволяет создавать сцинтилляционные вещества с наибольшей эффективностью регистрации тепловых нейтронов за счет повышенного содержания лития [5-7]. В Таблице 1 приведено сравнение содержания лития в различных сцинтилляционных стеклах, доступных на рынке. Недостатком стекол с максимальным содержанием лития является пониженный выход сцинтилляций по отношению к сцинтилляционным стеклам, активированным ионами Се и полученных в системах Si-Al-Li, Si-Mg-Li и Si-Al-Mg-Li.Known scintillation silicate glasses containing lithium for neutron absorption with a natural isotope ratio, or enriched with the 6 Li isotope. The combination of only Si and Li ions in cerium-activated glass allows the creation of scintillation substances with the highest detection efficiency of thermal neutrons due to the increased lithium content [5-7 ]. Table 1 compares the lithium content of various scintillation glasses available on the market. A disadvantage of glasses with a maximum lithium content is a reduced scintillation yield with respect to scintillation glasses activated by Ce ions and obtained in Si-Al-Li, Si-Mg-Li and Si-Al-Mg-Li systems.
Целью настоящего изобретения является увеличение выхода сцинтилляций силикатных стекол, содержащих литий и активированных ионами редкоземельных активаторов. В качестве прототипа принято стекло KG2 [8]. По сравнению со стеклами, содержащими Mg и Al, выход сцинтилляций в таком стекле в 2 раза меньше [5-7]. Использование для приготовления стекла реактивов высокой чистоты позволяет увеличить выход сцинтилляций до уровня 70% от выхода стекол, содержащих Mg и Al, однако это существенно удорожает стоимость такого стекла. Вместе с тем, повышенное содержание лития в таком стекле позволяет делать тоньше детекторные элементы, сохраняя высокую эффективность регистрации, что уменьшает эффект перепоглощения люминесценции.The aim of the present invention is to increase the yield of scintillation of silicate glasses containing lithium and activated by rare-earth activator ions. As a prototype adopted glass KG2 [8]. Compared to glasses containing Mg and Al, the scintillation yield in such a glass is 2 times lower [5-7]. The use of high-purity reagents for glass preparation allows one to increase the yield of scintillations to the level of 70% of the output of glasses containing Mg and Al, however, this significantly increases the cost of such glass. At the same time, the increased lithium content in such a glass allows the detector elements to be made thinner, while maintaining a high detection efficiency, which reduces the effect of luminescence reabsorption.
Для решения поставленной задачи предлагается в стеклах, содержащих высокое количество Li-Si, создать наноразмерные включения дисиликата лития путем термической обработки стекла в указанном температурном диапазоне и заданном времени.To solve this problem, it is proposed in glasses containing a high amount of Li-Si to create nanosized inclusions of lithium disilicate by heat treatment of glass in the specified temperature range and specified time.
Известно, что стекло с составом, соответствующим стехиометрическому соотношению Li2O*2SiO2, кристаллизуется при дополнительной термической обработке с образованием стеклокерамики [9]. Образование кристаллических зародышей происходит гомогенно по всему объему стекла [10]. Такая стеклокерамика нашла широкое применение в технике и медицинском протезировании, содержит кристаллические включения дисиликата лития с размерами более 1 мкм и является непрозрачной. На рисунке 1 приведена термограмма стекла, полученного из смеси Li2O*2SiO2, измеренная методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и отображающая процессы, проходящие в стекле при нагреве. Точка 475°С соответствует температуре стеклования (Tg). Тепловой эффект с началом в районе 710°С и максимумом в районе 770°С соответствует кристаллизации дисиликата лития Li2Si2O5. Добавление ионов Се в систему сдвигает тепловой эффект кристаллизации в сторону больших температур.It is known that glass with a composition corresponding to the stoichiometric ratio Li 2 O * 2SiO 2 crystallizes upon additional heat treatment to form glass ceramics [9]. The formation of crystalline nuclei occurs homogeneously throughout the entire volume of the glass [10]. Such glass ceramics are widely used in technology and medical prosthetics, contain crystalline inclusions of lithium disilicate with sizes greater than 1 μm and are opaque. Figure 1 shows a thermogram of glass obtained from a mixture of Li 2 O * 2SiO 2 , measured by differential scanning calorimetry (DSC) and showing the processes that take place in the glass when heated. The point 475 ° C corresponds to the glass transition temperature (Tg). The thermal effect with a start at around 710 ° C and a maximum at around 770 ° C corresponds to crystallization of lithium disilicate Li 2 Si 2 O 5 . The addition of Ce ions to the system shifts the thermal effect of crystallization toward higher temperatures.
Стекло, изготовленное в системе Li2O - SiO2 со стехиометрическим составом Li2O*2SiO2, позволяет сохранить высокое содержание ионов 1 л при добавочном введении в шихту окиси церия Се2О3 вплоть до 10 вес.%. На рисунках 2-4 приведены спектры фотолюминесценции и ее возбуждения в зависимости от температуры отжига при одинаковой длительности отжига. В образцах до отжига наблюдается характерная для таких стекол люминесценция ионов Се3+, имеющая максимумы полос вблизи 400 нм. Отжиг при температуре 550°С вблизи Tg не приводит к изменению спектров люминесценции и ее возбуждения. Отжиг при температуре 650°С в течение 1 часа приводит к сдвигу максимумов длинноволновых полос фотовозбуждения и фотолюминесценции на 12 нм и 25 нм соответственно. Изменение формы и структуры полос возбуждения указывает на образование новых центров свечения на основе ионов Се3+. На рисунке 5 приведены спектры рентгеновской дифракции образца стекла Li2O*2SiO2, активированного ионами церия, после термической обработки в течение 1 ч при 650°С и соответствующие линии кристаллического соединения дисиликата лития Li2Si2O5. Появление новых полос люминесценции коррелирует с появлением кристаллической фазы дисиликата лития, что позволяет соотнести новые полосы люминесценции с ионами Се3+ в кристаллитах дисиликата лития.Glass made in the Li 2 O - SiO 2 system with a stoichiometric composition of Li 2 O * 2SiO 2 allows one to maintain a high content of ions of 1 L with the addition of cerium oxide Ce 2 O 3 into the charge up to 10 wt.%. Figures 2-4 show the spectra of photoluminescence and its excitation depending on the annealing temperature for the same annealing duration. Before annealing, the luminescence of Ce 3+ ions characteristic of such glasses is observed, having band maxima near 400 nm. Annealing at a temperature of 550 ° C near Tg does not lead to a change in the luminescence spectra and its excitation. Annealing at a temperature of 650 ° C for 1 hour leads to a shift of the maxima of the long-wavelength photoexcitation and photoluminescence bands by 12 nm and 25 nm, respectively. A change in the shape and structure of the excitation bands indicates the formation of new glow centers based on Ce 3+ ions. Figure 5 shows the X-ray diffraction spectra of a sample of glass of Li 2 O * 2SiO 2 activated by cerium ions after heat treatment for 1 h at 650 ° C and the corresponding lines of the crystalline compound of lithium disilicate Li 2 Si 2 O 5 . The appearance of new luminescence bands correlates with the appearance of the crystalline phase of lithium disilicate, which allows us to correlate the new luminescence bands with Ce 3+ ions in lithium disilicate crystallites.
Размер кристаллитов дисиликата лития Li2Si2O5 в стекле определяется температурой отжига и его длительностью. Термическую обработку стекла проводят в условиях, препятствующих появлению кристаллитов с размерами более 100 нм. При большем размере частиц для длин волн видимого диапазона происходит существенное рассеяние света на таких частицах, что приводит к уменьшению регистрируемого выхода люминесценции. Люминесценция ионов Се3+ в стекле и в кристаллитах складывается, обеспечивая спектральный сдвиг суммарной полосы люминесценции. В случае, когда люминесценция является сцинтилляцией, ее выход увеличивается в кристаллических соединениях по сравнению с аналогичными по составу соединениями в стеклообразном состоянии, поэтому преобразование части стекла в кристаллическую фазу с тем же элементным составом приводит к увеличению суммарного выхода сцинтилляций.The crystallite size of lithium disilicate Li 2 Si 2 O 5 in the glass is determined by the annealing temperature and its duration. Glass heat treatment is carried out under conditions that prevent the appearance of crystallites with sizes greater than 100 nm. With a larger particle size for the visible wavelengths, there is a significant scattering of light by such particles, which leads to a decrease in the recorded luminescence yield. The luminescence of Ce 3+ ions in glass and crystallites is added, providing a spectral shift of the total luminescence band. In the case when luminescence is scintillation, its yield increases in crystalline compounds in comparison with similar compounds in a glassy state, therefore, the conversion of a part of glass to a crystalline phase with the same elemental composition leads to an increase in the total yield of scintillations.
Процесс приготовления материала включает в себя приготовление шихты из смеси исходных компонентов, возможную промежуточную термообработку шихты, возможное введение дополнительных компонентов в смесь, загрузку шихты в тигель (в зависимости от точного состава возможно использование корундового, платинового тиглей, или любого другого, распространенного в стекольной промышленности оборудования), варку стекла с использованием электрической либо газовой печи, выработку стекла в виде готового изделия либо в виде фритты. Варку ведут при температуре 1300-1400°С. Фритта может быть использована для формования конечного изделия методом горячего прессования, методом вакуумного спекания, либо путем повторного проплавления. Li2O вводится карбонатом лития 6Li2CO3, что обеспечивает присутствие атомов лития-6 (6Li) в матрице стекла.The process of preparing the material includes the preparation of a mixture from a mixture of the starting components, the possible intermediate heat treatment of the mixture, the possible introduction of additional components into the mixture, loading the mixture into a crucible (depending on the exact composition, corundum, platinum crucibles, or any other glass industry-wide one can be used equipment), glass melting using an electric or gas furnace, glass production in the form of a finished product or in the form of a frit. Cooking is carried out at a temperature of 1300-1400 ° C. The frit can be used to form the final product by hot pressing, vacuum sintering, or by remelting. Li 2 O is introduced by lithium carbonate 6 Li 2 CO 3 , which ensures the presence of lithium-6 ( 6 Li) atoms in the glass matrix.
Для приготовления шихты используются химические реактивы с содержанием основных компонентов не менее 99%. Полученное стекло отжигается на воздухе, либо в атмосфере инертного газа, либо в вакууме в диапазоне температур 500-750°С в течение интервалов времени от 1 мин до 100 часов. В таблице 2 приведены составы стекол и результат их термической обработки. Для сравнения дано содержание лития в прототипе.To prepare the mixture, chemical reagents with a content of the main components of at least 99% are used. The resulting glass is annealed in air, either in an inert gas atmosphere or in vacuum in the temperature range of 500-750 ° C for time intervals from 1 min to 100 hours. Table 2 shows the compositions of the glasses and the result of their heat treatment. For comparison, given the lithium content in the prototype.
Кристаллиты дисиликата лития Li2Si2O5 могут быть получены при термической обработке стекол, содержащих дополнительно Mg и/или Al. Однако в таких системах наблюдается конкуренция по кристаллизации различных соединений. На рисунке 6 приведены кристаллические соединения, которые могут быть получены в системе Li-Al-Si [11].Crystallites of lithium disilicate Li 2 Si 2 O 5 can be obtained by heat treatment of glasses, optionally containing Mg and / or Al. However, in such systems, competition is observed for the crystallization of various compounds. Figure 6 shows crystalline compounds that can be obtained in the Li – Al – Si system [11].
Предложенный материал отличается от описанных в [12, 13] нанокомпозитных сцинтилляторов, состоящих из матрицы (полимерной или стеклообразной) и наночастиц сцинтиллирующего вещества широкого ряда составов, поскольку наночастицы сцинтиллирующего вещества дисиликата лития в описываемом случае образуются непосредственно из атомов, входящих в состав стекла путем кристаллизации стекла при термической обработке, а сцинтилляционный эффект обусловлен сложением эффекта сцинтилляций как в стекле, так и в нанокристаллитах.The proposed material differs from the nanocomposite scintillators described in [12, 13], which consist of a matrix (polymer or glassy) and nanoparticles of a scintillating substance of a wide range of compositions, since nanoparticles of a scintillating substance of lithium disilicate in this case are formed directly from the atoms that make up the glass by crystallization glass during heat treatment, and the scintillation effect is due to the addition of the scintillation effect both in glass and in nanocrystallites.
В зависимости от решаемых задач при детектировании нейтронов в качестве активатора могут быть использованы и другие трехвалентные ионы активаторов, такие как Pr, Eu, Tb, Dy, Yb. Ионы трехвалентного празеодима являются известным активатором для получения быстрых сцинтилляций в УФ области спектра за счет межконфигурационной люминесценции d→f в кислородных соединениях [14]. Ионы двухвалентного европия также обеспечивают сцинтилляции зелено-голубой области спектра за счет d→f люминесцентных переходов, однако время релаксации такой люминесценции выше более чем на порядок, чем в соединениях, активированных ионами трехвалентного церия. Ионы трехвалентных Eu, Tb, Dy, Yb перекрывают широкий диапазон спектра от 350 до 950 нм за счет f→f люминесцентных переходов с характерным временем затухания в диапазоне миллисекунд и могут использоваться для получения сцинтилляционного вещества, используемого при регистрации малоинтенсивных потоков термализованных нейтронов.Depending on the tasks to be solved, when detecting neutrons, other trivalent activator ions, such as Pr, Eu, Tb, Dy, Yb, can be used as an activator. Trivalent praseodymium ions are a known activator for obtaining fast scintillations in the UV spectral region due to interfiguration luminescence d → f in oxygen compounds [14]. Divalent europium ions also provide scintillation of the green-blue spectral region due to d → f luminescent transitions, however, the relaxation time of such luminescence is more than an order of magnitude higher than in compounds activated by trivalent cerium ions. Ions of trivalent Eu, Tb, Dy, Yb cover a wide spectral range from 350 to 950 nm due to f → f luminescent transitions with a characteristic decay time in the millisecond range and can be used to obtain a scintillation substance used to detect low-intensity thermalized neutron fluxes.
ЛитератураLiterature
1. US Patent 201/0111487 A1.1. US Patent 201/0111487 A1.
2. V.I. Arbusovetal, Radiation Measurements 25(1-4), 1995, pp. 475-476.2. V.I. Arbusovetal, Radiation Measurements 25 (1-4), 1995, pp. 475-476.
3. Б.В. Шульгин и др., Физика твердого тела, т. 45, вып. 6, 2005, 1364-1367.3. B.V. Shulgin et al., Solid State Physics, vol. 45, no. 6, 2005, 1364-1367.
4. M. Blissetal., Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A, 342 (1994) 357-363.4. M. Blissetal., Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A, 342 (1994) 357-363.
5. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATINGGLASSES: PARTI. Activation by external charged particles and thermal neutrons, Nucl. Inst. & Meth. 135 (1976) 441-4535. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATING GLASSES: PARTI. Activation by external charged particles and thermal neutrons, Nucl. Inst. & Meth. 135 (1976) 441-453
6. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATINGGLASSES: PARTIT The effect of temperature on pulse height and conductivity, Nucl. Inst. & Meth. 140 (1977) 19-28.6. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATING GLASSES: PARTIT The effect of temperature on pulse height and conductivity, Nucl. Inst. & Meth. 140 (1977) 19-28.
7. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATINGGLASSES: PARTIII. Pulse decay time measurements at room temperature ", Nucl. Inst. & Meth. 150 (1978) 159-163.7. A.R. Spowart, "NEUTRONSCINTILLATING GLASSES: PARTIII. Pulse decay time measurements at room temperature", Nucl. Inst. & Meth. 150 (1978) 159-163.
8. http://www.crystals.saint-gobain.com/uploadedFiles/SG Crvstals/Documents/Glass%20Scintillators.pdf.8. http://www.crystals.saint-gobain.com/uploadedFiles/SG Crvstals / Documents / Glass% 20Scintillators.pdf .
9. W. Holand, G.H. Beall, Glass ceramics technology, Second edition, Wiley, 2012.9. W. Holand, G.H. Beall, Glass ceramics technology, Second edition, Wiley, 2012.
10. J. Deubener. Configurational entropy and crystal nucleation of silicate glasses. Phys. Chem. Glass. 45 (2004) 61.10. J. Deubener. Configurational entropy and crystal nucleation of silicate glasses. Phys. Chem. Glass 45 (2004) 61.
11. A.E. Dosovitskiy, G.A. Dosovitskiy, M.V. Korjik, "Development of the new generation of glass-based neutron detection materials", SPIE Optics+Photonics, San Diego CA, USA, 12-16 Aug. 2012, in Proc. of SPIE 8507, 2012, 85070Q-1 - 9.11. A.E. Dosovitskiy, G.A. Dosovitskiy, M.V. Korjik, "Development of the new generation of glass-based neutron detection materials", SPIE Optics + Photonics, San Diego CA, USA, 12-16 Aug. 2012, in Proc. of SPIE 8507, 2012, 85070Q-1 - 9.
12. US Patent 2008/0128624 A1, D.W. Cooke, E.A. McKigney, R.E. Muenchausen, B.L. Bennett, K.C. Ott, R.E. Del Sesto, T.M. McCleskey, A.K. Burrell, "Nanocomposite scintillator and detector", опубликован 05.06.2008, приоритет 21.12.2005.12. US Patent 2008/0128624 A1, D.W. Cooke, E.A. McKigney, R.E. Muenchausen, B.L. Bennett, K.C. Ott, R.E. Del Sesto, T.M. McCleskey, A.K. Burrell, "Nanocomposite scintillator and detector", published June 5, 2008, priority December 21, 2005.
13. WO 2013/022492 A2, Ζ. Kang, B.K. Wagner, J.H. Nadler, R. Rosson, B. Kahn, M.B. Barta, "Transparent glass scintillators, methods of making same and devices using same", опубликован 14.02.2013, приоритет 29.03.2011.13. WO 2013/022492 A2, Ζ. Kang, B.K. Wagner, J.H. Nadler, R. Rosson, B. Kahn, M.B. Barta, "Transparent glass scintillators, methods of making the same and devices using the same", published on 02/14/2013, priority 03/29/2011.
14. Lecoq, P., Annenkov, Α., Gektin, Α., Korzhik, M., Pedrini, Inorganic Scintillators for Detector Systems // Springer. 2006. P. 251.14. Lecoq, P., Annenkov, Α., Gektin, Α., Korzhik, M., Pedrini, Inorganic Scintillators for Detector Systems // Springer. 2006.P. 251.
Claims (1)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112956/03A RU2564038C1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Scintillation substance |
| PCT/RU2015/000214 WO2015152774A1 (en) | 2014-04-03 | 2015-04-03 | Scintillator material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112956/03A RU2564038C1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Scintillation substance |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2564038C1 true RU2564038C1 (en) | 2015-09-27 |
Family
ID=54240936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014112956/03A RU2564038C1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Scintillation substance |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2564038C1 (en) |
| WO (1) | WO2015152774A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2795750C1 (en) * | 2022-04-06 | 2023-05-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Scintillation composite |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109613600B (en) * | 2018-12-25 | 2024-02-23 | 中国辐射防护研究院 | Method for measuring neutrons by gallium-doped glass |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2297987C1 (en) * | 2005-11-30 | 2007-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Glass |
| US7262144B2 (en) * | 2003-02-03 | 2007-08-28 | Schott Ag | Photostructurable body and process for treating a glass and/or a glass-ceramic |
| WO2011088217A2 (en) * | 2010-01-13 | 2011-07-21 | The Aerospace Corporation | Photostructured magnetic devices and methods for making same |
| WO2013003213A1 (en) * | 2011-06-28 | 2013-01-03 | 3M Innovative Properties Company | Glass-ceramics and methods of making the same |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2242545C1 (en) * | 2003-11-04 | 2004-12-20 | Загуменный Александр Иосифович | Scintillation substance (options) |
| US8369070B2 (en) * | 2010-01-13 | 2013-02-05 | The Aerospace Corporation | Photostructured electronic devices and methods for making same |
-
2014
- 2014-04-03 RU RU2014112956/03A patent/RU2564038C1/en not_active IP Right Cessation
-
2015
- 2015-04-03 WO PCT/RU2015/000214 patent/WO2015152774A1/en not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7262144B2 (en) * | 2003-02-03 | 2007-08-28 | Schott Ag | Photostructurable body and process for treating a glass and/or a glass-ceramic |
| RU2297987C1 (en) * | 2005-11-30 | 2007-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Glass |
| WO2011088217A2 (en) * | 2010-01-13 | 2011-07-21 | The Aerospace Corporation | Photostructured magnetic devices and methods for making same |
| WO2013003213A1 (en) * | 2011-06-28 | 2013-01-03 | 3M Innovative Properties Company | Glass-ceramics and methods of making the same |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2795750C1 (en) * | 2022-04-06 | 2023-05-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Scintillation composite |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2015152774A1 (en) | 2015-10-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9279891B2 (en) | Transparent glass scintillators, methods of making same and devices using same | |
| CN103249805A (en) | Luminescent material comprising a doped rare earth silicate | |
| JP3870418B2 (en) | Phosphor and phosphor composition containing the same | |
| CN102286286B (en) | The muriate scintillator of radiation detection | |
| CN102295931A (en) | Halide scintillator for radiation detection | |
| CN103951243B (en) | Rare earth ion doped Cs2LiYCl6Devitrified glass and preparation method thereof | |
| US9963356B2 (en) | Alkali metal hafnium oxide scintillators | |
| Tratsiak et al. | On the stabilization of Ce, Tb, and Eu ions with different oxidation states in silica-based glasses | |
| RU2564038C1 (en) | Scintillation substance | |
| CN103951197B (en) | Rare earth ion doped Cs2LiYBr6Devitrified glass and preparation method thereof | |
| Jarý et al. | Efficient Ultrafast Scintillation of KLuS 2: Pr 3+ Phosphor: A Candidate for Fast-Timing Applications | |
| CN103951222B (en) | Rare earth ion doped SrBr 2devitrified glass and preparation method thereof | |
| CN103951246B (en) | Cs2LiLuBr6 glass ceramics doped with rare earth ions and its preparation method | |
| CN103951240B (en) | Cs2LiLaCl6 glass ceramics doped with rare earth ions and its preparation method | |
| CN104058578B (en) | Ce is prepared in a kind of air atmosphere3+Activate the preparation method of scintillation glass | |
| CN103951198B (en) | Rare earth ion doped Cs2LiGdBr6Devitrified glass and preparation method thereof | |
| CN103951223B (en) | Rare earth ion doped Ba2CsI5Devitrified glass and preparation method thereof | |
| CN103951245B (en) | Rare earth ion doped Cs2LiLuCl6Devitrified glass and preparation method thereof | |
| CN103951247B (en) | Rare earth ion doped Cs2LiLuI6Devitrified glass and preparation method thereof | |
| Ramasamy et al. | Synthesis and TL emission properties of RE3+ (Tm, Tb, Ce, Gd and Dy) doped lithium based alkaline (Ca, Mg) earth metal borates | |
| Dai et al. | Rare-earth activated glass and glass-ceramic for neutron detection | |
| CN103951244B (en) | Cs2LiYI6 glass ceramics doped with rare earth ions and its preparation method | |
| RU2564291C1 (en) | Method of producing scintillation glass | |
| Kdib et al. | Thermoluminescence dosimetric characteristics of β-irradiated LuAG: Ce nanopowders for different cerium doping concentrations | |
| Pearson | Exploring the processing parameters for the preparation of luminescent lutetium oxyorthosilicate polycrystalline ceramics for gamma-ray detection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160404 |