RU2328755C1 - Method of obtaining transparent ceramic and scintillator based on such ceramic - Google Patents

Abstract

FIELD: scintillation techniques; scintillation detectors.

SUBSTANCE: method involves using zinc oxide or zinc oxide with addition of one group III element: Ga, In or Al (in quantities of 0.05-0.4 mass %) in form of oxides or salts and their subsequent moulding at 1150-1250°C and pressure of 100-200 MPa. The scintillator consists of a working body, in form of a disc, one of the bases of which serves as a window for receiving x-ray or gamma radiation. The other base is joined to the window of a photodetector. The working body is made from transparent ceramic ZnO:Ga or ZnO:ln obtained using the method given above.

EFFECT: attaining a very short fluorescent time and high light output of the scintillator.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, прежде всего к эффективным, быстродействующим сцинтилляционным детекторам, предназначенным для регистрации ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-квантов, и может быть использовано в медицине, промышленности, космической технике, научных исследованиях.The invention relates to scintillation technology, primarily to efficient, high-speed scintillation detectors designed to record ionizing radiation: x-ray and gamma rays, and can be used in medicine, industry, space technology, scientific research.

Основные требования, предъявляемые к сцинтилляторам, - это высокая конверсионная эффективность (световой выход) и малые времена высвечивания, что особенно важно в медицинских томографах для улучшения качества детектирования и уменьшения дозы, получаемой пациентом. Во многих устройствах с высокой скоростью счета событий (время-пролетные и другие детекторы) желательно получение наносекудных и субнаносекудных времен срабатывания. Проблема высокой конверсионной эффективности, то есть уменьшения энергетических потерь при преобразовании различных видов возбуждений в световое излучение, существенна для всех видов преобразователей энергии: люминофоров, сцинтилляторов, рентгеновских экранов, лазеров и т.д.The main requirements for scintillators are high conversion efficiency (light output) and short exposure times, which is especially important in medical tomographs to improve the quality of detection and reduce the dose received by the patient. In many devices with a high rate of event counting (time-of-flight and other detectors), it is desirable to obtain nanosecond and subnanosecond response times. The problem of high conversion efficiency, that is, reduction of energy losses during the conversion of various types of excitations into light radiation, is essential for all types of energy converters: phosphors, scintillators, x-ray screens, lasers, etc.

Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора, фотодетектора и электронных схем. Среди этих составляющих "тормозящим" элементом является сцинтиллятор, поскольку фотодетекторы (фотодиоды, CCD камеры и др.) могут работать в субнаносекундном диапазоне. Высокое быстродействие и большая конверсионная эффективность сцинтилляторов крайне необходимы для создания высокочувствительных детекторов с высокой скоростью счета событий.A scintillation detector consists of a scintillator, a photodetector and electronic circuits. Among these components, the “inhibitory” element is the scintillator, since photodetectors (photodiodes, CCD cameras, etc.) can operate in the subnanosecond range. High speed and high conversion efficiency of scintillators are essential for creating highly sensitive detectors with a high event counting rate.

В качестве неорганических сцинтилляторов часто используют монокристаллы, поскольку они должны быть прозрачны к собственному излучению. Одним из лучших по световому выходу (38000 фотонов на МэВ) кристаллических сцинтилляторов является NaI:Tl, однако его быстродействие неудовлетворительно: постоянная спада τ=230 нс. Альтернативой монокристаллам служат прозрачные в области собственного излучения керамики. Есть области, например рентгеновская томография, в которых используют преимущественно керамические сцинтилляторы. Прозрачные керамики оказываются в ряде случаев предпочтительнее кристаллов благодаря их высокой гомогенности. В больших кристаллах достаточно сложно получить равномерное распределение примеси (активатора). Кроме того, керамики обладают лучшими механическими и термическими свойствами (по этой причине их используют в мощных лазерах).Single crystals are often used as inorganic scintillators, since they must be transparent to their own radiation. One of the best crystalline scintillators in terms of light output (38000 photons per MeV) is NaI: Tl, but its performance is unsatisfactory: decay constant τ = 230 ns. An alternative to single crystals are ceramics transparent in the field of their own radiation. There are areas, such as x-ray tomography, in which ceramic scintillators are used predominantly. In some cases, transparent ceramics are preferable to crystals due to their high homogeneity. In large crystals, it is quite difficult to obtain a uniform distribution of the impurity (activator). In addition, ceramics have the best mechanical and thermal properties (for this reason they are used in high-power lasers).

Известен способ получения поликристаллического керамического сцинтиллятора на основе соединения Gd₃Ga₅О₁₂:Pr (US Patent №6358441, С09К 011/08, 2002). Известным способом изостатического горячего прессования получают прозрачные керамики из материалов, обладающих кубической сингонией, в частности из обладающего структурой кубического граната Gd₃Ga₅О₁₂:Pr, полученный сцинтиллятор обладает высоким световым выходом, но очень длительным временем высвечивания, τ=3 мкс.A known method of producing a polycrystalline ceramic scintillator based on the compound Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ : Pr (US Patent No. 6358441, C09K 011/08, 2002). In a known isostatic hot pressing method, transparent ceramics are obtained from materials having cubic syngony, in particular from a cubic garnet structure Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ : Pr, the obtained scintillator has a high light output, but a very long flash time, τ = 3 μs.

Известен быстрый монокристаллический сцинтиллятор BaF₂, имеющий одну из постоянных высвечивания τ=0,8 нс (US Patent 4510394, G01J 1/58, 1985). Существенным недостатком известного сцинтиллятора является низкий световой выход быстрого свечения кристалла: 5% от такового для наиболее широко используемого сцинтиллятора NaI:Tl. Другими недостатками BaF₂ являются: наличие интенсивного длительного (~700 нс) компонента свечения и неудачное, с точки зрения регистрации, спектральное положение быстрого компонента (с максимумом при 220 нм).Known fast single crystal scintillator BaF ₂ having one of the emission constant τ = 0.8 ns (US Patent 4510394, G01J 1/58, 1985). A significant disadvantage of the known scintillator is the low light output of the fast glow of the crystal: 5% of that for the most widely used scintillator NaI: Tl. Other disadvantages of BaF ₂ are: the presence of an intense long-term (~ 700 ns) luminescence component and the spectral position of the fast component (with a maximum at 220 nm) unsuccessful, from the point of view of registration.

Известны порошкообразные люминофоры ZnO:Ga и ZnO:In (S.E. Derenzo, M.J. Weber, M.K. Klintenberg, Nucl. Instr. Meth. in Phys. Research, A 486, 2002, 214-219), которые обладают очень хорошими сцинтилляционными характеристиками, но из которых крайне сложно получить монокристаллы. Соединение ZnO:Ga обладает высоким световым выходом: 15000 фотонов на МэВ или 40% от такового для NaI:Tl, и малым временем высвечивания: 0,7 нс. В результате порошкообразный ZnO:Ga имеет самую высокую добротность (отношение световыход/время спада) среди известных люминофоров, однако он не может быть использован в качестве сцинтиллятора. Порошкообразные люминофоры не являются сцинтилляторами, поскольку сцинтиллятор - это прозрачный объемный объект, имеющий достаточные размеры для поглощения падающего излучения.Powdered ZnO: Ga and ZnO: In phosphors are known (SE Derenzo, MJ Weber, MK Klintenberg, Nucl. Instr. Meth. In Phys. Research, A 486, 2002, 214-219), which have very good scintillation characteristics, but from which is extremely difficult to obtain single crystals. The ZnO: Ga compound has a high light yield: 15,000 photons per MeV or 40% of that for NaI: Tl, and a short emission time: 0.7 ns. As a result, powdered ZnO: Ga has the highest quality factor (light output / decay time) among the known phosphors, however, it cannot be used as a scintillator. Powdered phosphors are not scintillators, since the scintillator is a transparent volumetric object that is large enough to absorb incident radiation.

Выращивание монокристаллического ZnO весьма дорогостоящий и трудоемкий процесс. В последние годы появились данные о выращивании небольших монокристаллов. Так в работе (Simpson, P.J., Tjossem, R., Hunt, A.W., Lynn, K..G., Munne, V., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Research A 505, 2003, 82-84) получен кристалл ZnO размером 8 мм. В работе (A. Mycielski, L. Kowalczyk, A. Szadkowski, В. Chwalisz et al. The chemical vapour transport growth of ZnO single crystals. Jornal of Alloys and Compounds 371 (2004) 150-152) сообщается о выращивании небольших монокристаллов ZnO методом Chemical Vapour Transport. При этом скорость роста кристалла составляет всего 1-2 мм в день, а прозрачность в видимой области не превышает 6%. Есть публикации по выращиванию ZnO гидротермальным методом. Это сложный технологический процесс, т.к. используемые щелочные растворы высокоагрессивны (Кортунова Е.В., Лютин В.И. Выращивание кристаллов цинкита // Разведка и охрана недр. 1995. №3, стр.9).The cultivation of single-crystal ZnO is a very expensive and time-consuming process. In recent years, data have appeared on the cultivation of small single crystals. So in the work (Simpson, PJ, Tjossem, R., Hunt, AW, Lynn, K..G., Munne, V., Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Research A 505, 2003, 82-84) an 8 mm ZnO crystal was obtained. The growth of small ZnO single crystals is reported in (A. Mycielski, L. Kowalczyk, A. Szadkowski, B. Chwalisz et al. The chemical vapor transport growth of ZnO single crystals. Jornal of Alloys and Compounds 371 (2004) 150-152) Chemical Vapor Transport method. In this case, the crystal growth rate is only 1-2 mm per day, and the transparency in the visible region does not exceed 6%. There are publications on the growth of ZnO hydrothermal method. This is a complex process, because used alkaline solutions are highly aggressive (Kortunova E.V., Lyutin V.I. Cultivation of zincite crystals // Exploration and protection of mineral resources. 1995. No. 3, p. 9).

Известен тонкопленочный сверхбыстрый (τ=0,44 нс) сцинтиллятор на основе оксида цинка (Lorenz М., Johne R., Nobis Т., et al., Appl. Phys. Lett. 89, 2006, 243510). Такой сцинтиллятор не пригоден для регистрации рентгеновских и гамма-лучей и используется для регистрации катодных лучей. Кроме того, существенным недостатком тонкопленочного ZnO сцинтиллятора является очень низкий световой выход: 420 фотонов на МэВ или ~1% от такового для NaI:Tl.A thin-film ultrafast (τ = 0.44 ns) zinc oxide scintillator is known (Lorenz M., Johne R., Nobis T., et al., Appl. Phys. Lett. 89, 2006, 243510). Such a scintillator is not suitable for detecting x-rays and gamma rays and is used for detecting cathode rays. In addition, a significant drawback of the thin-film ZnO scintillator is a very low light output: 420 photons per MeV or ~ 1% of that for NaI: Tl.

В настоящее время не существует прозрачных керамик на основе ZnO с размерами миллиметрового/сантиметрового диапазонов и не известен способ получения таких керамик, а также не существует сцинтиллятора, который бы одновременно обладал коротким (субнаносекундным) временем высвечивания и высоким световыходом.Currently, there are no transparent ZnO-based ceramics with millimeter / centimeter sizes and no known method for producing such ceramics, nor is there a scintillator that simultaneously has a short (subnanosecond) flash time and high light output.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения прозрачной керамики на основе оксида иттрия и сцинтиллятор на основе этой керамики (Патент РФ №2255071, G01T 1/202, 2005). Известный способ получения прозрачной керамики на основе оксида иттрия заключается в горячем прессовании при температуре 1200°-1300°С и давлении 34-35 МПа порошка оксида иттрия с добавлением карбоната лития.Closest to the claimed invention is a method for producing a transparent ceramic based on yttrium oxide and a scintillator based on this ceramic (RF Patent No. 2255071, G01T 1/202, 2005). A known method for producing a transparent ceramic based on yttrium oxide is hot pressing at a temperature of 1200 ° -1300 ° C and a pressure of 34-35 MPa of a powder of yttrium oxide with the addition of lithium carbonate.

Указанным способом получают прозрачную керамику из материала, обладающего кубической решеткой, в котором отсутствует анизотропия оптических свойств. Неорганический сцинтиллятор на основе оксида иттрия, полученный по известному способу, обладает недостаточно коротким временем затухания 63-65 нс.In this way, transparent ceramics are obtained from a material having a cubic lattice in which there is no anisotropy of optical properties. An inorganic yttrium oxide scintillator obtained by a known method has an insufficiently short decay time of 63-65 ns.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения прозрачных керамик из порошкообразных материалов некубической сингонии, конкретно на основе оксида цинка, имеющего гексагональную сингонию с характерной для этой структуры анизотропией оптических свойств, и создание на основе этого способа сцинтиллятора, обладающего сверхкоротким (субнаносекудным) временем высвечивания и высоким световым выходом.An object of the invention is to develop a method for producing transparent ceramics from powdered materials of non-cubic syngony, specifically based on zinc oxide having a hexagonal syngony with anisotropy of optical properties characteristic of this structure, and creating a scintillator based on this method having ultra-short (subnanosecond) emission time and high light output.

Поставленная задача реализуется в способе получения прозрачной керамики путем одноосного горячего прессования (ГП) исходного порошка на основе оксида цинка, при температуре 1150°-1250°С и давлении 100-200 МПа. В качестве исходных материалов используются: однокомпонентные (однофазные) порошки ZnO или порошки, содержащие, по крайне мере, один из элементов III группы: Ga, In или Al, в количестве 0,05-0,4 мас.% в форме окислов или солей (нитридов, хлоридов и др.).The task is implemented in a method for producing transparent ceramics by uniaxial hot pressing (GP) of an initial powder based on zinc oxide, at a temperature of 1150 ° -1250 ° C and a pressure of 100-200 MPa. As starting materials are used: one-component (single-phase) ZnO powders or powders containing at least one of the elements of group III: Ga, In or Al, in an amount of 0.05-0.4 wt.% In the form of oxides or salts (nitrides, chlorides, etc.).

Поставленная задача решена также в сцинтилляторе, полученном вышеуказанным способом, рабочее тело которого представляет собой диск диаметром 25 мм и толщиной не менее 1,5 мм, одно из оснований которого служит окном для приема рентгеновского или гамма-излучения, а другое основание соединяют с окном фотоприемника. Сцинтилляторы ZnO:Ga и ZnO:In обладают улучшенными характеристиками: преобладающая постоянная спада сцинтилляций субнаносекундного диапазона: 0,3-0,8 нс и высокий световой выход не менее 20% от такового для NaI:Tl.The problem was also solved in a scintillator obtained by the above method, the working fluid of which is a disk with a diameter of 25 mm and a thickness of at least 1.5 mm, one of the bases of which serves as a window for receiving x-ray or gamma radiation, and the other base is connected to the window of the photodetector . ZnO: Ga and ZnO: In scintillators have improved characteristics: the prevailing constant decay of scintillations of the subnanosecond range: 0.3-0.8 ns and a high light output of at least 20% of that for NaI: Tl.

Спектры рентгенолюминесценции ZnO:Ga и ZnO:In керамик характеризуются основной интенсивной полосой с максимумом в области 410-420 нм, за которую ответственны донорно-дырочные переходы. Другие показатели разработанных керамических сцинтилляторов ZnO:Ga и ZnO:In: уровень послесвечения: не выше 0,01%, высокая радиационная стойкость, плотность 5,61 г/см³.The X-ray luminescence spectra of ZnO: Ga and ZnO: In ceramics are characterized by the main intense band with a maximum in the region of 410-420 nm, for which donor-hole transitions are responsible. Other indicators of the developed ceramic ZnO: Ga and ZnO: In scintillators: afterglow level: not higher than 0.01%, high radiation resistance, density 5.61 g / cm ³ .

Керамики ZnO, ZnO:Al, ZnO:Ga и ZnO:In, полученные по описанному способу, являются оптическими материалами с гексагональной решеткой, обладают плотностью более 0.99 от рентгеноструктурной и прозрачностью в видимой области спектра на уровне 30-35%. Из полученных прозрачных керамик для использования в качестве сцинтилляторов предпочтительными являются ZnO:Ga и ZnO:In, поскольку световыход ZnO и ZnO:Al керамик существенно ниже такового для ZnO:Ga и ZnO:In керамик.Ceramics ZnO, ZnO: Al, ZnO: Ga and ZnO: In, obtained by the described method, are optical materials with a hexagonal lattice, have a density of more than 0.99 of X-ray diffraction and transparency in the visible region of the spectrum at the level of 30-35%. Of the obtained transparent ceramics, ZnO: Ga and ZnO: In are preferred as scintillators, since the light output of ZnO and ZnO: Al ceramics is substantially lower than that of ZnO: Ga and ZnO: In ceramics.

Таким образом, предлагается способ получения прозрачной керамики на основе ZnO, т.е. из материала, отличающегося от прототипа анизотропностью оптических свойств, вследствие того, что он имеет гексагональную структуру.Thus, a method for producing transparent ceramics based on ZnO, i.e. from a material that differs from the prototype by the anisotropic optical properties, due to the fact that it has a hexagonal structure.

Предлагаемый неорганический сцинтиллятор характеризуется излучением в более длинноволновой (410-420 нм) области спектра и обладает повышенным быстродействием (субнаносекундный диапазон) по сравнению с прототипом.The proposed inorganic scintillator is characterized by radiation in the longer wavelength (410-420 nm) region of the spectrum and has increased speed (subnanosecond range) compared to the prototype.

На фиг.1 показано устройство сцинтиллятора.Figure 1 shows the scintillator device.

На фиг.2 приведена кинетика люминесценции керамики ZnO:Ga (0,1 мас.%) при импульсном рентгеновском возбуждении.Figure 2 shows the luminescence kinetics of ZnO: Ga ceramics (0.1 wt.%) Upon pulsed x-ray excitation.

На фиг.3 приведена кривая оптического пропускания образца керамики на основе ZnO толщиной 1,6 мм.Figure 3 shows the optical transmission curve of a ceramic specimen based on ZnO with a thickness of 1.6 mm.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходный порошок ZnO высокой степени чистоты (о.с.ч. или др.) или порошок ZnO, содержащий, по крайней мере, один из элементов III группы - Ga, In или Al, в количестве 0,05-0,4 мас.% в форме окислов или солей (нитридов, хлоридов и др.), подвергают горячему прессованию в вакууме при температуре 1150°-1250°C и давлении 100-200 МПа.The proposed method is as follows. The initial ZnO powder of a high degree of purity (s.c.h. or others) or ZnO powder containing at least one of the elements of group III - Ga, In or Al, in an amount of 0.05-0.4 wt. % in the form of oxides or salts (nitrides, chlorides, etc.), are subjected to hot pressing in vacuum at a temperature of 1150 ° -1250 ° C and a pressure of 100-200 MPa.

Заявляемый диапазон технологических параметров горячего прессования обусловлен необходимостью получения высокоплотной и прозрачной керамики из анизотропного материала. Снижение температуры ниже 1150°С и давления ниже 100 МПа горячего прессования приводит к увеличению пористости, неоднородности по плотности в объеме керамического образца и к потере его прозрачности. Увеличение температуры горячего прессования выше заявляемого предела 1250°С приводит к включению механизма вторичной рекристаллизации зерен, которая приводит к образованию островной разнозернистости в объеме керамики и, как следствие, к уменьшению ее прозрачности. Использование более высокого давления ГП, чем 200 МПа не приводит к увеличению прозрачности или к улучшению других характеристик. В то же время это вызывает необратимые изменения технологического оборудования, в частности пресс-формы. Выбор заявляемого диапазона концентраций Ga или In обусловлен необходимостью достижения высокой эффективности люминесценции и быстродействия прозрачной керамики на основе ZnO. Поэтому уменьшение концентрации Ga или In ниже заявляемого предела приводит к существенному снижению эффективности люминесценции, а увеличение концентрации - к концентрационному тушению и к потере прозрачности керамики.The inventive range of technological parameters of hot pressing is due to the need to obtain high-density and transparent ceramics from anisotropic material. A decrease in temperature below 1150 ° C and pressure below 100 MPa by hot pressing leads to an increase in porosity, heterogeneity in density in the volume of the ceramic sample and a loss of transparency. An increase in the temperature of hot pressing above the claimed limit of 1250 ° C leads to the inclusion of the mechanism of secondary recrystallization of grains, which leads to the formation of island heterogeneity in the volume of the ceramic and, as a result, to a decrease in its transparency. The use of a higher GP pressure than 200 MPa does not lead to an increase in transparency or to an improvement in other characteristics. At the same time, this causes irreversible changes in technological equipment, in particular the mold. The choice of the claimed concentration range of Ga or In is due to the need to achieve high luminescence efficiency and speed of transparent ceramics based on ZnO. Therefore, a decrease in the concentration of Ga or In below the claimed limit leads to a significant decrease in the efficiency of luminescence, and an increase in the concentration leads to concentration quenching and loss of transparency of the ceramic.

Керамики ZnO, ZnO:Al, ZnO:Ga и ZnO:In, полученные по описанному способу, являются оптическими материалами с гексагональной решеткой, обладают плотностью более 0.99 от рентгеноструктурной и прозрачностью в видимой области спектра на уровне 30-35%.Ceramics ZnO, ZnO: Al, ZnO: Ga and ZnO: In, obtained by the described method, are optical materials with a hexagonal lattice, have a density of more than 0.99 of X-ray diffraction and transparency in the visible region of the spectrum at the level of 30-35%.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.The proposed method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Берут 8 г исходного порошка ZnO высокой степени чистоты (о.с.ч. или др.) и подвергают его горячему прессованию в вакууме при температуре 1180°С и давлении 200 МПа в течение 40 минут. В результате получают прозрачную керамику оксида цинка диаметром 25 мм.Example 1. Take 8 g of the source powder of ZnO high purity (s.p. or others) and subjected to hot pressing in vacuum at a temperature of 1180 ° C and a pressure of 200 MPa for 40 minutes. The result is a transparent ceramic of zinc oxide with a diameter of 25 mm

Пример 2. Берут 7.996 г исходного порошка ZnO высокой степени чистоты (о.с.ч. или др.) и 0.0054 г Ga₂О₃ также высокой степени чистоты, тщательно перемешивают в агатовой ступке, после чего осуществляют горячее прессование в вакууме при температуре 1250°С и давлении 100 МПа в течение 50 минут. В результате получают прозрачный керамический сцинтиллятор ZnO:Ga (0,05 мас.%), обладающий постоянной спада 0,8 нс и световым выходом 30% от такового для NaI:Tl.Example 2. Take 7.996 g of the source powder of ZnO high purity (rh or others) and 0.0054 g Ga ₂ O ₃ also a high degree of purity, thoroughly mixed in an agate mortar, and then hot pressing in vacuum at a temperature 1250 ° C and a pressure of 100 MPa for 50 minutes. The result is a transparent ceramic ZnO: Ga scintillator (0.05 wt.%) Having a decay constant of 0.8 ns and a light output of 30% of that for NaI: Tl.

Пример 3. Берут 7.968 г исходного порошка ZnO высокой степени чистоты (о.с.ч. или др.) и 0.043 г Ga₂О₃ также высокой степени чистоты, тщательно перемешивают в агатовой ступке, после чего осуществляют горячее прессование в вакууме при температуре 1200°С и давлении 200 МПа в течение 40 минут. В результате получают прозрачный керамический сцинтиллятор ZnO:Ga (0,4 мас.%), обладающий постоянной спада 0,3 нс и световым выходом 20% от такового для NaI:Tl.Example 3. Take 7.968 g of the original ZnO powder of high purity (r.h. or others) and 0.043 g of Ga ₂ O ₃ also a high degree of purity, mix thoroughly in an agate mortar, and then carry out hot pressing in vacuum at a temperature 1200 ° C and a pressure of 200 MPa for 40 minutes. The result is a transparent ceramic ZnO: Ga scintillator (0.4 wt.%) Having a decay constant of 0.3 ns and a light output of 20% of that for NaI: Tl.

Пример 4. Берут 7.996 г исходного порошка ZnO высокой степени чистоты (о.с.ч. или др.) и 0.0048 г In₂O₃ также высокой степени чистоты, тщательно перемешивают в агатовой ступке, после чего осуществляют горячее прессование в вакууме при температуре 1220°С и давлении 150 МПа в течение 50 минут. В результате получают прозрачный керамический сцинтиллятор ZnO:In (0,05 мас.%), обладающий постоянной спада 0,8 нс и световым выходом 25% от такового для NaI:Tl.Example 4. Take 7.996 g of the source powder of ZnO high purity (rh or other) and 0.0048 g In ₂ O ₃ also high purity, mix thoroughly in an agate mortar, and then carry out hot pressing in vacuum at a temperature 1220 ° C and a pressure of 150 MPa for 50 minutes. The result is a transparent ceramic ZnO: In scintillator (0.05 wt.%) Having a decay constant of 0.8 ns and a light output of 25% of that for NaI: Tl.

Пример 5. Берут 7.968 г исходного порошка ZnO высокой степени чистоты (о.с.ч. или др.) и 0.0387 г In₂O₃ также высокой степени чистоты, тщательно перемешивают в агатовой ступке, после чего осуществляют горячее прессование в вакууме при температуре 1230°С и давлении 150 МПа в течение 50 минут. В результате получают прозрачный керамический сцинтиллятор ZnO:In (0,4 мас.%), обладающий постоянной спада 0,3 нс и световым выходом 20% от такового для NaI:Tl.Example 5. Take 7.968 g of the source powder of ZnO high purity (r.h. or others) and 0.0387 g In ₂ O ₃ also a high degree of purity, mix thoroughly in an agate mortar, and then carry out hot pressing in vacuum at a temperature 1230 ° C and a pressure of 150 MPa for 50 minutes. The result is a transparent ceramic ZnO: In scintillator (0.4 wt.%) With a decay constant of 0.3 ns and a light yield of 20% of that for NaI: Tl.

Устройство, реализующее указанный способ (фиг.1), состоит из сцинтиллятора 1, фотоприемника 2 и электронных блоков 3. Между сцинтиллятором и фотоприемником размещен тонкий слой силиконового масла 4, который улучшает оптический контакт между сцинтиллятором и фотоприемником. Рабочее тело сцинтиллятора выполнено из ZnO:Ga или ZnO:In керамики в виде диска, одно из оснований которого (переднее окно) служит входом для рентгеновского или гамма-излучений, а через другое основание (заднее окно) выходит световое излучение. Сцинтиллятор выполнен из ZnO керамики, содержащей Ga или In в количестве 0,05-0,4 мас.%, что обеспечивает высокий световой выход и малое время высвечивания сцинтиллятора.A device that implements the specified method (Fig. 1) consists of a scintillator 1, a photodetector 2 and electronic blocks 3. A thin layer of silicone oil 4 is placed between the scintillator and the photodetector, which improves the optical contact between the scintillator and the photodetector. The working body of the scintillator is made of ZnO: Ga or ZnO: In ceramics in the form of a disk, one of the bases of which (the front window) serves as an input for x-ray or gamma radiation, and light radiation comes out through the other base (rear window). The scintillator is made of ZnO ceramics containing Ga or In in an amount of 0.05-0.4 wt.%, Which provides a high light output and a short scintillator emission time.

Устройство работает следующим образом: рентгеновские (или гамма-) кванты попадают в сцинтиллятор 1 через его входное окно, поглощаются в объеме сцинтиллятора, создают в нем сцинтилляционные вспышки видимого диапазона, которые регистрируются фотоприемником 2 и электронными блоками 3.The device operates as follows: X-ray (or gamma) quanta enter the scintillator 1 through its input window, are absorbed in the scintillator volume, create visible scintillation flashes in it, which are detected by the photodetector 2 and electronic blocks 3.

Кинетическая кривая люминесценции (фиг.2) керамики ZnO:Ga (0,1 мас.%) показывает, что основная сверхбыстрая компонента с τ₁=0,76±0,02 нс занимает диапазон интенсивностей более одного порядка, а вторая компонента свечения также является достаточно быстрой: τ₂=13,5±0,3 нс.The kinetic luminescence curve (Fig. 2) of ZnO: Ga ceramics (0.1 wt.%) Shows that the main ultrafast component with τ ₁ = 0.76 ± 0.02 ns occupies an intensity range of more than one order, and the second luminescence component also is fast enough: τ ₂ = 13.5 ± 0.3 ns.

Кривая оптического пропускания (фиг.3) образца керамики на основе ZnO толщиной 1,6 мм иллюстрирует достаточно высокую прозрачность для некубического материала.The optical transmission curve (Fig. 3) of a 1.6 mm thick ZnO-based ceramic sample illustrates a sufficiently high transparency for a non-cubic material.

Керамические сцинтилляторатры с улучшенными параметрами востребованы в позитрон-эмиссионной и компьютерной томографии, в смешанных PET-SPEC детекторах, в рентгеновской радиографии, а также в других устройствах, использующих ионизирующую радиацию (таможенный контроль, дефектоскопия, геофизика, мониторинг биологических объектов).Ceramic scintillators with improved parameters are in demand in positron emission and computed tomography, in mixed PET-SPEC detectors, in X-ray radiography, as well as in other devices using ionizing radiation (customs control, flaw detection, geophysics, monitoring of biological objects).

Claims (3)

1. Способ получения прозрачной керамики путем горячего прессования порошкообразного оксида, отличающийся тем, что в качестве исходного порошка используют оксид цинка ZnO и прессование осуществляют при температуре 1150-1250°С и давлении 100-200 МПа.1. A method of producing a transparent ceramic by hot pressing of a powdered oxide, characterized in that zinc oxide ZnO is used as the initial powder and pressing is carried out at a temperature of 1150-1250 ° C and a pressure of 100-200 MPa. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходный порошок ZnO содержит один из элементов III группы: Ga, In или Al в количестве 0,05-0,4 мас.%.2. The method according to claim 1, characterized in that the initial ZnO powder contains one of the elements of group III: Ga, In or Al in an amount of 0.05-0.4 wt.%. 3. Неорганический сцинтиллятор, включающий рабочее тело на основе прозрачной оксидной керамики в форме диска, одно из оснований которого служит для приема ионизирующего излучения, а другое для соединения с фотоприемником, отличающийся тем, что рабочее тело выполнено из прозрачной керамики на основе оксида цинка ZnO, содержащего один из элементов III группы: Ga или In в количестве 0,05-0,4 мас.%.3. Inorganic scintillator, comprising a working medium based on transparent oxide ceramic in the form of a disk, one of the bases of which serves to receive ionizing radiation, and the other for connecting to a photodetector, characterized in that the working medium is made of transparent ceramic based on zinc oxide ZnO, containing one of the elements of group III: Ga or In in an amount of 0.05-0.4 wt.%.

Images