PL217075B1 - Thermoluminescent detector - Google Patents

Abstract

The invention relates to means for registration of absorbed dose of ionizing radiation. Thermoluminescence detector includes basis and admixtures. As basis it includes compound oxide of rare earth element and metal from sub-group of aluminum, and as admixtures it includes bivalent manganese in amount of 0.001-1 at. % with respect to rare-earth element and compensation admixture with stable valence not lower than 4+, in amount of 0.001-1 at. % with respect to metal of sub-group of aluminum, at following component ratio, mol. %:The invention increases sensitivity and increases interval of registration of radiation dose absorbed.

Description

Przedmiotem wynalazku jest detektor termoluminescencyjny przeznaczony do rejestracji szerokiego zakresu pochłoniętych dawek promieniowania jonizacyjnego, a zwłaszcza do zastosowań w termoluminescencyjnych systemach dozymetrycznych.The subject of the invention is a thermoluminescent detector intended for recording a wide range of absorbed doses of ionizing radiation, in particular for applications in thermoluminescent dosimetry systems.

Przyrząd ten charakteryzuje się dużą czułością i szerokim zakresem pracy, a to umożliwia wykrywanie małych, średnich oraz wysokich dawek promieniowania. Detektory takie mogą znaleźć szerokie zastosowanie w badaniach kosmicznych, na obiektach jądrowych, w innych miejscach radiacyjnego zanieczyszczenia. Mogą być wykorzystywane wszędzie tam, gdzie istnieje podejrzenie, że poziom promieniowania przekracza poziom indywidualnej dozymetrii, jak na przykład charakteryzacja różnego typu materiałów, czy też sterylizacja jedzenia.This device is characterized by high sensitivity and a wide range of operation, which enables the detection of small, medium and high doses of radiation. Such detectors can be widely used in space research, at nuclear facilities, and in other places of radiation pollution. They can be used wherever there is a suspicion that the radiation level exceeds the level of individual dosimetry, such as the characterization of various types of materials or food sterilization.

Z publikacji: R. Chen, S. W. S McKecver, Theory of thermolumincscence and related phenomena. World Scientillc Publishing. Singapore, 1997; i S. W. S. McKcver, Thermoluminescence of Solids. Cambridge Uniwersity Press, Cambridge, 1985, znane są detektory termoluminescencyjne, w których elementy detekcyjne wytwarzane są z odpowiednio domieszkowanych różnych związków chemicznych. Do najczęściej stosowanych materiałów należą: LiF:MgTi (TLD-100); CaF2:Dy (TLD-200); Li2B4O7:Mn (TLD-800); CaSO4:Dy (TLD-900); Al2O3:C (TLD-500). Detektory wykorzystujące tego typu materiały stosowane są w dozymetrycznych systemach termoluminescencyjnych opracowanych przede wszystkim na potrzeby ochrony osobistej (kontroli indywidualnej) oraz na potrzeby monitorowania szeroko pojętego środowiska. Zakres pracy tych detektorów jest stosunkowo mały, rejestrują ₂ one jedynie małe dawki pochłoniętego promieniowania (poniżej 10² Gy). W przypadku konieczności rejestracji średnich i wysokich dawek takie detektory nie są przydatne.From: R. Chen, SW S McKecver, Theory of thermolumincscence and related phenomena. World Scientillc Publishing. Singapore, 1997; and SWS McKcver, Thermoluminescence of Solids. Cambridge University Press, Cambridge, 1985, there are known thermoluminescent detectors in which the detection elements are made of appropriately doped various chemical compounds. The most commonly used materials are: LiF: MgTi (TLD-100); CaF2: Dy (TLD-200); Li2B4O7: Mn (TLD-800); CaSO4: Dy (TLD-900); Al2O3: C (TLD-500). Detectors using this type of materials are used in dosimetric thermoluminescent systems developed primarily for the needs of personal protection (individual control) and for the monitoring of the broadly understood environment. Operating range of the detectors is relatively small, they are only ₂ register low doses of radiation absorbed (less than 10 ² Gy). For medium and high dose recording, such detectors are not useful.

Z opisu paleniu PL nr 200 747 znany jest tabletkowy element LiF do dozymetrii termoluminescencyjnej zawierający Mg, CU, Na i Si jako domieszki. Element len zawiera 0,35-0,12% mol. źródła Mg; 0,08-0,001 źródła Cu; 1,3-0,5% mol. źródła Na; oraz 1,3-0,5% mol. źródła Si w charakterze domieszki czynnej. W sposobie według tego wynalazku najpierw miesza się poszczególne związki, pobudza się domieszki, aby uzyskać odpowiednie kryształy Lif, chłodzi się te kryształy i sproszkowuje. Następnie, prasuje się uzyskany proszek pod naciskiem 7-13 ton w różne kształtki (pręty, płytki, czy tabletki) zależnie od przeznaczenia, kształtki spieka się, chłodzi i odpręża.From the smoking description PL No. 200,747 a pellet element LiF for thermoluminescence dosimetry is known, containing Mg, CU, Na and Si as admixtures. The element flax contains 0.35-0.12 mol%. Mg sources; 0.08-0.001 Cu source; 1.3-0.5 mole% Na sources; and 1.3-0.5 mole%. Si source as an active dopant. In the process according to this invention, the individual compounds are first mixed, the impurities are stimulated to obtain the respective Lif crystals, these crystals are cooled and pulverized. Then, the obtained powder is pressed under the pressure of 7-13 tons into various shapes (bars, plates or tablets), depending on the intended use, the shapes are sintered, cooled and relaxed.

Z opisu patentu HU nr 201 611 „Method for thermoluminescent radiation detcclor based on aluminium oxide” (publ. 28 11 1990 r), znany jest detektor termoluminescencyjny, którego element detekcyjny wykonany jest z tlenku glinu domieszkowanego magnezem oraz itrem (Al₂O₃:Mg, Y). Detektor ten umożliwia rejestrację dawki promieniowania pochłoniętego do 10⁴ Gy, co odpowiada dawce jego nasycenia. W porównaniu z powszechnie stosowanymi detektorami Lif:Mg, Ti, ma niewielką czułość (około 1) przy długości fali promieniowania optycznego w nadfiolecie ~ 320 nm, co powoduje, że jest niewygodny dla rejestracji dawek w tym zakresie.From the HU patent description No. 201 611 "Method for thermoluminescent radiation detcclor based on aluminum oxide" (published 28 11 1990), a thermoluminescent detector is known, the detection element of which is made of aluminum oxide doped with magnesium and yttrium (Al ₂ O ₃ : Mg, Y). This detector enables the registration of the dose of absorbed radiation up to 10 ⁴ Gy, which corresponds to the dose of its saturation. Compared to the commonly used Lif: Mg, Ti detectors, it has a low sensitivity (about 1) at the wavelength of ultraviolet optical radiation of ~ 320 nm, which makes it inconvenient for dose registration in this range.

Celem wynalazku jest opracowanie detektora termoluminescencyjnego, z takim elementem detekcyjnym, który charakteryzowałby się wysoką czułością, optycznym promieniowaniem widzialnym i jednocześnie szerokim zakresem rejestracji pochłoniętej dawki promieniowania.The aim of the invention is to develop a thermoluminescent detector with a detector element that would be characterized by high sensitivity, optical visible radiation and, at the same time, a wide range of registration of the absorbed radiation dose.

Detektor według wynalazku ma element detekcyjny wykonany z materiałów domieszkowanych. Materiał elementu detekcyjnego zawiera 30-70% mol. złożonego tlenku ziemi rzadkiej, 30-70% mol. tlenku metalu podgrupy glinu, domieszkę w postaci dwuwartościowego manganu w ilości 0,001-1% at. w stosunku do ilości pierwiastka ziemi rzadkiej oraz domieszkę kompensującą, o stabilnej wartościowości, większej lub równej 4⁺, w ilości 0,001-1% at. w stosunku do ilości użytego metalu podgrupy glinu. Korzystnie jest, jeżeli domieszką kompensującą jest krzem (Si⁴⁺) lub german (Ge⁴⁺).The detector according to the invention has a detector element made of doped materials. The material of the detector element contains 30-70 mol%. complex rare earth oxide, 30-70 mol% metal oxide of the aluminum subgroup, doped in the form of bivalent manganese in an amount of 0.001-1 at. in relation to the amount of the rare earth element and a compensating admixture with a stable valence, greater than or equal to 4 ⁺ , in the amount of 0.001-1% at. in relation to the amount of metal used of the aluminum subgroup. Preferably, the compensating dopant is silicon (Si ⁴⁺ ) or germanium (Ge ⁴⁺ ).

Detektor według wynalazku pozwala na rejestrację pochłoniętej dawki promieniowania w szerokim zakresie, to znaczy od 10^-4 do 10⁴ Gy. Ma około 10 razy większą czułość niż znane detektory Lif:Mg, Ti. Ponadto fakt, że położenie maksimum optycznego promieniowania elementu detekcyjnego znajduje się w zakresie widzialnym sprawia, że taki detektor może być stosowany w większości term oluminescencyjnych systemów dozymetrycznych.A detector according to the invention allows the registration of the absorbed dose of radiation in a wide range, i.e. from 10 ^-4 to 10 ⁴ Gy. It has about 10 times greater sensitivity than the known Lif: Mg, Ti detectors. Moreover, the fact that the position of the maximum of the optical radiation of the detector element is in the visible range makes such a detector suitable for use in most oluminescent dosimetry systems.

Wynalazek zostanie objaśniony na przykładach detektora, w którym element detekcyjny syntezowany jest różnymi metodami otrzymywania tlenków złożonych, w wyniku czego uzyskujemy różną jego postać. Element ten może mieć postać monokrystaliczną, polikrystaliczną lub leż może być wykonany w postaci elementu ceramicznego. Zawsze jednak wykonuje się go z odpowiednio domieszkowanej mieszaniny tlenku ziemi rzadkiej w postaci tlenku itru (Y2O3) i tlenku metalu podgrupy glinu, w postaci tlenku glinu (AI2O3). Jedną domieszką są jony manganu dwuwartościowego w ilości 0,001PL 217 075 B1The invention will be explained on the basis of a detector in which the detection element is synthesized by various methods of obtaining complex oxides, as a result of which we obtain its various forms. This element can be monocrystalline, polycrystalline or can be made of a ceramic element. However, it is always made of an appropriately doped mixture of a rare earth oxide in the form of yttrium oxide (Y2O3) and a metal oxide of the aluminum subgroup, in the form of aluminum oxide (Al2O3). One impurity is divalent manganese ions in the amount of 0.001PL 217 075 B1

-1% at. w stosunku do ilości pierwiastka ziemi rzadkiej. Drugą domieszką, kompensującą, jest domieszka o stabilnej wartościowości > 4+, w ilości 0,001-1% at. w stosunku do ilości użytego metalu podgrupy glinu.-1% at. in relation to the amount of the rare earth element. The second, compensating, dopant is a dopant with a stable valence> 4+, in the amount of 0.001-1% at. in relation to the amount of metal used of the aluminum subgroup.

W procesie wytwarzania, z tych komponentów, elementu detekcyjnego, mangan dwuwartościowy zajmuje pozycje strukturalne jonu ziemi rzadkiej, występując w procesie termoluminescencji jako centra aktywne (centra świecenia). Punktowe defekty struktury tego złożonego tlenku występują jako centra wychwytu (pułapki), które determinują kształt krzywej świecenia termicznego. Użyta w przykładach domieszka kompensująca w postaci krzemu, zmniejsza ilość jonów Mn⁴⁺ pasożytniczych dla tego detektora.In the process of producing a detection element from these components, bivalent manganese occupies the structural positions of the rare earth ion, appearing in the thermoluminescence process as active centers (light centers). Point defects in the structure of this complex oxide act as capture centers (traps) that determine the shape of the thermal glow curve. The silicon compensating admixture used in the examples reduces the amount of Mn ⁴⁺ parasitic ions for this detector.

W pierwszym przykładzie materiałem elementu detekcyjnego jest monokrystaliczny ortoaluminat itru (ΥΑΙΟ₃) ze strukturą perowskitu. Materiał ten uzyskany został przez krystalizację metodą Czochralskiego zsyntezowanych uprzednio: tlenku itru (Y₂O₃) i tlenku glinu (Al₂O₃) w proporcjach 50/50% mol., z udziałem domieszki dwuwartościowego manganu (Mn) w ilości 0,05% at. oraz z udziałem domieszki kompensującej Si w ilości 0,2% at. Krzywa świecenia takiego monokryształu po napromienio137 waniu promieniowaniem gamma ze źródła ¹³⁷Cs dawką 100 mGy jest pokazana na fig. 1 rysunku.In the first example, the material of the detector element is monocrystalline yttrium (ΥΑΙΟ ₃ ) orthoaluminate with a perovskite structure. This material was obtained by crystallization using the Czochralski method of previously synthesized: yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) and aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) in the proportions 50/50 mol%, with the addition of divalent manganese (Mn) in the amount of 0.05 % at. and with a Si compensating dopant in the amount of 0.2 at.%. The glow curve of such a single crystal after irradiating ¹³⁷ Cs with gamma radiation at a dose of 100 mGy is shown in Figure 1 of the drawing.

W drugim przykładzie materiałem elementu detekcyjnego jest monokryształ ortoaluminatu itru (YAIO₃), uzyskany metodą Czochralskiego oraz ceramika uzyskana przez syntezę tlenku itru (Y₂O₃) i tlenku glinu (AI2O3) w proporcjach 49,8/49,9% mol., z domieszką dwuwartościowego manganu (Mn⁺²) w ilości 0,1% at. i z domieszką kompensującą krzemu (SiO2) w ilości 0,2% at. Krzywa świecenia obydwu materiałów po napromieniowaniu promieniowaniem gamma ze źródła ⁶⁰Co dawką 1 kGy jest pokazana na fig. 2 rysunku.In the second example, the material of the detection element is a single crystal of yttrium orthoaluminate (YAIO ₃ ), obtained by the Czochralski method, and ceramics obtained by the synthesis of yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) and aluminum oxide (Al2O3) in the proportions 49.8 / 49.9 mol%, with an admixture of divalent manganese (Mn ⁺² ) in the amount of 0.1% at. and with a compensating admixture of silicon (SiO2) in the amount of 0.2 at. The glow curve of both materials after irradiation with gamma radiation from the source ⁶⁰ Every 1 kGy dose is shown in Fig. 2 of the drawing.

W trzecim przykładzie materiałem elementu detekcyjnego jest itrowo-aluminowy granat (YaAlsO·^) uzyskany przez połączenie tlenku itru (Y₂O₃) i tlenku glinu (AI₂O₃) w proporcjach 37,5/62,5% mol. z domieszką dwuwartościowego manganu (Mn⁺²) w ilości 0,1% at. i z domieszką kompensującą krzemu (SiO2) w ilości 0,2% at.In the third example, the material of the detector element is a yttrium-aluminum garnet (YaAlsO · ^) obtained by combining yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) and aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) in the proportions 37.5 / 62.5 mol%. with an admixture of divalent manganese (Mn ⁺² ) in the amount of 0.1% at. and with a compensating admixture of silicon (SiO2) in the amount of 0.2 at.

W czwartym przykładzie materiałem elementu detekcyjnego jest związek Y4Al2O9 o strukturze jednoskośnej, uzyskany przez połączenie tlenku itru (Y2O3) i tlenku glinu (AI2O3) w proporcjach 66,66/33,33% mol., z domieszką dwuwartościowego manganu (Mn⁺²) w ilości 0,1% at. i z domieszką kompensującą krzemu (SiO2) w ilości 0,2% at.In the fourth example, the material of the detector element is the compound Y4Al2O9 with a monoclinic structure, obtained by combining yttrium oxide (Y2O3) and aluminum oxide (Al2O3) in the proportions 66.66 / 33.33 mol%, with an admixture of divalent manganese (Mn ⁺² ) in 0.1% at. and with a compensating admixture of silicon (SiO2) in the amount of 0.2 at.

We wszystkich przykładach, jako domieszki dla kompensacji jonów manganu w stanie ładunkowym 2⁺ użyto domieszki kompensującej w postaci krzemu. Jony tej domieszki, z porównywalnie małym do jonu aluminium promieniem jonowym, zajmują w procesie wytwarzania strukturalne położenia jonu metalu podgrupy glinu. Połączenie własności luminescencyjnych jonów manganu dwuwartościowego z własnościami podsystemu defektów punktowych struktury wymienionego złożonego tlenku formuje własności termoluminescencyjne elementu detekcyjnego, detektora według wynalazku.In all examples, a compensating dopant in the form of silicon was used as the dopants to compensate for the manganese ions in a ²⁺ charge state. The ions of this dopant, with an ion radius of a comparatively small to that of aluminum, occupy the structural positions of the metal ion of the aluminum subgroup in the production process. The combination of the luminescent properties of bivalent manganese ions with the properties of the point defect subsystem of the structure of said complex oxide forms the thermoluminescent properties of the detector element, the detector according to the invention.

Ponieważ element detekcyjny może być wykonany w postaci monokryształu, polikryształu, czy też ceramiki, to sprawia, że spektrum jego zastosowania jest ogromne. Technologia wytwarzania takiego elementu nie sprawia problemów, gdyż może być wytwarzany jedną ze znanych i technologicznie dopracowanych metod otrzymywania tlenków złożonych.Since the detection element can be made in the form of a single crystal, polycrystalline or ceramic, the spectrum of its application is enormous. The technology of producing such an element does not cause problems, as it can be produced using one of the known and technologically refined methods of obtaining complex oxides.

Claims (3)

1. Detektor termoluminescencyjny, w którym element detekcyjny wykonany jest z domieszkowanych materiałów, znamienny tym, że materiał elementu detekcyjnego zawiera 30-70% mol. złożonego tlenku ziemi rzadkiej, 30-70% mol. tlenku metalu podgrupy glinu, domieszkę w postaci dwuwartościowego manganu w ilości 0,001-1% at. w stosunku do ilości pierwiastka ziemi rzadkiej oraz domieszkę kompensującą, o stabilnej wartościowości, większej lub równej 4⁺, w ilości 0,001-1% at. w stosunku do ilości użytego metalu podgrupy glinu.A thermoluminescent detector, wherein the detector element is made of doped materials, characterized in that the material of the detector element comprises 30-70 mole%. complex rare earth oxide, 30-70 mol% metal oxide of the aluminum subgroup, doped in the form of bivalent manganese in an amount of 0.001-1 at. in relation to the amount of the rare earth element and a compensating admixture with a stable valence, greater than or equal to 4 ⁺ , in the amount of 0.001-1% at. in relation to the amount of metal used of the aluminum subgroup. 2. Detektor termoluminescencyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że domieszką kompensującą jest krzem, korzystnie SiO2.2. A thermoluminescent detector according to claim 1; The process of claim 1, characterized in that the compensating dopant is silicon, preferably SiO2. 3. Detektor termoluminescencyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że domieszką kompensującą jest german.3. A thermoluminescent detector according to claim 1. The process of claim 1, wherein the compensating dopant is germanium.