RU2795600C2 - Garnet scintillator solegated with a monovalent ion - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical industry.

SUBSTANCE: invention can be used in the manufacture of scintillation materials for the detection of x-ray, gamma, neutron, cosmic radiation and/or particles having an energy of 1 keV or more. Praseodymium (Pr) doped lutetium yttrium aluminum garnet (LuYAG) is produced in the presence of a monovalent sodopant ion, which is an alkali metal ion. The resulting scintillation material is (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:0.4% Pr³⁺, co-doped with 0,2% Li⁺; (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:0.4% Pr³⁺, co-doped with 0.8% Li⁺; (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:0.4% Pr³⁺, co-doped with 2.0% Li⁺; (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:1.2% Pr³⁺, co-doped with 0.308 at.% Na⁺; (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:1.2% Pr³⁺, co-doped with 0.6 at.% Li⁺; (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:1.2% Pr³⁺, co-doped with 0.6 at.% K⁺; (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:1.2% Pr³⁺, co-doped with 2.4 at.% Li⁺; and (Lu0.75,Y0.25)₃Al₅O₁₂:1.2% Pr³⁺, co-doped with 6 at.% Li⁺. The radiation detector contains one of the specified scintillation materials and a photon detector.

EFFECT: invention makes it possible to change the scintillation and/or optical properties of the scintillation material in such a way as to increase its light output, improve the energy resolution and reduce the decay time of the scintillation.

4 cl, 10 dwg, 3 tbl, 3 ex

Description

Ссылки на родственные заявкиLinks to related applications

Раскрытое в настоящем документе изобретение испрашивает приоритет и преимущество предварительной заявки на патент США №62/627,399, поданной 07 февраля 2018 г., и предварительной заявки на патент США №62/672,890, поданной 17 мая 2018 г.; причем раскрытие каждой из этих заявок во всей своей полноте включено в настоящий документ посредством ссылки.The invention disclosed herein claims the priority and benefit of U.S. Provisional Application No. 62/627,399, filed Feb. 07, 2018, and U.S. Provisional Application No. 62/672,890, filed May 17, 2018; and the disclosure of each of these applications is incorporated herein by reference in its entirety.

Область техники изобретения Field of invention

Раскрытое в настоящем документе изобретение относится к солегированным одновалентными катионами оксидным сцинтилляторам типа граната, к их оптическим свойствам (например, таким как сцинтилляция и фосфоресценция) и к их применению в качестве сцинтилляционных материалов в радиационных детекторах и/или в способах обнаружения, например, рентгеновского излучения, гамма-излучения и/или нейтронов. В частности, раскрытое в настоящем документе изобретение относится к оксидным материалам типа граната, таким как материалы типа лютеций-иттрий-алюминиевого граната (LuYAG) и другие материалы типа редкоземельных алюминиевых гранатов, которые легированы ионом допанта, таким как Pr³⁺ или другой активатор, и солегированы по меньшей мере одним типом одновалентного катиона щелочного металла, такого как Li⁺.The invention disclosed herein relates to monovalent cation co-doped garnet-type oxide scintillators, their optical properties (such as scintillation and phosphorescence) and their use as scintillation materials in radiation detectors and/or in methods for detecting, for example, x-rays. , gamma radiation and/or neutrons. In particular, the invention disclosed herein relates to garnet-type oxide materials such as lutetium-yttrium-aluminum garnet (LuYAG) type materials and other rare earth aluminum garnet type materials that are doped with a dopant ion such as Pr ³⁺ or other activator, and co-doped with at least one type of monovalent alkali metal cation such as Li ⁺ .

СокращенияAbbreviations

% = процентное соотношение% = percentage

°С = градус Цельсия°C = degree Celsius

мкКи = микрокюриµCi = microcurie

мс = микросекундаms = microsecond

τ_d = время затуханияτ _d = decay time

Al = алюминийAl = aluminum

ат. = атомныйat. = atomic

у.е. = условная единицаc.u. = conventional unit

ПЗС = прибор с зарядовой связьюCCD = charge coupled device

Се = церийCe = cerium

Cs = цезийCs = cesium

КТ = компьютерная томографияCT = computed tomography

ЭР = энергетическое разрешениеER = energy resolution

Eu = европийEu = europium

г = граммg = gram

Gd = гадолинийGd = gadolinium

K = калийK = potassium

кэВ = килоэлектронвольтkeV = kiloelectronvolt

La = лантанLa = lanthanum

Li = литийLi = lithium

СО = световая отдачаCO = light output

Lu = лютецийLu = lutetium

LuAG = лютеций-алюминиевый гранатLuAG = lutetium aluminum garnet

LuYAG = лютеций-иттрий-алюминиевый гранатLuYAG = Lutetium Yttrium Aluminum Garnet

СВ = световой выходCB = light output

МэВ = мегаэлектронвольтMeV = mega-electronvolt

мм = миллиметрmm = millimeter

мол. = молярныйthey say = molar

МПа = мегапаскальMPa = megapascal

Na = натрийNa = sodium

нм = нанометрnm = nanometer

нс = наносекундаns = nanosecond

ф = фотонf = photon

ФЛ = фотолюминесценцияPL = photoluminescence

ч./млн. = часть на миллионppm = part per million

ФЭУ = фотоэлектронный умножительPMT = photomultiplier tube

Pr = празеодимPr = praseodymium

Rb = рубидийRb = rubidium

РЛ = радиолюминесценцияRL = radioluminescence

к. т. = комнатная температураk.t. = room temperature

Sc = скандийSc = scandium

ОФЭКТ = однофотонная эмиссионная компьютерная томографияSPECT = single photon emission computed tomography

Tb = тербийTb = terbium

ТЛ = термолюминесценцияTL = thermoluminescence

мас. = массовыйwt. = mass

Y = иттрийY = yttrium

Уровень техники изобретенияState of the art invention

Для обнаружения излучения в промышленных приложениях, таких как медицинская диагностическая визуализация и национальная безопасность, желательные характеристики сцинтилляторов включают высокий световой выход, хорошее энергетическое разрешение и короткое время затухания сцинтилляции. Недавно, при разработке легированных церием гранатовых сцинтилляторов, таких как сцинтилляторы типа лютеций-алюминиевого граната (LuAG) и гадолиний-галлий-алюминиевого граната (GGAG), исследователи описали высокие световые выходы, составляющие 46000 фотонов на мегаэлектронвольт (ф/МэВ), и короткое время затухания, составляющее 30 наносекунд (нс). Однако сцинтилляторы LuAG часто проявляют склонность к недостижению своего полного потенциала, когда сцинтилляция происходит вследствие внутренних дефектов, таких как ловушки носителей заряда, образованные антиузловыми дефектами Lu_Al и кислородными вакансиями.For radiation detection in industrial applications such as medical diagnostic imaging and homeland security, desirable characteristics of scintillators include high light output, good energy resolution, and short scintillation decay time. Recently, in the development of cerium-doped garnet scintillators, such as the lutetium aluminum garnet (LuAG) and gadolinium gallium aluminum garnet (GGAG) type scintillators, researchers have described high light outputs of 46,000 photons per megaelectronvolt (f/MeV) and a short a decay time of 30 nanoseconds (ns). However, LuAG scintillators often tend to not reach their full potential when scintillation occurs due to internal defects such as carrier traps formed by Lu _Al anti-site defects and oxygen vacancies.

Соответственно, в настоящее время существует потребность в улучшенных сцинтилляционных материалах типа граната, таких как материалы, имеющие повышенный световой выход, улучшенное энергетическое разрешение и/или менее продолжительное время затухания сцинтилляции. Кроме того, в настоящее время существует потребность в улучшенных способах изменения свойств сцинтилляционных материалов типа гранатаAccordingly, there is currently a need for improved garnet-type scintillation materials, such as materials having increased light output, improved energy resolution, and/or shorter scintillation decay time. In addition, there is currently a need for improved methods for modifying the properties of garnet-type scintillation materials.

Сщуность изобретенияThe essence of the invention

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает сцинтилляционный материал. Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал содержит композицию формулы (I):In some embodiments, the invention disclosed herein provides a scintillation material. In some embodiments, the scintillation material contains a composition of formula (I):

в которой: 0≤х≤1,0; 0≤у≤0,05; 0≤z≤0,1; RE представляет собой первый редкоземельный элемент; RE' представляет собой второй редкоземельный элемент или комбинацию второго редкоземельного элемента и по меньшей мере одного или более дополнительных редкоземельных элементов, при том условии, что RE' не содержит первый редкоземельный элемент RE; А представляет собой ион допанта, выбранного из группы, состоящей из Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации, при условии, что А не содержит ион такого же элемента, как RE или RE'; и В представляет собой по меньшей мере один тип одновалентного катиона, необязательно катиона элемента, выбранного из группы, состоящей из Li, Na, K, Rb, Cs и Fr. Согласно некоторым вариантам осуществления RE представляет собой Lu. Согласно некоторым вариантам осуществления RE' представляет собой Y. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,1≤х≤0,5, причем необязательно х составляет 0,25. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой Pr³⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0001≤у≤0,015, причем необязательно у составляет 0,004 или 0,012. Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0002≤z≤0,1, причем необязательно 0,001≤z≤0,1, и при этом необязательно z составляет 0,002, 0,008 или 0,02.in which: 0≤x≤1.0; 0≤y≤0.05; 0≤z≤0.1; RE is the first rare earth element; RE' is a second rare earth element or a combination of a second rare earth element and at least one or more additional rare earth elements, provided that RE' does not contain the first rare earth element RE; A is a dopant ion selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb and any combination thereof, provided that A does not contain an ion of the same element as RE or RE '; and B is at least one type of monovalent cation, optionally an element cation selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, Cs and Fr. In some embodiments, RE is Lu. In some embodiments, RE' is Y. In some embodiments, 0.1≤x≤0.5, optionally x being 0.25. In some embodiments, A is Pr ³⁺ . In some embodiments, 0.0001≤y≤0.015, optionally y being 0.004 or 0.012. In some embodiments, B is Li ⁺ . In some embodiments, 0.0002≤z≤0.1, optionally 0.001≤z≤0.1, and optionally z is 0.002, 0.008, or 0.02.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен сцинтилляционный материал, содержащий композицию формулы (II):In some embodiments, a scintillation material is provided comprising a composition of formula (II):

в которой: 0,05≤х≤1,0; 0≤у≤0,05; 0≤z≤0,1; RE' выбран из группы, состоящей из Се, Dy, Er, Eu, Gd, Но, La, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, Y и любой их комбинации; А представляет собой ион допанта, необязательно ион элемента, выбранного из группы, состоящей из Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации, при том условии, что А не содержит ион такого же элемента, как RE'; и В представляет собой по меньшей мере один тип одновалентного катиона, необязательно катиона элемента, выбранного из группы, состоящей из Li, Na, K, Rb, Cs и Fr. Согласно некоторым вариантам осуществления RE' представляет собой Y. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,1≤х≤0,5, причем необязательно х составляет 0,25. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой Pr³⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0001≤у≤0,015, причем необязательно у составляет 0,004 или 0,012. Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0002≤z≤0,1, причем необязательно 0,001≤z≤0,1, и при этом необязательно z составляет 0,002, 0,008. или 0,02.in which: 0.05≤x≤1.0; 0≤y≤0.05; 0≤z≤0.1; RE' is selected from the group consisting of Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, Y, and any combination thereof; A is a dopant ion, optionally an ion of an element selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb, and any combination thereof, provided that A does not contain an ion of such same element as RE'; and B is at least one type of monovalent cation, optionally an element cation selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, Cs and Fr. In some embodiments, RE' is Y. In some embodiments, 0.1≤x≤0.5, optionally x being 0.25. In some embodiments, A is Pr ³⁺ . In some embodiments, 0.0001≤y≤0.015, optionally y being 0.004 or 0.012. In some embodiments, B is Li ⁺ . In some embodiments, 0.0002≤z≤0.1, optionally 0.001≤z≤0.1, and optionally z is 0.002, 0.008. or 0.02.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен сцинтилляционный материал, содержащий композицию формулы (III):In some embodiments, a scintillation material is provided comprising a composition of formula (III):

в которой: 0,05≤х≤0,5; 0≤у≤0,05; 0≤z≤0,1; А представляет собой ион допанта, необязательно ион элемента, выбранного из группы, состоящей из Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации; и В представляет собой по меньшей мере один тип одновалентного катиона, необязательно катиона элемента, выбранного из группы, состоящей из Li, Na, K, Rb, Cs и Fr. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет 0,25. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой Pr³⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0001≤у≤0,015, причем необязательно у составляет 0,004 или 0,012. Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0002≤z≤0,1, причем необязательно 0,001≤z≤0,1, и при этом необязательно z составляет 0,002, 0,008 или 0,02.in which: 0.05≤x≤0.5; 0≤y≤0.05; 0≤z≤0.1; A is a dopant ion, optionally an ion of an element selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb, and any combination thereof; and B is at least one type of monovalent cation, optionally an element cation selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, Cs and Fr. In some embodiments, x is 0.25. In some embodiments, A is Pr ³⁺ . In some embodiments, 0.0001≤y≤0.015, optionally y being 0.004 or 0.012. In some embodiments, B is Li ⁺ . In some embodiments, 0.0002≤z≤0.1, optionally 0.001≤z≤0.1, and optionally z is 0.002, 0.008, or 0.02.

Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал включает материал, выбранный из группы, состоящей из (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 0,2% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 0,8% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 2,0% Li+; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,12% Pr³⁺, солегированного с 0,308 ат. % Na⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 0,6 ат. % Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 0,6 ат. % K⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 2,4 ат. % Li⁺; и (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 6 ат. % Li⁺, причем необязательно материал выбран из группы, состоящей из (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 0,2% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 0,8% Li⁺; и (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 2,0% Li⁺.In some embodiments, the scintillation material includes a material selected from the group consisting of (Lu _0.75 ,Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.2% Li ⁺ ; (Lu _0.75 ,Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.8% Li ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 0.4% Pr ³⁺ co-doped with 2.0% Li+; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 0.12% Pr ³⁺ co-doped with 0.308 at. % Na ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 0.6 at. %Li ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 0.6 at. %K ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 2.4 at. %Li ⁺ ; and (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 6 at. % Li ⁺ , and optionally the material is selected from the group consisting of (Lu _0.75 Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.2% Li ⁺ ; (Lu _0.75 ,Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.8% Li ⁺ ; and (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4% Pr ³⁺ co-doped with 2.0% Li ⁺ .

Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал проявляет одно или более из увеличенного светового выхода, улучшенного энергетического разрешения и ускоренного быстрого компонента затухания по сравнению со сцинтилляционным материалом, в котором отсутствует В. Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал представляет собой монокристаллический материал. Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал представляет собой поликристаллический и/или керамический материал.In some embodiments, the scintillation material exhibits one or more of increased light output, improved energy resolution, and an accelerated fast decay component compared to a scintillation material lacking B. In some embodiments, the scintillation material is a single crystal material. In some embodiments, the scintillation material is a polycrystalline and/or ceramic material.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен радиационный детектор, содержащий фотонный детектор и сцинтилляционный материал в соответствии с раскрытым в настоящем документе изобретением. Согласно некоторым вариантам осуществления детектор представляет собой медицинское диагностическое устройство, нефтеразведочное устройство или устройство для сканирования контейнера или багажа.In some embodiments, a radiation detector is provided, comprising a photonic detector and a scintillation material in accordance with the invention disclosed herein. In some embodiments, the detector is a medical diagnostic device, an oil exploration device, or a container or baggage scanning device.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен способ обнаружения гамма-излучения, рентгеновского излучения, космического излучения и/или частиц, имеющих энергию 1 кэВ или более, причем способ включает применение радиационного детектора, содержащего фотонный детектор и сцинтилляционный материал в соответствии с раскрытым в настоящем документе изобретением.In some embodiments, a method is provided for detecting gamma rays, x-rays, cosmic rays, and/or particles having an energy of 1 keV or more, the method comprising the use of a radiation detector comprising a photon detector and scintillation material in accordance with the invention disclosed herein.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен способ получения сцинтилляционного материала в соответствии с раскрытым в настоящем документе изобретением, причем способ включает вытягивание монокристалла из расплавленных исходных материалов.In some embodiments, a method for producing a scintillation material according to the invention disclosed herein is provided, the method comprising drawing a single crystal from molten starting materials.

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ изменения одного или более сцинтилляционных и/или оптических свойств редкоземельного алюминиевого гранатового сцинтиллятора, содержащего матрицу, имеющую формулу RE''₃Al₅O₁₂, в которой RE'' представляет собой смесь по меньшей мере двух редкоземельных элементов, и при этом сцинтиллятор дополнительно содержит по меньшей мере один допант, выбранный из группы, состоящей из Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации, при условии, что допант не содержит ион элемента, представляющего собой какой-либо редкоземельный элемент матрицы редкоземельного алюминиевого граната, причем способ включает получение редкоземельного алюминиевого гранатового сцинтиллятора в присутствии одновалентного иона содопанта, и в результате этого получают сцинтилляционный материал типа солегированного редкоземельного алюминиевого граната, причем одновалентный ион содопанта необязательно представляет собой ион щелочного металла. Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ изменения одного или более сцинтилляционных и/или оптических свойств редкоземельного алюминиевого гранатового сцинтиллятора, содержащего матрицу, имеющую формулу RE''₃Al₅O₁₂, в которой RE'' представляет собой смесь по меньшей мере двух редкоземельных элементов, и при этом сцинтиллятор дополнительно содержит по меньшей мере один допант, выбранный из группы, состоящей из Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации, при условии, что допант не содержит ион допанта, представляющего собой какой-либо редкоземельный элемент матрицы редкоземельного алюминиевого граната, причем необязательно редкоземельный алюминиевый гранатовый сцинтиллятор представляет собой сцинтиллятор типа легированного празеодимом (Pr) лютеций-иттрий-алюминиевого граната (LuYAG), причем способ включает получение редкоземельного алюминиевого гранатового сцинтиллятора в присутствии одновалентного иона содопанта, и в результате этого получают сцинтилляционный материал типа солегированного редкоземельного алюминиевого граната, причем необязательно одновалентный ион содопанта представляет собой ион щелочного металла, и при этом необязательно одновалентный ион содопанта представляет собой Li⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал типа солегированного редкоземельного алюминиевого граната проявляет увеличенный световой выход, улучшенное энергетическое разрешение, улучшенную пропорциональность, и/или уменьшенное время затухания по сравнению с таким же редкоземельным алюминиевым гранатовым сцинтилляционным материалом без иона содопанта.In some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for modifying one or more of the scintillation and/or optical properties of a rare earth aluminum garnet scintillator containing a matrix having the formula RE'' ₃ Al ₅ O ₁₂ , wherein RE'' is a mixture of at least at least two rare earth elements, and the scintillator additionally contains at least one dopant selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb and any combination thereof, provided that the dopant does not contain an element ion that is any rare earth element of the rare earth aluminum garnet matrix, the method comprising producing a rare earth aluminum garnet scintillator in the presence of a monovalent sodopant ion, and thereby obtaining a co-doped rare earth aluminum garnet type scintillation material, wherein the monovalent sodopant ion optionally represents an alkali metal ion. In some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for modifying one or more of the scintillation and/or optical properties of a rare earth aluminum garnet scintillator containing a matrix having the formula RE'' ₃ Al ₅ O ₁₂ , wherein RE'' is a mixture of at least at least two rare earth elements, and the scintillator additionally contains at least one dopant selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb and any combination thereof, provided that the dopant does not contain a dopant ion, which is any rare earth element of the rare earth aluminum garnet matrix, and optionally the rare earth aluminum garnet scintillator is a praseodymium (Pr) doped lutetium-yttrium aluminum garnet (LuYAG) type scintillator, and the method includes obtaining a rare earth aluminum garnet scintillator in the presence of a monovalent sodopant ion, and as a result, a co-doped rare earth aluminum garnet type scintillation material is obtained, wherein the monovalent sodopant ion is optionally an alkali metal ion and optionally the monovalent sodopant ion is Li ⁺ . In some embodiments, a co-doped rare earth aluminum garnet type scintillation material exhibits increased light output, improved energy resolution, improved proportionality, and/or reduced decay time compared to the same rare earth aluminum garnet scintillation material without the codopant ion.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен сцинтилляционный материал, содержащий композицию формулы (I'):In some embodiments, a scintillation material is provided comprising a composition of formula (I'):

в которой: 0≤х≤1,0; 0≤у≤0,05; 0≤z≤0,1; RE представляет собой первый редкоземельный элемент; RE' представляет собой второй редкоземельный элемент или комбинацию второго редкоземельного элемента и по меньшей мере одного или более дополнительных редкоземельных элементов, при том условии, что RE' не содержит первый редкоземельный элемент RE; А представляет собой ион допанта, выбранного из группы, состоящей из Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации, при условии, что А не содержит ион такого же элемента, как RE или RE'; и В' представляет собой одновалентный катион изотопа лития или их смеси, причем необязательно В' представляет собой одновалентный катион изотопа лития-6 (т.е. ⁶Li⁺). Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0001≤z≤0,1, необязательно 0,001≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления RE представляет собой Lu. Согласно некоторым вариантам осуществления RE' представляет собой Y, причем необязательно х составляет приблизительно 0,25. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой Pr³⁺, причем необязательно 0,0001≤у≤0,015, и при этом необязательно у составляет 0,004 или 0,012.in which: 0≤x≤1.0; 0≤y≤0.05; 0≤z≤0.1; RE is the first rare earth element; RE' is a second rare earth element or a combination of a second rare earth element and at least one or more additional rare earth elements, provided that RE' does not contain the first rare earth element RE; A is a dopant ion selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb and any combination thereof, provided that A does not contain an ion of the same element as RE or RE '; and B' is a monovalent cation of a lithium isotope or mixtures thereof, optionally B' is a monovalent cation of a lithium isotope-6 (ie ⁶ Li ⁺ ). In some embodiments, 0.0001≤z≤0.1, optionally 0.001≤z≤0.1. In some embodiments, RE is Lu. In some embodiments, RE' is Y, optionally x being about 0.25. In some embodiments, A is Pr ³⁺ , optionally 0.0001≤y≤0.015, and optionally y is 0.004 or 0.012.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен радиационный детектор, содержащий фотонный детектор и сцинтилляционный материал в соответствии с раскрытым в настоящем документе изобретением.In some embodiments, a radiation detector is provided, comprising a photonic detector and a scintillation material in accordance with the invention disclosed herein.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен способ обнаружения нейтронов, причем способ включает применение радиационного детектора, содержащего фотонный детектор и сцинтилляционный материал в соответствии с раскрытым в настоящем документе изобретением.In some embodiments, a method for detecting neutrons is provided, the method comprising the use of a radiation detector comprising a photon detector and scintillation material in accordance with the invention disclosed herein.

Соответственно, задача раскрытого в настоящем документе изобретения заключается в том, чтобы предложить солегированные редкоземельные алюминиевые гранатовые сцинтилляторы, радиационные детекторы, содержащие солегированные сцинтилляторы; способы обнаружения гамма-излучения, рентгеновского излучения, космического излучения и/или частиц, имеющих энергию 1 кэВ или более, с помощью радиационных детекторов; способы получения оптических материалов и способы изменения сцинтилляционных и/или оптических свойств сцинтилляторов.Accordingly, it is an object of the invention disclosed herein to provide co-doped rare earth aluminum garnet scintillators, radiation detectors comprising co-doped scintillators; methods for detecting gamma rays, x-rays, cosmic rays and/or particles having an energy of 1 keV or more using radiation detectors; methods for obtaining optical materials and methods for changing the scintillation and/or optical properties of scintillators.

Задача раскрытого в настоящем документе изобретения представлена выше и может быть решена полностью или частично посредством раскрытого в настоящем документе изобретения, а другие задачи становятся очевидными из описания, приведенного ниже.The object of the invention disclosed herein has been presented above and may be solved in whole or in part by the invention disclosed herein, and other objects become apparent from the description below.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

На фиг. 1 представлены графически спектры поглощения (нормированная интенсивность (в условных единицах (у. е.) в зависимости от длины волны (в нанометрах (нм))) монокристалла двойного оксида лютеция и алюминия, в котором приблизительно 25 процентов лютеция замещает иттрий, и при этом материал легирован празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) и солегирован литием (0,2 ат. % Li) (т.е. Lu_0,744Y_0,25Pr_0,004Li_0,002)Al₅O₁₂).In FIG. 1 graphically shows the absorption spectra (normalized intensity (in arbitrary units (c.u.) depending on the wavelength (in nanometers (nm)) of a single crystal of lutetium and aluminum double oxide, in which approximately 25 percent of lutetium replaces yttrium, and at the same time the material is doped with praseodymium (0.4 atomic percent (at. %) Pr) and co-doped with lithium (0.2 at. % Li) (i.e., Lu _0.744 Y _0.25 Pr _0.004 Li _0.002 ) Al ₅ O ₁₂ ).

На фиг. 2 представлены графически спектры возбужденной рентгеновским излучением люминесценции (или радиолюминесценции (РЛ)) (нормированная интенсивность (в условных единицах (у. е.) в зависимости от длины волны (в нанометрах (нм))) монокристалла двойного оксида лютеция и алюминия, в котором приблизительно 25 процентов лютеция замещает иттрий, и при этом материал легирован празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) и солегирован литием (0,2 ат. % Li) (т.е. Lu_0,744Y_0,25Pr_0,004Li_0,002)Al₅O₁₂).In FIG. 2 graphically shows the spectra of X-ray excited luminescence (or radioluminescence (RL)) (normalized intensity (in arbitrary units (c.u.) depending on the wavelength (in nanometers (nm)) of a lutetium and aluminum double oxide single crystal, in which approximately 25 percent lutetium replaces yttrium, and the material is doped with praseodymium (0.4 atom percent (at.%) Pr) and co-doped with lithium (0.2 at.% Li) (i.e., Lu _0.744 Y _0.25 Pr _0.004 Li _0.002 ) Al ₅ O ₁₂ ).

На фиг. 3 представлены графически спектры гамма (γ)-излучения (интенсивность (в условных единицах (у. е.) в зависимости от номера канала) монокристалла двойного оксида лютеция и алюминия, в котором приблизительно 25 процентов лютеция замещает иттрий, и при этом материал легирован празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) и солегирован литием (0,2 ат. % Li) (т.е. Lu_0,744Y_0,25Pr_0,004Li_0,002)Al₅O₁₂). Световой выход составляет 16000 фотонов на мегаэлектронвольт (МэВ) на основании гауссовской аппроксимации данных приблизительно от канала 250 приблизительно до канала 330. Источник рентгеновского излучения представлял собой цезий-137 (¹³⁷Cs; 662 килоэлектронвольта (кэВ)) в количестве 10 микрокюри (мкКи).In FIG. 3 graphically shows the spectra of gamma (γ) radiation (intensity (in arbitrary units (ar. e.) depending on the channel number) of a single crystal of double oxide of lutetium and aluminum, in which approximately 25 percent of lutetium replaces yttrium, and the material is doped with praseodymium (0.4 atomic percent (at. %) Pr) and co-doped with lithium (0.2 at. % Li) (i.e. Lu _0.744 Y _0.25 Pr _0.004 Li _0.002 )Al ₅ O ₁₂ ). The light output is 16,000 photons per megaelectronvolt (MeV) based on a Gaussian fit of the data from approximately channel 250 to approximately channel 330. The X-ray source was 10 microcuries (µCi) cesium-137 ( ¹³⁷ Cs; 662 kiloelectronvolts (keV)) .

На фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий временной профиль сцинтилляции (нормированная интенсивность (в условных единицах (у. е.)) в зависимости от времени (в наносекундах (нс))) монокристалла двойного оксида лютеция и алюминия, в котором приблизительно 25 процентов лютеция замещает иттрий, и при этом материал легирован празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) и солегирован литием (0,2 ат. % Li) (т.e. Lu_0,744Y_0,25Pr_0,004Li_0,002)Al₅O₁₂). Значения времени затухания для трехкомпонентной экспоненциальной аппроксимации затухания составляли 22 наносекунды (нс) (40 процентов (%)), 656 нс (31%) и 119,1 нс (29%).In FIG. 4 is a graph illustrating the time profile of scintillation (normalized intensity (in arbitrary units (c.u.)) versus time (in nanoseconds (ns)) of a single crystal of lutetium aluminum double oxide, in which approximately 25 percent of lutetium replaces yttrium, and the material is doped with praseodymium (0.4 atomic percent (at. %) Pr) and co-doped with lithium (0.2 at. % Li) (i.e. Lu _0.744 Y _0.25 Pr _0.004 Li _0.002 ) Al ₅ O ₁₂ ). The decay times for the three-component exponential decay approximation were 22 nanoseconds (ns) (40 percent (%)), 656 ns (31%), and 119.1 ns (29%).

На фиг. 5 представлены графически спектры поглощения (нормированная интенсивность (в условных единицах (у. е.)) в зависимости от длины волны (в нанометрах (нм))) монокристалла двойного оксида лютеция и алюминия, в котором приблизительно 25 процентов лютеция замещает иттрий, и при этом материал легирован празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) и солегирован литием (Li). Спектры представлены для кристалла, солегированного 0,2 ат. % Li (LuYAG:Pr, 0,2% Li, штриховая линия); кристалла, солегированного 0,8 ат. % Li (LuYAG:Pr, 0,8% Li, штрихпунктирная линия); и кристалла, солегированного 2,0 ат. % Li (LuYAG:Pr, 2,0% Li, толстая сплошная линия). Для сравнения также представлен спектр легированного празеодимом материала, не содержащего содопант (LuYAG:Pr, тонкая сплошная линия). Кроме того, разность между спектрами солегированных образцов и спектром несолегированного образца представлена штриховой двухпунктирной линией. На вставке представлено увеличенное изображение спектров в диапазоне между 220 нм и 300 нм.In FIG. 5 shows graphically the absorption spectra (normalized intensity (in arbitrary units (c.e.)) depending on the wavelength (in nanometers (nm))) of a single crystal of lutetium and aluminum double oxide, in which approximately 25 percent of lutetium replaces yttrium, and at In this case, the material is doped with praseodymium (0.4 atomic percent (at. %) Pr) and co-doped with lithium (Li). The spectra are presented for a crystal co-doped with 0.2 at. % Li (LuYAG:Pr, 0.2% Li, dashed line); crystal co-doped with 0.8 at. % Li (LuYAG:Pr, 0.8% Li, dotted line); and a crystal co-doped with 2.0 at. % Li (LuYAG:Pr, 2.0% Li, thick solid line). Also shown for comparison is the spectrum of a praseodymium-doped material containing no sodopant (LuYAG:Pr, thin solid line). In addition, the difference between the spectra of the co-doped samples and the spectrum of the non-doped sample is represented by a dashed two-dotted line. The inset shows an enlarged view of the spectra between 220 nm and 300 nm.

На фиг. 6 представлен график, иллюстрирующий спектры фотолюминесценции (интенсивность (в условных единицах (у. е.)) в зависимости от длины волны (в нанометрах (нм))) монокристалла двойного оксида лютеция и алюминия, в котором приблизительно 25 процентов лютеция замещает иттрий, и при этом материал легирован празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) и солегирован литием (Li). Спектры представлены для кристалла, солегированного 0,2 ат. % Li (LuYAG:Pr, 0,2% Li, штриховая линия); кристалла, солегированного 0,8 ат. % Li (LuYAG:Pr, 0,8% Li, пунктирная линия); и кристалла, солегированного 2,0 ат. % Li (LuYAG:Pr, 2,0% Li, штрихпунктирная линия). Для сравнения представлены также спектры легированного празеодимом материала, не содержащего содопант (LuYAG:Pr, сплошная линия). Длина волны возбуждения составляет 375 нм, и длина волны главного пика излучения составляет 280 нм.In FIG. 6 is a graph illustrating the photoluminescence spectra (intensity (in arbitrary units (c.u.)) as a function of wavelength (in nanometers (nm)) of a single crystal of lutetium aluminum double oxide, in which approximately 25 percent of lutetium replaces yttrium, and while the material is doped with praseodymium (0.4 atomic percent (at. %) Pr) and co-doped with lithium (Li). The spectra are presented for a crystal co-doped with 0.2 at. % Li (LuYAG:Pr, 0.2% Li, dashed line); crystal co-doped with 0.8 at. % Li (LuYAG:Pr, 0.8% Li, dotted line); and a crystal co-doped with 2.0 at. % Li (LuYAG:Pr, 2.0% Li, dotted line). For comparison, the spectra of the praseodymium-doped material without sodopant (LuYAG:Pr, solid line) are also shown. The excitation wavelength is 375 nm and the wavelength of the main emission peak is 280 nm.

На фиг. 7 представлен график, иллюстрирующий спектры гамма-излучения (интенсивность (в условных единицах (у. е.)) в зависимости от номера канала, расположенные сверху вниз для монокристалла двойного оксида лютеция и алюминия, где приблизительно 25 процентов лютеция замещает иттрий, и при этом материал легирован празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) (LuYAG:Pr); кристалла того же материала, также солегированного литием (0,2 ат. % Li) (LuYAG:Pr, 0,2% Li); кристалла того же материала, также солегированного 0,8 ат. % Li (LuYAGPr, 0,8% Li); и кристалла того же материала, также солегированного 2,0 ат. % Li (LuYAG:Pr, 20% Li). Спектры каждого кристалла LuYAG представлены сплошной линией. Для сравнения спектр германата висмута (BGO) представлен штриховой линией.In FIG. 7 is a graph illustrating the gamma radiation spectra (intensity (in arbitrary units (ar. e.)) depending on the channel number, arranged from top to bottom for a lutetium aluminum double oxide single crystal, where approximately 25 percent of lutetium replaces yttrium, and at the same time material doped with praseodymium (0.4 atom percent (at.%) Pr) (LuYAG:Pr); a crystal of the same material, also co-doped with lithium (0.2 at.% Li) (LuYAG:Pr, 0.2% Li) , a crystal of the same material, also co-doped with 0.8 at.% Li (LuYAGPr, 0.8% Li), and a crystal of the same material, also co-doped with 2.0 at.% Li (LuYAG:Pr, 20% Li). The spectra of each LuYAG crystal are represented by a solid line, for comparison, the spectrum of bismuth germanate (BGO) is represented by a dashed line.

На фиг. 8 представлен график, иллюстрирующий гамма-отклик (относительный световой выход в зависимости от энергии гамма-излучения (в килоэлектронвольтах (кэВ)) для легированного празеодимом (Pr) тройной оксид лютеция, иттрия и алюминия (LuYAG:Pr, квадраты); легированного празеодимом LuYAG, солегированного литием (0,2 атомного процента (ат. %)) (LuYAG:Pr, 0,2% Li, кружки); легированного празеодимом LuYAG, солегированного литием (0,2 ат. % Li) (LuYAG:Pr, 0,8% Li, треугольники); и легированного празеодимом LuYAG, солегированного литием (2,0 ат. % Li) (LuYAG:Pr, 2,0% Li, звездочки). Идеальный отклик обозначен сплошной линией.In FIG. 8 is a graph illustrating the gamma response (relative light yield versus gamma ray energy (in kiloelectronvolts (keV)) for praseodymium (Pr) doped lutetium yttrium aluminum ternary oxide (LuYAG:Pr, squares); praseodymium doped LuYAG , lithium co-doped (0.2 atom percent (at. %)) (LuYAG:Pr, 0.2% Li, circles); praseodymium-doped LuYAG, lithium co-doped (0.2 at. .8% Li, triangles) and praseodymium-doped LuYAG co-doped with lithium (2.0 at.% Li) (LuYAG:Pr, 2.0% Li, asterisks). The ideal response is indicated by the solid line.

На фиг. 9 представлен схематическое изображение устройства для обнаружения излучения согласно аспекту раскрытого в настоящем документе изобретения. Устройство 10 содержит фотонный детектор 12 в оптической связи со сцинтилляционным материалом 14. Устройство 10 может необязательно содержать электронные приспособления 16 для записи и/или демонстрации электронного сигнала от фотонного детектора 12. Таким образом, необязательные электронные приспособления 16 могут находиться в электронной связи с фотонным детектором 12.In FIG. 9 is a schematic representation of a device for detecting radiation according to an aspect of the invention disclosed herein. Device 10 includes a photon detector 12 in optical communication with scintillation material 14. Device 10 may optionally include electronic devices 16 for recording and/or displaying an electronic signal from photon detector 12. Thus, optional electronic devices 16 may be in electronic communication with the photon detector. 12.

На фиг. 10 представлена пара графиков, иллюстрирующих кривые свечения термолюминесценции (нормированная интенсивность в условных единицах (у. е.) в зависимости от температуры в Кельвинах (K)) выращенного (сверху) и отожженного на воздухе (снизу) тройного оксида лютеция, иттрия и алюминия, легированного празеодимом (0,4 атомного процента (ат. %) Pr) (LuYAG:Pr, сплошные линии); LuYAG, легированного празеодимом (0,4 ат. % Pr) и солегированного литием (0,2 ат. % Li) (LuYAG:Pr, 0,2% Li, штриховые линии); LuYAG, легированного празеодимом (0,4 ат. % Pr) и солегированного литием (0,8 ат. % Li) (LuYAG:Pr, 0,8% Li, пунктирные линии); и LuYAG, легированного празеодимом (0,4 ат. % Pr) и солегированного литием (2,0 ат. % Li) (LuYAG:Pr, 2,0% Li, штрихпунктирные линии). Серыми стрелками отменено уменьшение интенсивности пиков ниже приблизительно 250 K в образцах, солегированных литием.In FIG. 10 shows a pair of graphs illustrating the curves of the thermoluminescence glow (normalized intensity in arbitrary units (c.u.) depending on the temperature in Kelvin (K)) grown (top) and annealed in air (bottom) lutetium, yttrium and aluminum ternary oxide, doped with praseodymium (0.4 atomic percent (at.%) Pr) (LuYAG:Pr, solid lines); LuYAG doped with praseodymium (0.4 at.% Pr) and co-doped with lithium (0.2 at.% Li) (LuYAG:Pr, 0.2% Li, dashed lines); LuYAG doped with praseodymium (0.4 at.% Pr) and co-doped with lithium (0.8 at.% Li) (LuYAG:Pr, 0.8% Li, dotted lines); and LuYAG doped with praseodymium (0.4 at.% Pr) and co-doped with lithium (2.0 at.% Li) (LuYAG:Pr, 2.0% Li, dashed lines). The gray arrows indicate the decrease in the intensity of the peaks below about 250 K in the lithium co-doped samples.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Раскрытое в настоящем документе изобретение описывает способ модификации свойств оксидных сцинтилляторов типа граната для выполнения конкретных требований различных приложений. Более конкретно, согласно некоторым вариантам осуществления оксидные сцинтилляторы типа граната, такого как лютеций-иттрий-алюминиевый гранат (LuYAG), имеющие модифицированное время затухания сцинтилляции, энергетическое разрешение и/или световой выход, были получены посредством солегирования по меньшей мере одним типом одновалентного катиона при соотношении, составляющем приблизительно 30000 массовых (мас.) частей на миллион (ч./млн.) или менее для всех катионов. После легирования активаторами, такими как празеодим (Pr), указанные сцинтилляторы являются подходящими для обнаружения излучения в таких приложениях, как медицинская диагностическая визуализация, национальная безопасность, экспериментальная физика высоких энергий и геофизические исследования. Солегирование указанных сцинтилляторов одновалентными ионами может быть использовано для одновременной модификации оптических и сцинтилляционных свойств.The invention disclosed herein describes a method for modifying the properties of garnet-type oxide scintillators to meet the specific requirements of various applications. More specifically, in some embodiments, garnet-type oxide scintillators, such as lutetium-yttrium-aluminum garnet (LuYAG), having modified scintillation decay time, energy resolution, and/or light output, have been made by codoping with at least one type of monovalent cation at a ratio of approximately 30,000 mass (wt.) parts per million (ppm) or less for all cations. After doping with activators such as praseodymium (Pr), these scintillators are suitable for detecting radiation in applications such as medical diagnostic imaging, homeland security, experimental high energy physics, and geophysical exploration. The co-doping of these scintillators with monovalent ions can be used to simultaneously modify the optical and scintillation properties.

Далее раскрытое в настоящем документе изобретение будет описано более подробно. Однако раскрытое в настоящем документе изобретение может быть реализовано в различных формах, и его не следует истолковывать как ограниченное вариантами осуществления, которые описаны ниже и в сопровождающих примерах. Напротив, указанные варианты осуществления приведены для того, чтобы сделать настоящее раскрытие подробным и всесторонним и в полном объеме представить варианты осуществления специалистам в данной области техники.Hereinafter, the invention disclosed herein will be described in more detail. However, the invention disclosed herein may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described below and in the accompanying examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure detailed and comprehensive and to fully present the embodiments to those skilled in the art.

Все документы, процитированные в настоящем документе, включая, без ограничения, все патенты, патентные заявки и соответствующие публикации, а также статьи из научных журналов, включены в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте в такой степени, что они дополняют, разъясняют, представляют уровень техники или описывают способы, технологии и/или композиции, используемые в настоящем изобретении.All documents cited in this document, including, without limitation, all patents, patent applications and related publications, as well as articles from scientific journals, are incorporated herein by reference in their entirety to the extent that they supplement, clarify, represent the prior art or describe the methods, technologies and/or compositions used in the present invention.

I. ОпределенияI. Definitions

Хотя следующие термины считаются вполне понятными для обычного специалиста в данной области техники, далее представлены определения, которые упрощают разъяснение раскрытого в настоящем документе изобретения.Although the following terms are considered to be well understood by one of ordinary skill in the art, the following are definitions that simplify the explanation of the invention disclosed herein.

Если не определены другие условия, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют такие значения, которые понимает обычный специалист в области техники, к которой принадлежит раскрытое в настоящем документе изобретение.Unless otherwise specified, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as those of ordinary skill in the art to which the invention disclosed herein belongs.

Согласно исторически сложившейся договоренности в области патентного права грамматические формы единственного и множественного числа означают «один или более» при использовании в настоящей заявке, включая формулу изобретения.According to historical convention in the field of patent law, the grammatical forms of the singular and plural mean "one or more" when used in this application, including the claims.

Термин «и/или» при использовании в описании двух или более предметов или условий означает ситуации, где все названные предметы или условия присутствуют или могут быть применены, или ситуации, в которых присутствует или применяется только один (или менее чем все) из предметов или условий.The term "and/or" when used in the description of two or more items or conditions means situations where all of the named items or conditions are present or can be applied, or situations in which only one (or less than all) of the items or conditions is present or applied or conditions.

Применение термина «или» в формуле изобретения предусмотрено в значении «и/или», если определенно не указано, что он означает только альтернативы, или что альтернативы являются взаимоисключающими, хотя в описании может быть использовано определение, которое означает только альтернативы и «и/или». При использовании в настоящем документе термин «другой» может означать по меньшей мере второй или следующий.The use of the term "or" in the claims is intended to mean "and/or" unless specifically stated that it means only alternatives, or that the alternatives are mutually exclusive, although a definition that means only alternatives and "and/or" may be used in the description. or". As used herein, the term "other" may mean at least the second or next.

Термин «содержащий», который представляет собой синоним терминов «включающий», «имеющий» или «характеризуемый», является включительным или неограничительным и не исключает дополнительные неперечисленные элементы или технологические стадии. Технический термин «содержащий», используемый в формуле изобретения, означает, что названные элементы являются необходимыми, но могут быть добавлены другие элементы, с которыми структура остается в пределах объема формулы изобретения.The term "comprising", which is a synonym for the terms "including", "having" or "characterized", is inclusive or non-limiting and does not exclude additional non-listed elements or technological steps. The technical term "comprising" used in the claims means that the named elements are necessary, but other elements may be added with which the structure remains within the scope of the claims.

При использовании в настоящем документе выражение «состоящий из» исключает любой элемент, этап или ингредиент, не указанный в формуле изобретения. Когда выражение «состоит из» присутствует в отличительной части пункта формулы изобретения, а не следует непосредственно преамбуле, оно ограничивает только элемент, указанный в данном пункте формулы изобретения; другие элементы не исключены из пункта формулы изобретения в целом.As used herein, the expression "consisting of" excludes any element, step, or ingredient not listed in the claims. When the expression "consists of" is present in the characterizing part of a claim, rather than directly following the preamble, it limits only the element identified in that claim; other elements are not excluded from the claim as a whole.

При использовании в настоящем документе выражение «в основном состоящий из» ограничивает объем формулы изобретения указанными материалами или стадиями, включая те, которые не влияют существенным образом на основные и новые характеристики заявленного предмета настоящего изобретения.As used herein, the expression "essentially consisting of" limits the scope of the claims to the materials or steps indicated, including those that do not materially affect the essential and novel features of the claimed subject matter of the present invention.

Что касается терминов «содержащий», «состоящий из» и «в основном состоящий из», когда один из указанных трех терминов использован в настоящем документе, описанный и заявленный предмет настоящего изобретения может включать применение любого из других двух терминов.With regard to the terms "comprising", "consisting of" and "mainly consisting of", when one of these three terms is used herein, the described and claimed subject matter of the present invention may include the use of any of the other two terms.

Если не указано иное условие, все числа, количественно выражающие время, температуру, световую отдачу, атомное (ат.) или молярное (мол.) процентное отношение (%) и в таком качестве используемые в описании и формуле настоящего изобретения, следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «приблизительно». Соответственно, если не указано противоречащее условие, численные параметры, которые присутствуют в настоящем описании и в прилагаемой формуле изобретения, представляют собой приблизительные значения, которые могут изменяться в зависимости от желательных свойств, которые должны быть получены посредством раскрытого в настоящем документе изобретении.Unless otherwise indicated, all numbers quantifying time, temperature, light output, atomic (at.) or molar (mol.) percentage (%) and as such used in the description and claims of the present invention should be understood as modified in all cases, the term "approximately". Accordingly, unless otherwise indicated, the numerical parameters that appear in the present description and in the accompanying claims are approximate values that may vary depending on the desired properties to be obtained by the invention disclosed herein.

При использовании в настоящем документе термина «приблизительно», который относится к значению, означает включение изменений, составляющих в одном примере ±20% или ±10%, в другом примере ±5%, в третьем примере ±1% и в следующем примере ±0,1% от указанного количества, при том условии, что такие изменения являются соответствующими для осуществления описанных способов.As used herein, the term "approximately", which refers to a value, means to include changes of ±20% or ±10% in one example, ±5% in another example, ±1% in a third example, and ±0% in the following example. 1% of the indicated amount, provided that such changes are appropriate for the implementation of the described methods.

Термин «сцинтиллятор» означает материал, который излучает свет (например, видимый свет) в ответ на стимуляцию посредством высокоэнергетического излучения (например, рентгеновского, альфа-, бета- или гамма-излучения).The term "scintillator" means a material that emits light (eg, visible light) in response to stimulation by high energy radiation (eg, x-ray, alpha, beta or gamma radiation).

Термин «люминофор» при использовании в настоящем документе означает материал, который излучает свет (например, видимый свет) в ответ на облучение электромагнитными волнами или частицами.The term "phosphor" as used herein means a material that emits light (eg, visible light) in response to irradiation with electromagnetic waves or particles.

Согласно некоторым вариантам осуществления формула, выражающая состав оптического материала (например, сцинтилляционного материала или люминофора), может содержать двоеточие «:», причем состав главного или основного матричного материала (например, основной матрицы редкоземельного алюминиевого граната) указан слева от двоеточия, и активатор (или ион допанта) или активатор и ион содопанта указаны справа от двоеточия. Согласно некоторым вариантам осуществления допант и содопант могут частично замещать один или более редкоземельных элементов в сцинтилляционном материале типа граната, представляющего собой двойной оксид редкоземельного элемента и алюминия. Например, каждый материал из Lu₃Al₅O₁₂:0,4Pr, 0,2Li, LuAG:0,4% Pr, 0,2% Li и Lu₃Al₅O₁₂:Pr³⁺ 0,4%, Li⁺ 0,2% представляет собой оптический материал LuAG, активированный празеодимом и солегированным литием, в котором 0,4 ат. % лютеция замещает празеодим, и 0,2 ат. % лютеция замещает литий. Таким образом, согласно некоторым вариантам осуществления атомное процентное содержание допанта может быть выражено как атомное процентное содержание по отношению к полному количеству допанта и одного или более редкоземельных элементов) (или допанта, одного или более редкоземельных элементов и содопанта) в основном материале. Атомное процентное содержание иона содопанта может быть выражено как атомное или молярное процентное содержание по отношению к полному количеству одного или более редкоземельных элементов, допанта и содопанта.In some embodiments, a formula expressing the composition of the optical material (e.g., scintillation material or phosphor) may contain a colon ":", with the composition of the main or main matrix material (e.g., the main matrix of rare earth aluminum garnet) being to the left of the colon, and the activator ( or dopant ion) or the activator and codopant ion are indicated to the right of the colon. In some embodiments, the dopant and sodopant may partially replace one or more rare earth elements in the garnet-type scintillation material, which is a double oxide of a rare earth element and aluminum. For example, each material of Lu ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4Pr, 0.2Li, LuAG: 0.4% Pr, 0.2% Li and Lu ₃ Al ₅ O ₁₂ :Pr ³⁺ 0.4%, Li ⁺ 0.2% is a LuAG optical material activated with praseodymium and co-doped with lithium, in which 0.4 at. % lutetium replaces praseodymium, and 0.2 at. % lutetium replaces lithium. Thus, in some embodiments, the atomic percentage of the dopant may be expressed as an atomic percentage relative to the total amount of the dopant and one or more rare earth elements) (or the dopant, one or more rare earth elements, and the sodopant) in the base material. The atomic percentage of a sodopant ion can be expressed as an atomic or molar percentage relative to the total amount of one or more rare earth elements, the dopant and the sodopant.

Термин «высокоэнергетическое излучение» может означать электромагнитное излучение, имеющее более высокую энергию, чем ультрафиолетовое излучение, включая, без ограничения рентгеновское излучение, альфа (α)-частицы, гамма (γ)-излучение и бета (β)-излучение. Согласно некоторым вариантам осуществления высокоэнергетическое излучение означает гамма-излучение, космическое излучение, рентгеновское излучение, и/или частицы, имеющие энергию 1 кэВ или более. Сцинтилляционные материалы, которые описаны в настоящем документе, могут быть использованы в качестве компонентов радиационных детекторов в таких устройствах, как счетчики, усилители изображения и сканеры для компьютерной томографии (КТ).The term "high energy radiation" may mean electromagnetic radiation having a higher energy than ultraviolet radiation, including, without limitation, x-rays, alpha (α) particles, gamma (γ) radiation, and beta (β) radiation. In some embodiments, high energy radiation means gamma rays, cosmic rays, x-rays, and/or particles having an energy of 1 keV or more. The scintillation materials described herein can be used as components of radiation detectors in devices such as counters, image intensifiers, and computed tomography (CT) scanners.

Термин «оптическая связь» при использовании в настоящем документе означает физическую связь между сцинтиллятором и фотодатчиком, например, когда присутствует оптическая смазка или другая композиция, обеспечивающая оптическую связь (или согласующая показатели преломления), которая заполняет пространство между сцинтиллятором и фотодатчиком. Помимо оптической смазки, композиция, обеспечивающая оптическую связь, может содержать, например, жидкости, масла и гели.The term "optical coupling" as used herein means the physical connection between the scintillator and the photosensor, for example, when an optical lubricant or other optical coupling (or index matching) composition is present that fills the space between the scintillator and the photosensor. In addition to the optical lubricant, the composition providing optical communication may contain, for example, liquids, oils and gels.

«Световая отдача» может означать число световых фотонов, образующихся в расчете на единицу энергии, источником которой является, например, поглощенное гамма-излучение, и выражена обычно как число световых фотонов на 1 МэВ."Light output" may refer to the number of light photons produced per unit of energy from, for example, absorbed gamma radiation, and is usually expressed as the number of light photons per 1 MeV.

При упоминании в настоящем документе ионы химических элементов могут быть представлены просто одними символами соответствующих химических элементов (например, Pr для иона (ионов) празеодима (например, Pr³⁺) или Li для иона (ионов) лития (например, Li⁺)). Аналогичным образом, термины «щелочной металл» и «редкоземельный элемент» при использовании в настоящем документе означают ион щелочного металла или комбинацию ионов щелочных металлов и ионов редкоземельного элемента или комбинацию ионов редкоземельных элементов, соответственно.When referenced herein, ions of chemical elements may be represented simply by the symbols of the respective chemical elements (eg Pr for praseodymium ion(s) (eg Pr ³⁺ ) or Li for lithium ion(s) (eg Li ⁺ )). Similarly, the terms "alkali metal" and "rare earth element" as used herein means an alkali metal ion or a combination of alkali metal ions and rare earth ions or a combination of rare earth ions, respectively.

Термин «редкоземельный элемент» при использовании в настоящем документе означает один или более элементов, в качестве которых выбирают лантаниды, (например, лантан (La), церий (Се), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Но), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb) и лютеций (Lu)), а также скандий (Sc) и иттрий (Y).The term "rare earth" as used herein means one or more of the lanthanides, (e.g., lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) and Lutetium (Lu)) , as well as scandium (Sc) and yttrium (Y).

Термин «редкоземельный алюминиевый гранат» при использовании в настоящем документе означает соединение, имеющее основную химическую формулу А₃В₅О₁₂, в которой катионы А и В занимают позиции двух различных типов, причем каждая позиция окружена ионами кислорода. А представляет собой катион редкоземельного элемента или смесь катионов редкоземельных элементов, и В представляет собой катионы алюминия. Материал может также содержать небольшое количество (например, приблизительно 10 ат. % или менее или приблизительно 5 ат. % или менее по отношению к А) каждого из одного или более ионов допантов (например, иона допанта и иона содопанта). Согласно некоторым вариантам осуществления А содержит по меньшей мере некоторое количество Lu. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой смесь Lu и Y.The term "rare earth aluminum garnet" as used herein means a compound having the basic chemical formula A ₃ B ₅ O ₁₂ in which the A and B cations occupy two different types of positions, each position surrounded by oxygen ions. A is a rare earth cation or a mixture of rare earth cations, and B is aluminum cations. The material may also contain a small amount (eg, about 10 atom % or less or about 5 atom % or less with respect to A) of each of one or more dopant ions (eg, a dopant ion and a sodopant ion). In some embodiments, A contains at least some Lu. In some embodiments, A is a mixture of Lu and Y.

II. Сцинтилляторы типа граната, солегированные одновалентными катионамиII. Garnet type scintillators co-doped with monovalent cations

Как описано выше в настоящем документе, считается, что некоторые сцинтилляторы типа граната, такие как сцинтилляторы типа лютеций-алюминиевого граната (LuAG), еще не достигли своего полного потенциала, когда сцинтилляция происходит вследствие внутренних дефектов. Согласно одному аспекту раскрытого в настоящем документе изобретения предложен способ модификации свойств сцинтилляторов типа граната, в котором сцинтилляторы солегированы одновалентными ионами. Таким образом, согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает сцинтилляционный материал типа солегированного одновалентным катионом редкоземельного алюминиевого граната. Согласно некоторым вариантам осуществления редкоземельный элемент редкоземельного алюминиевого граната представляет собой Lu, Y или их смесь. Согласно некоторым вариантам осуществления редкоземельный компонент редкоземельного алюминиевого граната представляет собой смесь Lu и Y. Редкоземельный алюминиевый гранат может быть легирован любым подходящим ионом допанта/активатора. Согласно некоторым вариантам осуществления ион активатора/допанта представляет собой ион элемента, выбранного из группы, состоящей из Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и их комбинации. Согласно некоторым вариантам осуществления ион активатора/допанта представляет собой Се³⁺ или Pr³⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления ион активатора/допанта является ионом элемента, не представляющего собой Се. Согласно некоторым вариантам осуществления ион активатора/допанта представляет собой Pr³⁺.As described above herein, it is believed that some garnet type scintillators, such as lutetium aluminum garnet (LuAG) type scintillators, have not yet reached their full potential when scintillation occurs due to internal defects. According to one aspect of the invention disclosed herein, there is provided a method for modifying the properties of garnet-type scintillators wherein the scintillators are co-doped with monovalent ions. Thus, in some embodiments, the invention disclosed herein provides a monovalent cation co-doped rare earth aluminum garnet type scintillation material. In some embodiments, the rare earth element of the rare earth aluminum garnet is Lu, Y, or a mixture thereof. In some embodiments, the rare earth component of the rare earth aluminum garnet is a mixture of Lu and Y. The rare earth aluminum garnet can be doped with any suitable dopant/activator ion. In some embodiments, the activator/dopant ion is an ion of an element selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb, and combinations thereof. In some embodiments, the activator/dopant ion is Ce ³⁺ or Pr ³⁺ . In some embodiments, the activator/dopant ion is a non-Ce element ion. In some embodiments, the activator/dopant ion is Pr ³⁺ .

Как правило, каждый из иона активатора/допанта и иона содопанта присутствует в материале в относительно небольшом атомном процентном количестве, составляющих, например, приблизительно 10, 5,0, 1,0, 0,9, 0,8, 0,7, 0,6, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2, 0,1 или менее по отношению к количеству одного или более редкоземельных элементов, присутствующих в основной матрице граната. Если не указано иное условие, когда описано атомное процентное содержание иона допанта или содопанта, это атомное процентное содержание выражено по отношению к количеству иона допанта или содопанта, который присутствует в исходных материалах, используемых для получения сцинтилляционного материала (например, в исходном расплаве). Это количество может изменяться в получаемом сцинтилляторе, например, вследствие сегрегации в течение роста кристалла из расплава. Согласно некоторым вариантам осуществления количество допанта составляет приблизительно 5,0 ат. % или менее по отношению к количеству редкоземельного элемента в основной матрице граната. Согласно некоторым вариантам осуществления количество допанта составляет от приблизительно 1,5 ат. % до приблизительно 0,05 ат. % по отношению к количеству редкоземельного элемента в основной матрице граната. Согласно некоторым вариантам осуществления количество допанта составляет приблизительно 0,4 ат. % по отношению к количеству редкоземельного элемента в основной матрице граната. Согласно некоторым вариантам осуществления количество допанта составляет приблизительно 1,2 ат. % по отношению к количеству редкоземельного элемента в основной матрице граната.Typically, each of the activator/dopant ion and the codopant ion is present in the material in a relatively small atomic percentage, e.g., about 10, 5.0, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0 .6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1 or less relative to the amount of one or more rare earth elements present in the garnet base matrix. Unless otherwise stated, when an atomic percentage of a dopant or sodopant ion is described, that atomic percentage is expressed relative to the amount of the dopant or sodopant ion that is present in the starting materials used to make the scintillation material (e.g., starting melt). This amount may vary in the resulting scintillator, for example, due to segregation during the growth of the crystal from the melt. According to some embodiments, the amount of dopant is approximately 5.0 at. % or less relative to the amount of the rare earth element in the main matrix of the garnet. According to some embodiments, the amount of dopant is from about 1.5 at. % to about 0.05 at. % relative to the amount of the rare earth element in the main matrix of the garnet. According to some embodiments, the amount of dopant is approximately 0.4 at. % relative to the amount of the rare earth element in the main matrix of the garnet. According to some embodiments, the amount of dopant is approximately 1.2 at. % relative to the amount of the rare earth element in the main matrix of the garnet.

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает сцинтилляционный материал, в котором содержится, составляя его в основном или полностью, композиция формулы (I):According to some embodiments, the invention disclosed herein provides a scintillation material that contains, constituting it mainly or entirely, a composition of formula (I):

в которой:wherein:

0≤х≤1,0;0≤x≤1.0;

0≤у≤0,05;0≤y≤0.05;

0≤z≤0,1;0≤z≤0.1;

RE представляет собой первый редкоземельный элемент (например, La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc или Y);RE is the first rare earth element (eg La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc or Y);

RE' представляет собой второй редкоземельный элемент или комбинацию второго редкоземельного элемента и по меньшей мере одного или более дополнительных редкоземельных элементов, при том условии, что RE' не содержит первый редкоземельный элемент RE;RE' is a second rare earth element or a combination of a second rare earth element and at least one or more additional rare earth elements, provided that RE' does not contain the first rare earth element RE;

А представляет собой ион допанта, при том условии, что А не содержит ион такого же элемента, как RE или RE'; иA is a dopant ion, provided that A does not contain an ion of the same element as RE or RE'; And

В представляет собой по меньшей мере один тип одновалентного катиона.B is at least one type of monovalent cation.

Согласно некоторым вариантам осуществления RE' является редкоземельным элементом, не представляющим собой Се.In some embodiments, RE' is a rare earth element that is not Ce.

Подходящие в качестве А ионы допантов представляют собой, без ограничения, ионы элементов группы, состоящей из Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой ион Pr (например, Pr³⁺).Suitable dopant ions as A are, without limitation, ions of the elements of the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb, and any combination thereof. In some embodiments, A is a Pr ion (eg, Pr ³⁺ ).

Подходящие в качестве В ионы содопантов представляют собой, без ограничения, катионы щелочных элементов-металлов, таких как, без ограничения, Li, Na, K, Rb, Cs и Fr.Suitable codopant ions as B are, without limitation, alkali metal cations such as, but not limited to, Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr.

Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li, Na или K. Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li. Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой катион изотопа лития-6 (⁶Li) или смесь катионов изотопов лития, обогащенную ⁶Li⁺.In some embodiments, B is Li, Na, or K. In some embodiments, B is Li. In some embodiments, B is a lithium-6 isotope cation ( ⁶ Li) or a mixture of lithium isotope cations enriched in ⁶ Li ⁺ .

Значение х может описывать содержание второго редкоземельного элемента RE' в основной матрице граната (т.е. в сцинтилляционном материале, исключая ионы допанта и/или содопанта). Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от 0,05 до приблизительно 0,5. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от 0,1 до приблизительно 0,5 (например, приблизительно 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,3, 0,35, 0,4, 0,45 или приблизительно 0,5). Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от 0,15 до приблизительно 0,35. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от приблизительно 0,20 до приблизительно 0,30. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет приблизительно 0,25.The value of x can describe the content of the second rare earth element RE' in the main matrix of the garnet (ie, in the scintillation material, excluding dopant and/or sodopant ions). In some embodiments, x is from 0.05 to about 0.5. In some embodiments, x is from 0.1 to about 0.5 (e.g., about 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45 or approximately 0.5). In some embodiments, x is from 0.15 to about 0.35. In some embodiments, x is from about 0.20 to about 0.30. In some embodiments, x is about 0.25.

Значение у описывает содержание иона активатора/допанта. Если количество активатора является чрезмерно малым, то поглощенная материалом энергия не может эффективно превращаться в свет. Если количество активатора является чрезмерно большим, расстояние между ионами активатора может становиться чрезмерно малым, приводя к тушению. Согласно некоторым вариантам осуществления содержание иона активатора/допанта составляет от приблизительно 0,0001 до приблизительно 5 ат. % (например, по отношению к содержанию редкоземельных элементов (например, Lu и Y) в основной матрице граната). Таким образом, согласно некоторым вариантам осуществления у составляет от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,05. Как отмечено выше, в настоящем документе будет использована обычная практика указания количества допанта по отношению к количеству редкоземельного элемента смеси исходных материалов, используемых для получения сцинтиллятора (например, к количеству, присутствующему в расплаве, из которого выращивают материал). Фактическое содержание допанта в получаемом материале может отличаться от данного значения (например, вследствие сегрегации твердой и жидкой фаз и т.д.). Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,05. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,015. Согласно некоторым вариантам осуществления содержание иона активатора/допанта составляет приблизительно 0,2 ат. %. Таким образом, согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,002. Согласно некоторым вариантам осуществления содержание иона активатора/допанта составляет приблизительно 0,4 ат. %. Таким образом, согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,004. Согласно некоторым вариантам осуществления содержание иона активатора/допанта составляет приблизительно 1,2 ат. %. Таким образом, согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,012.The y value describes the content of the activator/dopant ion. If the amount of activator is excessively small, then the energy absorbed by the material cannot be efficiently converted into light. If the amount of activator is excessively large, the distance between activator ions may become excessively small, resulting in quenching. In some embodiments, the activator/dopant ion content is from about 0.0001 to about 5 at. % (for example, in relation to the content of rare earth elements (for example, Lu and Y) in the main matrix of the garnet). Thus, in some embodiments, y is from about 0.0001 to about 0.05. As noted above, this document will use the usual practice of indicating the amount of dopant in relation to the amount of rare earth element of the mixture of raw materials used to obtain a scintillator (for example, to the amount present in the melt from which the material is grown). The actual content of the dopant in the resulting material may differ from this value (for example, due to segregation of solid and liquid phases, etc.). In some embodiments, 0.001≤y≤0.05. In some embodiments, 0.001≤y≤0.015. According to some embodiments, the content of the activator/dopant ion is approximately 0.2 at. %. Thus, in some embodiments, y is about 0.002. According to some embodiments, the content of the activator/dopant ion is approximately 0.4 at. %. Thus, in some embodiments, y is about 0.004. In some embodiments, the activator/dopant ion content is approximately 1.2 at. %. Thus, in some embodiments, y is about 0.012.

Значение z может определять содержание содопанта. Согласно некоторым вариантам осуществления считается, что ион содопанта изменяет структуру дефектов сцинтилляционного материала, что может приводить к изменениям сцинтилляционных свойств и/или эксплуатационных характеристик материала по сравнению с аналогичным несолегированным материалом. Согласно некоторым вариантам осуществления содержание содопанта составляет от приблизительно 0,02 до приблизительно 10 ат. % (например, по отношению к содержанию редкоземельных элементов в основной матрице граната). Таким образом, z может составлять от приблизительно 0,0002 до приблизительно 0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,06. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,002, 0,006, 0,008, 0,020, 0,024 или 0,06. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,002. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,008. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,02. В качестве альтернативы, согласно некоторым вариантам осуществления содопант может быть использован в большем количестве, составляющем, например, вплоть до приблизительно 20 ат. % или вплоть до приблизительно 15 ат. %. Например, согласно некоторым вариантам осуществления считается, что описанные в настоящем документе сцинтилляторы могут находить применение в обнаружении тепловых нейтронов вследствие реакции n-α изотопа ⁶Li. Как отмечено выше для иона допанта, количество содопанта выражено в настоящем документе по отношению к количеству содопанта, присутствующего в смеси исходных материалов, используемых для получения сцинтиллятора.The z value may determine the content of the codopant. In some embodiments, the sodopant ion is believed to alter the defect structure of the scintillation material, which may result in changes in the scintillation properties and/or performance of the material compared to a similar undoped material. According to some embodiments, the content of sodopant is from about 0.02 to about 10 at. % (for example, in relation to the content of rare earth elements in the main matrix of garnet). Thus, z may be from about 0.0002 to about 0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.06. In some embodiments, z is 0.002, 0.006, 0.008, 0.020, 0.024, or 0.06. In some embodiments, z is 0.002. In some embodiments, z is 0.008. In some embodiments, z is 0.02. Alternatively, according to some embodiments, the implementation of sodopant can be used in larger quantities, constituting, for example, up to about 20 at. % or up to about 15 at. %. For example, according to some embodiments, it is believed that the scintillators described herein may find use in detecting thermal neutrons due to the n-α reaction of the ⁶ Li isotope. As noted above for the dopant ion, the amount of sodopant is expressed herein relative to the amount of sodopant present in the mixture of starting materials used to make the scintillator.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен сцинтилляционный материал, в котором содержится, составляя его в основном или полностью, композиция формулы (II):According to some embodiments, a scintillation material is provided that comprises, in the main or in its entirety, a composition of formula (II):

в которой:wherein:

0,05≤х≤1,0;0.05≤x≤1.0;

0≤у≤0,05;0≤y≤0.05;

0≤z≤0,1;0≤z≤0.1;

RE' выбран из группы, состоящей из Се, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, Y и любой их комбинации;RE' is selected from the group consisting of Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, Y, and any combination thereof;

А представляет собой ион допанта (например, такой как, без ограничения, ион элемента из группы, состоящей из Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации), при условии, что А не содержит ион такого же элемента, как RE'; иA is a dopant ion (such as, but not limited to, an element ion from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb, and any combination thereof), provided that A does not contain an ion of the same element as RE'; And

В представляет собой по меньшей мере один тип одновалентного катиона.B is at least one type of monovalent cation.

Согласно некоторым вариантам осуществления RE' не содержит Се. Согласно некоторым вариантам осуществления RE' представляет собой Y.In some embodiments, RE' does not contain Ce. In some embodiments, RE' is Y.

Согласно некоторым вариантам осуществления 0,05≤х≤0,5. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,1≤х≤0,5. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от 0,15 до приблизительно 0,35. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от приблизительно 0,20 до приблизительно 0,30. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет приблизительно 0,25.In some embodiments, 0.05≤x≤0.5. In some embodiments, 0.1≤x≤0.5. In some embodiments, x is from 0.15 to about 0.35. In some embodiments, x is from about 0.20 to about 0.30. In some embodiments, x is about 0.25.

Согласно некоторым вариантам осуществления А является ионом допанта, не представляющего собой Се. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой Pr³⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0001≤у≤0,05. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,05. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,015.In some embodiments, A is a non-Ce dopant ion. In some embodiments, A is Pr ³⁺ . In some embodiments, 0.0001≤y≤0.05. In some embodiments, 0.001≤y≤0.05. In some embodiments, 0.001≤y≤0.015.

Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет 0,002. Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет 0,004. Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет 0,012.In some embodiments, y is 0.002. In some embodiments, y is 0.004. In some embodiments, y is 0.012.

Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li⁺, Na⁺ или K⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0002≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,06. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,002. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,006. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,008. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,02. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,024. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,06.In some embodiments, B is Li ⁺ , Na ⁺ , or K ⁺ . In some embodiments, B is Li ⁺ . In some embodiments, 0.0002≤z≤0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.06. In some embodiments, z is 0.002. In some embodiments, z is 0.006. In some embodiments, z is 0.008. In some embodiments, z is 0.02. In some embodiments, z is 0.024. In some embodiments, z is 0.06.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен сцинтилляционный материал, в котором содержится, составляя его в основном или полностью, композиция формулы (III):According to some embodiments, a scintillation material is provided which comprises, in the main or in its entirety, a composition of formula (III):

в которой:wherein:

0,05≤х≤0,5;0.05≤х≤0.5;

0≤у≤0,05;0≤y≤0.05;

0≤z≤0,1;0≤z≤0.1;

А представляет собой ион допанта, необязательно ион элемента, выбранного из группы, состоящей из Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации; иA is a dopant ion, optionally an ion of an element selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb, and any combination thereof; And

В представляет собой по меньшей мере один тип одновалентного катиона.B is at least one type of monovalent cation.

Согласно некоторым вариантам осуществления 0,1≤х≤0,5. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от 0,15 до приблизительно 0,35. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет от приблизительно 0,20 до приблизительно 0,30. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет приблизительно 0,25.In some embodiments, 0.1≤x≤0.5. In some embodiments, x is from 0.15 to about 0.35. In some embodiments, x is from about 0.20 to about 0.30. In some embodiments, x is about 0.25.

Согласно некоторым вариантам осуществления А является ионом допанта, который не представляет собой Се.In some embodiments, A is a dopant ion that is not Ce.

Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой Pr³⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0001≤у≤0,05. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,05. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,015. Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,004. Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,012.In some embodiments, A is Pr ³⁺ . In some embodiments, 0.0001≤y≤0.05. In some embodiments, 0.001≤y≤0.05. In some embodiments, 0.001≤y≤0.015. In some embodiments, y is about 0.004. In some embodiments, y is about 0.012.

Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li⁺, Na⁺или K⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления В представляет собой Li⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0002≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,06. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,002. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,006. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,008. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,02. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,024. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,06.In some embodiments, B is Li ⁺ , Na ⁺ , or K ⁺ . In some embodiments, B is Li ⁺ . In some embodiments, 0.0002≤z≤0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.06. In some embodiments, z is 0.002. In some embodiments, z is 0.006. In some embodiments, z is 0.008. In some embodiments, z is 0.02. In some embodiments, z is 0.024. In some embodiments, z is 0.06.

Согласно некоторым вариантам осуществления предложен сцинтилляционный материал, в котором содержится, составляя его в основном или полностью, композиция формулы (I'):In some embodiments, a scintillation material is provided which comprises, in its entirety or in the main, a composition of formula (I'):

в которой:wherein:

0≤х≤1,0;0≤x≤1.0;

0≤у≤0,05;0≤y≤0.05;

0≤z≤0,1;0≤z≤0.1;

RE представляет собой первый редкоземельный элемент;RE is the first rare earth element;

RE' представляет собой второй редкоземельный элемент или комбинацию второго редкоземельного элемента и по меньшей мере одного или более дополнительных редкоземельных элементов, при том условии, что RE' не содержит первый редкоземельный элемент RE;RE' is a second rare earth element or a combination of a second rare earth element and at least one or more additional rare earth elements, provided that RE' does not contain the first rare earth element RE;

А представляет собой ион допанта, выбранного из группы, состоящей из Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации, при условии, что А не содержит ион такого же элемента, как RE или RE'; иA is a dopant ion selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb and any combination thereof, provided that A does not contain an ion of the same element as RE or RE '; And

В' представляет собой одновалентный катион изотопа лития или их смесь, причем необязательно В' представляет собой одновалентный катион ⁶Li (т.е. ⁶Li⁺) или представляет собой смесь катионов изотопов лития, обогащенную ⁶Li+.B' is a monovalent lithium isotope cation or a mixture thereof, optionally B' is a monovalent ⁶ Li cation (ie ⁶ Li ⁺ ) or is a mixture of lithium isotope cations enriched in ⁶ Li + .

Согласно некоторым вариантам осуществления RE представляет собой Lu. Согласно некоторым вариантам осуществления RE' не представляет собой Се. Согласно некоторым вариантам осуществления RE' представляет собой Y. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,1≤х≤0,5. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,15≤х≤0,35. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,20≤х≤0,3. Согласно некоторым вариантам осуществления х составляет приблизительно 0,25. Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой ион Pr (например, Pr³⁺).In some embodiments, RE is Lu. In some embodiments, RE' is not Ce. In some embodiments, RE' is Y. In some embodiments, 0.1≤x≤0.5. In some embodiments, 0.15≤x≤0.35. In some embodiments, 0.20≤x≤0.3. In some embodiments, x is about 0.25. In some embodiments, A is a Pr ion (eg, Pr ³⁺ ).

Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой ион допанта, не представляющего собой Се.In some embodiments, A is a non-Ce dopant ion.

Согласно некоторым вариантам осуществления А представляет собой Pr³⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0001≤у≤0,05. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,05. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤у≤0,015. Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,002. Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,004. Согласно некоторым вариантам осуществления у составляет приблизительно 0,012.In some embodiments, A is Pr ³⁺ . In some embodiments, 0.0001≤y≤0.05. In some embodiments, 0.001≤y≤0.05. In some embodiments, 0.001≤y≤0.015. In some embodiments, y is about 0.002. In some embodiments, y is about 0.004. In some embodiments, y is about 0.012.

Согласно некоторым вариантам осуществления 0,0002≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,1. Согласно некоторым вариантам осуществления 0,001≤z≤0,06. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,002. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,006. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,008. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,02. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,024. Согласно некоторым вариантам осуществления z составляет 0,06.In some embodiments, 0.0002≤z≤0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.1. In some embodiments, 0.001≤z≤0.06. In some embodiments, z is 0.002. In some embodiments, z is 0.006. In some embodiments, z is 0.008. In some embodiments, z is 0.02. In some embodiments, z is 0.024. In some embodiments, z is 0.06.

Согласно некоторым вариантам осуществления в сцинтилляционных материалах содержатся, составляя их в основном или полностью, (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированный 0,2% Li⁺, 0,8% Li⁺ или 2,0% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированный 0,6 ат. % Li⁺, 2,4 ат. % Li⁺ или 6 ат. % Li⁺; или (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированный 0,6 ат. % K⁺ или 0,308 ат. % Na⁺ Согласно некоторым вариантам осуществления в сцинтилляционных материалах содержится, составляя их в основном или полностью, (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированный 0,2% Li⁺, 0,8% Li⁺или 2,0% Li⁺.According to some embodiments, the scintillation materials contain, constituting them mainly or completely, (Lu _0.75 ,Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.2% Li ⁺ , 0 .8% Li ⁺ or 2.0% Li ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped 0.6 at. % Li ⁺ , 2.4 at. % Li ⁺ or 6 at. %Li ⁺ ; or (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped 0.6 at. % K ⁺ or 0.308 at. % Na ⁺ According to some embodiments, the scintillation materials contain, constituting them mainly or completely, (Lu _0.75 ,Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.2% Li ⁺ , 0.8% Li ⁺ or 2.0% Li ⁺ .

Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал проявляет одно или более из увеличенного светового выхода, улучшенного энергетического разрешения и ускоренного быстрого компонента затухания по сравнению со сцинтилляционным материалом, в котором отсутствует В.In some embodiments, the scintillation material exhibits one or more of increased light output, improved energy resolution, and an accelerated fast decay component compared to a scintillation material lacking B.

Сцинтилляционные материалы согласно раскрытому в настоящем документе изобретению (например, материалы формулы (I), (I'), (II) или (III)) могут представлять собой монокристаллический, поликристаллический и/или керамический материал. Термин «монокристаллический» означает материал, полученный жидкофазным способом и имеющим небольшое или нулевое количество границ зерен, в котором все примыкающие кристаллические зерна, как правило, имеют одинаковую ориентацию.Scintillation materials according to the invention disclosed herein (for example, materials of formula (I), (I'), (II) or (III)) may be a single crystal, polycrystalline and/or ceramic material. The term "single crystal" means a material obtained by a liquid phase process and having little or no grain boundaries, in which all adjacent crystalline grains, as a rule, have the same orientation.

Согласно некоторым вариантам осуществления материал может представлять собой поликристаллический и/или керамический материал и содержать кристаллы различного размера и/или ориентации.In some embodiments, the material may be a polycrystalline and/or ceramic material and contain crystals of various sizes and/or orientations.

III. Радиационные детекторы, соответствующие устройства и способыIII. Radiation detectors, related devices and methods

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает радиационный детектор, содержащий оптический материал (например, сцинтилляционный материал), в котором содержится, составляя его в основном или полностью, описанная выше в настоящем документе композиция формулы (I), (I'), (II) или (III), или смесь таких материалов. Радиационный детектор может содержать сцинтиллятор (который поглощает излучение и излучает свет) и фотодетектор (который обнаруживает вышеупомянутый излученный свет). Фотодетектор может представлять собой один или более любых подходящих детекторов и может находиться или не находиться в оптической связи со сцинтилляционным материалом для получения электрического сигнала в ответ на излучение света от сцинтилляционного материала. Таким образом, фотодетектор может быть выполнен с возможностью превращения фотонов в электрический сигнал. Например, может присутствовать усилитель сигнала для преобразования сигнала, выпускаемого светодиодом, в сигнал напряжения. Усилитель сигнала также может быть выполнен с возможностью усиления сигнала напряжения. Электронные приспособления, связанные с фотодетектором, можно использовать, чтобы формировать и оцифровывать электронный сигнал.In some embodiments, the invention disclosed herein provides a radiation detector comprising an optical material (e.g., scintillation material) comprising, substantially or entirely, a composition of formula (I), (I') described herein above, (II) or (III), or a mixture of such materials. The radiation detector may include a scintillator (which absorbs radiation and emits light) and a photodetector (which detects the aforementioned emitted light). The photodetector may be one or more of any suitable detectors and may or may not be in optical communication with the scintillation material to produce an electrical signal in response to light emission from the scintillation material. Thus, the photodetector can be configured to convert photons into an electrical signal. For example, a signal amplifier may be present to convert the signal emitted by the LED into a voltage signal. The signal amplifier may also be configured to amplify the voltage signal. Electronic devices associated with the photodetector can be used to generate and digitize the electronic signal.

Далее рассмотрим фиг. 9, где согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает устройство 10 для обнаружения излучения, причем устройство содержит фотонный детектор 12 и сцинтилляционный материал 14 (например, солегированный материал LuYAG). Сцинтилляционный материал 14 может превращать излучение в свет, который может эффективно и быстро принимать прибор с зарядовой связью (ПЗС) или фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), или другой фотонный детектор 12.Next, consider Fig. 9, where, in some embodiments, the invention disclosed herein provides a device 10 for detecting radiation, the device comprising a photonic detector 12 and a scintillation material 14 (eg, co-doped LuYAG material). The scintillator material 14 can convert radiation into light that can be efficiently and quickly received by a charge-coupled device (CCD) or a photomultiplier tube (PMT) or other photonic detector 12.

Далее рассмотрим фиг. 9, где фотонный детектор 12 может представлять собой один или более любых подходящих детекторов и может находиться в оптической связи (например, посредством оптической смазки или другой композиции, обеспечивающей оптическую связь, такой как масло или жидкость для оптической связи) со сцинтиллятором (например, солегированным материалом LuYAG) для получения электрического сигнала в ответ на излучение света из сцинтиллятора. Таким образом, фотонный детектор 12 может быть выполнен с возможностью превращения фотонов в электрический сигнал. Электронные приспособления, связанные с фотонным детектором 12, можно использовать, чтобы формировать и оцифровывать электронный сигнал. Подходящие фотонные детекторы 12 включают, без ограничения, фотоэлектронные умножители, светодиоды, датчики ПЗС и усилители изображения. Устройство 10 может также содержать электронные приспособления 16 для записи и/или демонстрации электронного сигнала.Next, consider Fig. 9, where the photonic detector 12 may be one or more of any suitable detectors and may be in optical communication (e.g., via an optical lubricant or other optical coupling composition such as an optical communication oil or fluid) with a scintillator (e.g., a co-doped LuYAG material) to produce an electrical signal in response to the emission of light from the scintillator. Thus, the photon detector 12 can be configured to convert photons into an electrical signal. Electronic devices associated with photon detector 12 can be used to generate and digitize an electronic signal. Suitable photonic detectors 12 include, but are not limited to, photomultiplier tubes, LEDs, CCD sensors, and image intensifiers. The device 10 may also include electronic devices 16 for recording and/or displaying an electronic signal.

Согласно некоторым вариантам осуществления радиационный детектор выполнен с возможностью применения в качестве части медицинского или ветеринарного диагностического устройства, устройства для разведки нефти или других геологических исследований (например, каротажного зонда для нефтяных скважин), или в качестве устройства для целей безопасности и/или обороны (например, в качестве устройства для сканирования контейнера, транспортного средства или багажа, или для сканирования человека или других животных). Согласно некоторым вариантам осуществления в качестве медицинского или ветеринарного диагностического устройства выбирают, без ограничения, устройство позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), устройство рентгеновской компьютерной томографии (КТ), устройство однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) или устройство плоской ядерной медицинской диагностической визуализации (гамма-топограф). Например, радиационный детектор может быть выполнен с возможностью движения (например, посредством механических и/или электронных систем управления) по поверхности и/или вокруг образца, такого как субъект (человек или животное), таким образом, что детектор может обнаруживать излучение, выходящее из одной или более любых желательных точек образца. Согласно некоторым вариантам осуществления детектор может быть помещен или установлен на вращающийся корпус для вращения детектора вокруг образца.In some embodiments, the radiation detector is configured to be used as part of a medical or veterinary diagnostic device, an oil exploration or other geological exploration device (e.g., an oil well logging tool), or as a device for security and/or defense purposes (e.g. , as a device for scanning a container, vehicle or baggage, or for scanning a person or other animals). In some embodiments, the medical or veterinary diagnostic device is, without limitation, a positron emission tomography (PET) device, an x-ray computed tomography (CT) device, a single photon emission computed tomography (SPECT) device, or a planar nuclear medical diagnostic imaging (gamma) device. topographer). For example, a radiation detector may be movable (e.g., by means of mechanical and/or electronic control systems) on a surface and/or around a sample, such as a subject (human or animal), such that the detector may detect radiation emerging from one or more of any desired sample points. In some embodiments, the detector may be placed or mounted on a rotating housing to rotate the detector around the sample.

Согласно некоторым вариантам осуществления устройство может также содержать источник излучения. Например, рентгеновское устройство КТ согласно раскрытому в настоящем документе изобретению может содержать источник рентгеновского излучения, который производит рентгеновское излучение, и детектор, который обнаруживает вышеупомянутое рентгеновское излучение. Согласно некоторым вариантам осуществления устройство может содержать множество радиационных детекторов. Множество радиационных детекторов может быть расположено, например, в цилиндрической или другой желательной форме для обнаружения излучения, выходящего из различных положений на поверхности образца.In some embodiments, the device may also contain a radiation source. For example, a CT x-ray device according to the invention disclosed herein may include an x-ray source that produces x-rays and a detector that detects the aforementioned x-rays. In some embodiments, the device may comprise a plurality of radiation detectors. A plurality of radiation detectors may be arranged, for example, in a cylindrical or other desired shape to detect radiation emerging from various positions on the surface of the sample.

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ обнаружения излучения (или отсутствия излучения) с применением радиационного детектора, содержащего сцинтиллятор, который описан выше в настоящем документе (например, солегированный сцинтилляционный материал LuYAG). Таким образом, согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ обнаружения гамма-лучей, рентгеновских лучей, космических лучей и частиц, имеющих энергию 1кэВ или более, причем способ включает применение радиационного детектора, содержащего материал, в котором присутствует композиция одной из формул (I), (II) или (III).In some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for detecting radiation (or lack of radiation) using a radiation detector containing a scintillator as described above (eg, co-doped LuYAG scintillation material). Thus, according to some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for detecting gamma rays, x-rays, cosmic rays, and particles having an energy of 1 keV or more, the method comprising the use of a radiation detector containing a material in which a composition of one of the formulas is present (I), (II) or (III).

Согласно некоторым вариантам осуществления содопант включает катион изотопа лития-6, и материал имеет состав формулы (I'). Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ обнаружения тепловых нейтронов с применением радиационного детектора, содержащего сцинтилляционный материал формулы (I').In some embodiments, the sodopant comprises a lithium-6 isotope cation and the material has a composition of formula (I'). In some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for detecting thermal neutrons using a radiation detector containing a scintillation material of formula (I').

Согласно некоторым вариантам осуществления способ может включать обеспечение радиационного детектора, содержащего фотодетектор и оптический (например, сцинтилляционный) материал согласно раскрытому в настоящем документе изобретению; установку детектора, причем установка включает помещение детектора в положение, в котором оптический материал находится на пути пучка излучения (или на предполагаемом пути пучка излучения); и обнаружение фотодетектором света (или обнаружение отсутствие света), излучаемого оптическим материалом. Обнаружение света, излучаемого оптическим материалом, может включать превращение фотонов в электрический сигнал. Обнаружение может также включать обработку электрического сигнала в целях формирования, оцифровывания или усиления сигнала. Способ может дополнительно включать демонстрацию электрического сигнала или обработанного электрического сигнала.In some embodiments, the method may include providing a radiation detector comprising a photodetector and an optical (eg, scintillation) material according to the invention disclosed herein; mounting the detector, the mounting comprising placing the detector in a position where the optical material is in the path of the radiation beam (or in the intended path of the radiation beam); and detecting, by the photodetector, light (or detecting the absence of light) emitted from the optical material. Detection of light emitted by an optical material may involve converting photons into an electrical signal. Detection may also include electrical signal processing to shape, digitize, or amplify the signal. The method may further include demonstrating the electrical signal or the processed electrical signal.

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает устройство, содержащее фотодетектор и сцинтилляционный материал, который описан выше в настоящем документе, такой как материал, содержащий включающий солегированный одновалентным катионом редкоземельный алюминиевый гранатовый материал, такой как материал, содержащий композицию одной из формул (I), (I'), (II) и (III), или смесь таких материалов. Согласно некоторым вариантам осуществления устройство, содержащее фотодетектор и сцинтилляционный материал, приспособлено для применения в целях медицинской диагностической визуализации, геологической разведки или национальной безопасности. Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ обнаружения высокоэнергетических фотонов и частиц, причем способ включает применение устройства, содержащего фотодетектор и оптический материал, содержащий композицию одной из формул (I), (I'), (II) и (III) или смесь таких материалов.In some embodiments, the invention disclosed herein provides a device comprising a photodetector and a scintillation material as described herein above, such as a material comprising a monovalent cation-co-doped rare earth aluminum garnet material, such as a material containing a composition of one of formulas (I ), (I'), (II) and (III), or a mixture of such materials. In some embodiments, a device comprising a photodetector and scintillation material is adapted for medical diagnostic imaging, geological exploration, or homeland security applications. According to some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for detecting high energy photons and particles, the method comprising the use of a device containing a photodetector and an optical material containing a composition of one of formulas (I), (I'), (II) and (III) or a mixture of such materials.

IV. Способы полученияIV. How to get

Описанные в настоящем документе оптические (например, сцинтилляционные) материалы могут быть получены любым подходящим способом, что становится очевидным для обычного специалиста в данной области техники после ознакомления с настоящим раскрытием. Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ получения солегированного сцинтилляционного материала типа граната. Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ получения сцинтилляционного материала, включающий получение кристалла из расплава. Например, согласно некоторым вариантам осуществления солегированный сцинтилляционный материал типа граната может представлять собой кристалл, выращенный способом вытягивания по Чохральскому. Однако монокристаллы или поликристаллические материалы и/или керамические материалы, выращенные или полученные другими способами, также могут быть использованы в качестве сцинтилляционного материала согласно настоящему изобретению. Например, альтернативные способы получения материалов типа граната включают, без ограничения, способ микровытягивания, способ Бриджмена, способ зонной плавки, способ выращивания пленок с ориентированными краями путем вытягивания через фильеру (EFG) и способ спекания путем горячего изо статического прессования (HIP).The optical (eg, scintillation) materials described herein may be produced by any suitable method, as will become apparent to one of ordinary skill in the art upon reading the present disclosure. In some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for producing co-doped garnet-type scintillation material. In some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for producing a scintillation material, comprising obtaining a crystal from a melt. For example, in some embodiments, the co-doped garnet-type scintillation material may be a Czochralski-grown crystal. However, single crystals or polycrystalline materials and/or ceramic materials grown or obtained by other methods can also be used as the scintillation material according to the present invention. For example, alternative methods for producing garnet-type materials include, but are not limited to, the microdrawing method, the Bridgman method, the zone melting method, the die-drawn (EFG) oriented film growth method, and the hot isostatic pressing (HIP) sintering method.

В любом способе получения кристаллов в качестве исходного материала может быть использован оксидный или карбонатный исходный материал. Таким образом, подходящие исходные материалы для получения кристаллов включают, без ограничения, Gd₂O₃, Y₂O₃, α-Al₂O₃, CeO₂, Pr₆O₃, Li₂CO₃, Lu₂O₃, K₂CO₃, NaHCO₃ и т.п.Согласно некоторым вариантам осуществления исходные материалы включают соединение лития, обогащенное изотопом ⁶Li. Когда кристалл используют в качестве кристалла для сцинтиллятора, может быть использован исходный материал высокой чистоты (например, имеющий чистоту 99,99% или выше и/или не содержащий более чем 1 ч./млн. примесей). Указанные исходные материалы можно взвешивать и смешивать таким образом, чтобы получать желательную композицию во время образования расплава.In any method for producing crystals, an oxide or carbonate source material can be used as a starting material. Thus, suitable raw materials for obtaining crystals include, without limitation, Gd ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ , α-Al ₂ O ₃ , CeO ₂ , Pr ₆ O ₃ , Li ₂ CO ₃ , Lu ₂ O ₃ , K ₂ CO ₃ , NaHCO ₃ , etc. In some embodiments, the starting materials include a lithium compound enriched in the ⁶ Li isotope. When the crystal is used as a crystal for a scintillator, a high purity starting material (eg, having a purity of 99.99% or higher and/or not containing more than 1 ppm impurities) can be used. These raw materials can be weighed and mixed in such a way as to obtain the desired composition during the formation of the melt.

Согласно некоторым вариантам осуществления способ Чохральского (в котором крупные монокристаллы вытягивают из расплавленного исходного материала) может быть использован для выращивания солегированных редкоземельных галлиевых монокристаллов. Исходные материалы можно отмерять и смешивать, например, с применением шаровой мельницы и т.д., и смешанный порошок можно помещать в тигель. Прокаливание можно осуществлять при температуре, составляющей, например, от 1000 до 1700 градусов Цельсия, в течение нескольких часов. Подходящие тигельные материалы включают платину, иридий, родий, рений и их сплавы. Может быть использован высокочастотный осциллятор, конденсационный нагреватель или резистивный нагреватель. Кроме того, может быть использована атмосфера, создаваемая током аргона, гелия или азота. Согласно некоторым вариантам осуществления может быть использована атмосфера азота с небольшим количеством кислорода (например, от приблизительно 0,1 до приблизительно 5 об. %).In some embodiments, the Czochralski process (in which large single crystals are drawn from a molten feedstock) can be used to grow co-doped rare earth gallium single crystals. Raw materials can be measured and mixed, for example, using a ball mill, etc., and the mixed powder can be placed in a crucible. The calcination can be carried out at a temperature of, for example, 1000 to 1700 degrees Celsius for several hours. Suitable crucible materials include platinum, iridium, rhodium, rhenium and their alloys. A high frequency oscillator, a condensing heater, or a resistance heater may be used. In addition, an atmosphere created by a current of argon, helium or nitrogen can be used. In some embodiments, a nitrogen atmosphere with a small amount of oxygen (eg, from about 0.1 to about 5% by volume) can be used.

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытые в настоящем документе материалы могут быть получены как керамические материалы, например, с применением способа горячего прессования или горячего изостатического прессования (HIP). В этом способе исходные материалы (например, Gd₂O₃, Al₂O₃, Ga₂O₃, соль церия (например, нитрат церия) и т.д.) можно отмерять и смешивать, например, с применением шаровой мельницы и т.д. Затем смешанные порошки могут быть помещены в тигель (например, тигель из оксида алюминия), и прокаливание может быть осуществлено, например, при температуре от 1200 до 1500 градусов Цельсия (°С) в течение нескольких часов. В случае способа горячего прессования после прокаливания может быть осуществлено прессование в форме для получения формованного изделия с применением пресс-формы после гранулирования порошка с применением сита, имеющего отверстия подходящего размера. Затем формованное изделие может быть помещено в угольную форму, и спекание с горячим прессованием может быть осуществлено в атмосфере инертного газа при температуре, составляющей, например, от 1500 до 1700°С, и при давлении от 10 мегапаскалей (МПа) до 80 МПа. В случае способа HIP после прокаливания порошок измельчают с применением шаровой мельницы и т.д., и прессование в форме может быть осуществлено для получения формованного изделия с применением пресс-формы. Полученное формованное изделие может быть уплотнено способом холодного изостатического прессования, помещено в капсулу, изготовленную из оксида алюминия, а затем прокаливание может быть осуществлено при температуре, составляющей, например, от 1500 до 1700°С, в атмосфере неактивного газа. Далее может быть осуществлено спекание способом HIP с получением керамических материалов при давлении 50 МПа или выше и при температуре от 1300 до 1700°С.In some embodiments, the materials disclosed herein can be produced as ceramic materials, for example, using a hot pressing or hot isostatic pressing (HIP) process. In this method, raw materials (eg Gd ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ , Ga ₂ O ₃ , cerium salt (eg cerium nitrate), etc.) can be measured and mixed, for example using a ball mill, etc. .d. The mixed powders can then be placed in a crucible (eg, an alumina crucible) and calcination can be carried out, for example, at 1200 to 1500 degrees Celsius (°C) for several hours. In the case of the hot pressing method, after calcination, mold pressing can be performed to obtain a molded article using a mold after granulating the powder using a sieve having openings of a suitable size. Then, the molded article can be placed in a carbon mold, and hot pressing sintering can be carried out in an inert gas atmosphere at a temperature of, for example, 1500 to 1700°C and a pressure of 10 megapascals (MPa) to 80 MPa. In the case of the HIP method, after calcination, the powder is pulverized using a ball mill, etc., and mold pressing can be carried out to obtain a molded article using a mold. The resulting molded article may be compacted by cold isostatic pressing, placed in an alumina capsule, and then calcination may be carried out at a temperature of, for example, 1500 to 1700° C. in an inactive gas atmosphere. Further, sintering by the HIP method can be carried out to obtain ceramic materials at a pressure of 50 MPa or higher and at a temperature of 1300 to 1700°C.

Сцинтилляционные материалы могут быть получены в форме монокристаллов, поликристаллического материала и/или керамического материала. Согласно некоторым вариантам осуществления материал получают в форме поликристаллического и/или керамического материала. Поликристаллический и/или керамический материал может иметь физические, оптические и сцинтилляционные свойства, аналогичные свойствам монокристалла, имеющего такой же химический состав.Scintillation materials can be obtained in the form of single crystals, polycrystalline material and/or ceramic material. In some embodiments, the material is obtained in the form of a polycrystalline and/or ceramic material. The polycrystalline and/or ceramic material may have physical, optical and scintillation properties similar to those of a single crystal having the same chemical composition.

Согласно некоторым вариантам осуществления способ дополнительно включает отжиг сцинтилляционного материала в течение периода времени, составляющего например, от нескольких часов до нескольких суток. Отжиг может быть осуществлен, например, в атмосфере воздуха, азота или смеси азота и водорода. Отжиг может быть осуществлен при любой подходящей температуре, составляющей, например, от приблизительно 800 до приблизительно 1600 градусов Цельсия (например, приблизительно 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 и приблизительно 1600 градусов Цельсия). Согласно некоторым вариантам осуществления отжиг увеличивает световой выход материала и/или придает материалу уменьшенное время затухания сцинтилляции. Согласно некоторым вариантам осуществления отжиг осуществляют на воздухе. Согласно некоторым вариантам осуществления отжиг осуществляют при температуре, составляющей приблизительно 1200°С, и/или в течение периода времени, составляющего приблизительно 48 часов.In some embodiments, the method further comprises annealing the scintillation material for a period of time ranging from several hours to several days, for example. Annealing can be carried out, for example, in an atmosphere of air, nitrogen or a mixture of nitrogen and hydrogen. Annealing can be carried out at any suitable temperature, for example, from about 800 to about 1600 degrees Celsius (for example, about 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 and about 1600 degrees Celsius). In some embodiments, annealing increases the light output of the material and/or gives the material a reduced scintillation decay time. In some embodiments, the annealing is carried out in air. In some embodiments, annealing is carried out at a temperature of approximately 1200° C. and/or for a period of approximately 48 hours.

V. Способы изменения сцинтилляционных и/или оптических свойствV. Methods for changing scintillation and/or optical properties

Согласно некоторым вариантам осуществления раскрытое в настоящем документе изобретение предлагает способ изменения одного или более сцинтилляционных и/или оптических свойств сцинтилляционного материала типа граната, таких как, без ограничения, световой выход сцинтилляции, время затухания, время разгорания, энергетическое разрешение, пропорциональность и чувствительность к воздействию света. Согласно некоторым вариантам осуществления способ включает получение сцинтилляционного материала типа граната в присутствии ионов допанта и одновалентных ионов одного или более содопантов. Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал типа граната представляет собой редкоземельный алюминиевый гранат. Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал типа граната представляет собой смешанный редкоземельный алюминиевый гранат и содержит матрицу, имеющую формулу RE''₃Al₅O₁₂, в которой RE'' представляет собой смесь по меньшей мере двух редкоземельных элементов, причем сцинтиллятор дополнительно содержит по меньшей мере один допант, выбранный из группы, состоящей из Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации, при том условии, что допант не содержит ион элемента, представляющего собой какой-либо редкоземельный элемент матрицы редкоземельного алюминиевого граната. Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере, один допант выбран из группы, состоящей из Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb и любой их комбинации. Согласно некоторым вариантам осуществления матрица легирована и содержит 5 ат. % или менее допанта по отношению к редкоземельным элементам. Согласно некоторым вариантам осуществления количество содопанта составляет 10 ат. % или менее по отношению к содержанию редкоземельного элемента и допанта. Согласно некоторым вариантам осуществления RE'' содержит Lu и редкоземельный элемент по меньшей мере еще одного типа. Согласно некоторым вариантам осуществления редкоземельный элемент по меньшей мере еще одного типа не представляет собой Eu или Pr. Согласно некоторым вариантам осуществления допант представляет собой Eu или Pr. Согласно некоторым вариантам осуществления допант представляет собой Pr.In some embodiments, the invention disclosed herein provides a method for modifying one or more of the scintillation and/or optical properties of a garnet-type scintillation material, such as, but not limited to, scintillation light output, decay time, build-up time, energy resolution, proportionality, and sensitivity to exposure. Sveta. In some embodiments, the method includes preparing a garnet-type scintillation material in the presence of dopant ions and monovalent ions of one or more sodopant. In some embodiments, the garnet-type scintillation material is a rare earth aluminum garnet. In some embodiments, the garnet-type scintillator material is a mixed rare earth aluminum garnet and contains a matrix having the formula RE'' ₃ Al ₅ O ₁₂ , wherein RE'' is a mixture of at least two rare earth elements, the scintillator further comprising at least at least one dopant selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb and any combination thereof, provided that the dopant does not contain an ion of an element that is any rare earth element of the rare earth aluminum garnet matrix. In some embodiments, at least one dopant is selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Yb, Bi, Sb, and any combination thereof. In some embodiments, the matrix is doped and contains 5 at. % or less dopant in relation to rare earth elements. According to some embodiments, the amount of sodopant is 10 at. % or less relative to the content of the rare earth element and the dopant. In some embodiments, RE'' contains Lu and at least one other type of rare earth element. In some embodiments, at least one other type of rare earth element is not Eu or Pr. In some embodiments, the dopant is Eu or Pr. In some embodiments, the dopant is Pr.

Согласно некоторым вариантам осуществления одновалентный ион содопанта представляет собой ион щелочного металла. Согласно некоторым вариантам осуществления одновалентный ион содопанта выбран из Li⁺, Na⁺ и K⁺. Согласно некоторым вариантам осуществления одновалентный ион содопанта представляет собой Li⁺.In some embodiments, the monovalent sodopant ion is an alkali metal ion. In some embodiments, the monovalent codopant ion is selected from Li ⁺ , Na ⁺ and K ⁺ . In some embodiments, the monovalent sodopant ion is Li ⁺ .

Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал типа граната представляет собой лютеций-алюминиевый гранат (LuAG) или лютеций-иттрий-алюминиевый гранат (LuYAG). Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал типа граната представляет собой лютеций-алюминиевый гранат (LuAG), в котором по меньшей мере некоторую часть Lu замещает другой редкоземельный элемент. Согласно некоторым вариантам осуществления сцинтилляционный материал типа граната представляет собой лютеций-иттрий-алюминиевый гранат (LuYAG).In some embodiments, the garnet-type scintillation material is lutetium aluminum garnet (LuAG) or lutetium yttrium aluminum garnet (LuYAG). In some embodiments, the garnet-type scintillation material is lutetium aluminum garnet (LuAG) in which at least some of the Lu is replaced by another rare earth element. In some embodiments, the garnet type scintillation material is lutetium yttrium aluminum garnet (LuYAG).

Согласно некоторым вариантам осуществления солегирование обеспечивает увеличенный световой выход и/или улучшенное энергетическое разрешение. Согласно некоторым вариантам осуществления солегирование придает сцинтилляционному материалу типа редкоземельного алюминиевого граната энергетическое разрешение при 662 кэВ, составляющее приблизительно 4,8% или менее. Согласно некоторым вариантам осуществления солегирование придает сцинтилляционному материалу типа редкоземельного алюминиевого граната энергетическое разрешение при 662 кэВ, составляющее приблизительно 4,4% или менее. Согласно некоторым вариантам осуществления солегирование придает сцинтилляционному материалу типа редкоземельного алюминиевого граната энергетическое разрешение, составляющее 4,1%. Согласно некоторым вариантам осуществления солегирование придает сцинтилляционному материалу типа редкоземельного алюминиевого граната уменьшенное время затухания.In some embodiments, co-doping provides increased light output and/or improved energy resolution. In some embodiments, co-doping gives the rare earth aluminum garnet type scintillation material an energy resolution at 662 keV of about 4.8% or less. In some embodiments, co-doping gives the rare earth aluminum garnet type scintillation material an energy resolution at 662 keV of about 4.4% or less. In some embodiments, co-doping gives the rare earth aluminum garnet type scintillation material an energy resolution of 4.1%. In some embodiments, co-doping imparts a reduced decay time to the rare earth aluminum garnet type scintillation material.

ПримерыExamples

Следующие примеры приведены, чтобы предоставить руководство для обычного специалиста в данной области техники в целях практической реализации представительных вариантов осуществления раскрытого в настоящем документе изобретения. В свете настоящего изобретения и общего уровня техники специалисты в данной области техники могут понять, что следующие примеры предназначены исключительно в качестве иллюстраций, и что могут быть применены многочисленные изменения, модификации и исправления без выхода за пределы объема раскрытого в настоящем документе изобретения.The following examples are provided to provide guidance to those of ordinary skill in the art for practicing representative embodiments of the invention disclosed herein. In light of the present invention and the general state of the art, those skilled in the art can understand that the following examples are for illustrative purposes only, and that numerous changes, modifications, and corrections may be made without departing from the scope of the invention disclosed herein.

Пример 1. LuYAG:Pr, солегированный 0.2% LiExample 1 LuYAG:Pr co-doped with 0.2% Li

Получали [(Lu_1-xY_x)_1-y-zA_yB_z]₃Al₅O₁₂, где А представляет собой Pr³⁺, и В представляет собой Li⁺. Исходные материалы высокой чистоты смешивали согласно соответствующим стехиометрическим формулам и загружали непосредственно в иридиевый тигель диаметром 60 мм. Выращивание кристаллов способом Чохральского осуществляли в установке для выращивания кристаллов Cyberstar Oxypuller от компании Cyberstar (Эшироль, Франция) с применением автоматизированной системы, в которой производная массы кристалла представляла собой технологический параметр, и получали монокристаллы массой около 490 граммов, имеющие номинальный состав (Lu_0,748,Y_0,25,Pr_0,004,Li_0,002)₃Al₅O₁₂. Рост кристаллов инициировали на затравочных кристаллах LuAG:Ce, ориентированных в направлении <111>. Атмосфера представляла собой, в основном, азот с небольшим процентным содержанием кислорода. В результате получали прозрачные монокристаллы, которые разрезали на кубики, имеющие размеры 5×5×5 мм, и пластинки, имеющие толщину 1 мм и диаметр 33 мм, для измерений. Пример данного типа представлен ниже по сравнению с ранее описанными монокристаллами легированного граната. См. таблицу 1.Received [(Lu _1-x Y _x ) _1-yz A _y B _z ] ₃ Al ₅ O ₁₂ where A is Pr ³⁺ and B is Li ⁺ . High purity starting materials were mixed according to the appropriate stoichiometric formulas and loaded directly into a 60 mm diameter iridium crucible. Czochralski crystal growth was carried out in a Cyberstar Oxypuller crystal grower from Cyberstar (Echirolles, France) using an automated system in which the derivative of the mass of the crystal was a process parameter, and obtained single crystals weighing about 490 grams, having a nominal composition (Lu _0.748 , Y _0.25 , Pr _0.004 , Li _0.002 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ . Crystal growth was initiated on LuAG:Ce seed crystals oriented in the <111> direction. The atmosphere was mostly nitrogen with a small percentage of oxygen. As a result, transparent single crystals were obtained, which were cut into cubes having dimensions of 5×5×5 mm and plates having a thickness of 1 mm and a diameter of 33 mm for measurements. An example of this type is presented below in comparison with previously described doped garnet single crystals. See table 1.

Измерения поглощения осуществляли в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с применением спектрофотометра Varian Сагу 5000 от компании Varian Inc. (Пало-Альто, штат Калифорния, США) на полированных образцах, имеющих толщину около 1 мм. Длина волны пиков, наблюдаемых в спектре поглощения, представленном на фиг. 1, соответствует характеристическому поглощению активатора, подтверждая степени окисления элементов, которые присутствуют в составе материала. Спектры радиолюминесценции (РЛ) измеряли при комнатной температуре в условиях непрерывного излучения от рентгеновского генератора модели СМХ003 (32 кВ и 0,1 мА). Для регистрации спектров использовали монохроматор модели PI Acton Spectra Pro SP-2155 от компании Princeton Instruments (Актон, штат Массачусетс, США). Единственный пик излучения, наблюдаемый в спектрах РЛ, представленных на фиг. 2, соответствует характеристическому излучению переходов активатора.Absorbance measurements were made in the ultraviolet, visible and near infrared ranges using a Varian Cary 5000 spectrophotometer from Varian Inc. (Palo Alto, California, USA) on polished samples having a thickness of about 1 mm. The wavelength of the peaks observed in the absorption spectrum shown in FIG. 1 corresponds to the characteristic absorption of the activator, confirming the oxidation states of the elements that are present in the composition of the material. Radioluminescence (RL) spectra were measured at room temperature under conditions of continuous radiation from an X-ray generator model SMX003 (32 kV and 0.1 mA). The spectra were recorded using a PI Acton Spectra Pro SP-2155 monochromator from Princeton Instruments (Acton, Massachusetts, USA). The only emission peak observed in the X-ray spectra shown in Figs. 2 corresponds to the characteristic radiation of the activator transitions.

Измерения световой отдачи представлены на фиг. 3. Компоненты цепи обработки импульсов представляли собой супердвухщелочной фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) Hamamatsu R2059 от компании Hamamatsu Photonics, K.K. (Хамамацу, Япония), усилитель Ortec 672 от компании Advanced Measurement Technology, Inc. (Ок-Ридж, штат Теннесси, США), предусилитель модели Canberra 2005 от компании Canberra Industries, Inc. (Меридан, штат Коннектикут, США) и многоканальный анализатор Tukan 8k от Национального центра ядерных исследований МСА (Шверк, Польша). См. статью Guzik et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 53(1), 231-235 (2006). Образец возбуждали, используя источник 10 мкКи Cs-137 (662 кэВ), и соединяли с ФЭУ с помощью оптической смазки Corning. Поглощение света усиливали, нанося на пять сторон каждого образца многослойное покрытие из ленты TEFLON®, и сверху помещали отражающий купол SPECTRALON® от компании Labsphere (Норт Саттон, штат Нью-Гемпшир, США). Для аппроксимации фотопиков использовали гауссовскую функцию, чтобы определить центроид пика. Интегральную квантовую эффективность ФЭУ согласно спектру излучения сцинтиллятора использовали, чтобы оценить световую отдачу в фотонах на единицу энергии гамма-излучения. Время затухания сцинтилляции регистрировали, используя источник ¹³⁷Cs и метод единичного подсчета фотонов с корреляцией по времени, который ранее описали Bollinger и Thomas (Review of Scientific Instruments, 32, 7, (1961)). Кривые затухания, представленные на фиг. 4, аппроксимировали трехкомпонентной экспоненциальной функцией затухания. Величины времени затухания составляли 22 наносекунды (нс) (40 процентов (%)), 656 нс (31%) и 119,1 нс (29%).Light output measurements are shown in Fig. 3. The components of the pulse processing circuit were a Hamamatsu R2059 super double-alkali photomultiplier tube (PMT) from Hamamatsu Photonics, KK (Hamamatsu, Japan), an Ortec 672 amplifier from Advanced Measurement Technology, Inc. (Oak Ridge, Tennessee, USA), Canberra 2005 Model Preamp by Canberra Industries, Inc. (Meridan, Connecticut, USA) and multichannel analyzer Tukan 8k from the National Center for Nuclear Research UIA (Schwerk, Poland). See Guzik et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 53(1), 231-235 (2006). The sample was excited using a 10 µCi Cs-137 (662 keV) source and coupled to the PMT using Corning optical grease. Light absorption was enhanced by coating five sides of each sample with a multi-layer coating of TEFLON® tape and placed on top of a SPECTRALON® reflective dome from Labsphere (North Sutton, NH, USA). To approximate the photo peaks, a Gaussian function was used to determine the peak centroid. The integrated quantum efficiency of the PMT according to the emission spectrum of the scintillator was used to estimate the light output in photons per unit of gamma radiation energy. Scintillation decay time was recorded using a ¹³⁷ Cs source and time correlated single photon count method previously described by Bollinger and Thomas (Review of Scientific Instruments, 32, 7, (1961)). The damping curves shown in Fig. 4 was approximated by a three-component exponential damping function. The decay times were 22 nanoseconds (ns) (40 percent (%)), 656 ns (31%), and 119.1 ns (29%).

Световой выход и время затухания одновременно модифицировали посредством добавления лития в монокристаллический сцинтиллятор LuYAG:Pr. Особенное улучшение было обнаружено в отношении ускорения компонента первичного затухания. Авторы считают, что указанные результаты не ограниченны данным соединением и могут быть получены в случае других гранатовых сцинтилляторов, таких как LuGAG:Ce и LuGAG:Pr, а также в случае родственных поликристаллических и/или керамических сцинтилляторов.The light output and decay time were simultaneously modified by adding lithium to the LuYAG:Pr single crystal scintillator. A particular improvement was found with respect to the acceleration of the primary decay component. The authors believe that these results are not limited to this compound and can be obtained in the case of other garnet scintillators, such as LuGAG:Ce and LuGAG:Pr, as well as in the case of related polycrystalline and/or ceramic scintillators.

Пример 2. Другие солегированные материалы LuYAG:PrExample 2 Other LuYAG:Pr Co-Doped Materials

Монокристаллы легированного празеодимом (0,4 ат. % Pr) LuYAG с соотношением Lu и Y, составляющим 3:1, и концентрациями Li, составляющими 0 ат. %, 0,2 ат. %, 0,8 ат. % и 2,0 ат. %, и монокристаллы легированного празеодимом (1,2 ат. % Pr) LuYAG с соотношением Lu и Y, составляющим 3:1, и концентрациями лития, составляющими 0 ат. %, 0,6 ат. %, 2,4 ат. % и 6 ат. % по отношению к редкоземельному элементу выращивали способом Чохральского в установке для выращивания кристаллов Cyberstar Oxypuller от компании Cyberstar (Эшироль, Франция) с применением автоматизированной системы, в которой производная массы кристалла представляла собой технологический параметр.Single crystals of LuYAG doped with praseodymium (0.4 at. % Pr) with a ratio of Lu and Y of 3:1 and Li concentrations of 0 at. %, 0.2 at. %, 0.8 at. % and 2.0 at. %, and single crystals doped with praseodymium (1.2 at. % Pr) LuYAG with a Lu and Y ratio of 3:1 and lithium concentrations of 0 at. %, 0.6 at. %, 2.4 at. % and 6 at. % with respect to the rare earth element was grown by the Czochralski method in the Cyberstar Oxypuller crystal growth facility from Cyberstar (Echirolles, France) using an automated system in which the derivative of the crystal mass was a technological parameter.

Исходные материалы Lu₂O₃, Al₂O₃, Y₂O₃, Pr₂O₃ и Li₂CO₃ добавляли непосредственно в иридиевый тигель диаметром 60 мм. Кроме того, выращивали монокристаллы легированного празеодимом (1,2 ат. % Pr) LuYAG с соотношением Lu и Y, составляющим 3:1, и концентрацией калия 0,6 ат. % или концентрацией натрия 0,308 ат. % по отношению к редкоземельному элементу.The starting materials Lu ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ , Pr ₂ O ₃ and Li ₂ CO ₃ were added directly to a 60 mm diameter iridium crucible. In addition, single crystals of LuYAG doped with praseodymium (1.2 at. % Pr) were grown with a ratio of Lu and Y of 3:1 and a potassium concentration of 0.6 at. % or sodium concentration of 0.308 at. % relative to the rare earth element.

Измерения поглощения осуществляли в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с применением спектрофотометра Varian Cary 5000 от компании Varian Inc. (Пало-Альто, штат Калифорния, США) на полированных образцах, имеющих толщину около 1 мм. Длина волны пиков, наблюдаемых в спектрах поглощения, представленных на фиг. 5, соответствует характеристическому поглощению активатора, подтверждая степени окисления элементов, которые присутствуют в составе материала. Оптические свойства, полученные в результате активации празеодимом несолегированных и солегированных образцов, представлены спектрами возбуждения и излучения фотолюминесценции (ФЛ) на фиг. 6. Спектры возбуждения и излучения фотолюминесценции регистрировали на спектрофотометре Horiba Jobin Yvon Flurolog-3 от компании Horiba (Киото, Япония), используя в качестве источника возбуждения ксеноновую лампу непрерывного действия мощностью 450 ватт (Вт). Возбуждение активатора измеряли при 240 и 280 нм. Как представлено на фиг. 6, длина волны возбуждения и излучения не изменятся при введении в матрицу лития в качестве содопанта.Absorbance measurements were made in the ultraviolet, visible and near infrared ranges using a Varian Cary 5000 spectrophotometer from Varian Inc. (Palo Alto, California, USA) on polished samples having a thickness of about 1 mm. The wavelength of the peaks observed in the absorption spectra presented in FIG. 5 corresponds to the characteristic absorption of the activator, confirming the oxidation states of the elements that are present in the composition of the material. The optical properties resulting from praseodymium activation of non-doped and co-doped samples are represented by the photoluminescence (PL) excitation and emission spectra in FIG. 6. Photoluminescence excitation and emission spectra were recorded on a Horiba Jobin Yvon Flurolog-3 spectrophotometer from Horiba (Kyoto, Japan) using a 450 watt (W) continuous xenon lamp as the excitation source. The excitation of the activator was measured at 240 and 280 nm. As shown in FIG. 6, the excitation and emission wavelengths will not change when lithium is introduced into the matrix as a sodopant.

Измерения световой отдачи некоторых легированных празеодимом (0,4 ат. % Pr) и солегированных литием образцов представлены на фиг. 7. Абсолютный световой выход определяли по высоте импульсов в спектре для каждой композиции, используя цепь обработки импульсов, которую составляли супердвухщелочной фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) Hamamatsu R2059 от компании Hamamatsu Photonics, K.K. (Хамамацу, Япония), усилитель Ortec 672 от компании Advanced Measurement Technology, Inc. (Ок-Ридж, штат Теннесси, США), предусилитель модели Canberra 2005 от компании Canberra Industries, Inc. (Меридан, штат Коннектикут, США) и многоканальный анализатор Tukan 8k от Национального центра ядерных исследований МСА (Шверк, Польша). Каждый образец возбуждали, используя источник 10 мкКи Cs-137 (662 кэВ), и соединяли с ФЭУ с помощью оптической смазки Corning. Поглощение света усиливали, нанося на пять сторон каждого образца многослойное покрытие из ленты TEFLON®, и сверху помещали отражающий купол SPECTRALON® от компании Labsphere (Норт Саттон, штат Нью-Гемпшир, США). Для аппроксимации фотопиков использовали гауссовскую функцию, чтобы определить центроид пика. Интегральную квантовую эффективность ФЭУ согласно спектру излучения сцинтиллятора использовали, чтобы оценить световую отдачу в фотонах на единицу энергии гамма-излучения.Light output measurements of some praseodymium (0.4 at.% Pr) doped and lithium codoped samples are shown in FIG. 7. Absolute light output was determined from the pulse height in the spectrum for each composition using a pulse processing circuit that was composed of a Hamamatsu R2059 Super Bi-Alkali Photomultiplier Tube (PMT) from Hamamatsu Photonics, K.K. (Hamamatsu, Japan), Ortec 672 amplifier from Advanced Measurement Technology, Inc. (Oak Ridge, Tennessee, USA), Canberra 2005 Model Preamp by Canberra Industries, Inc. (Meridan, Connecticut, USA) and multichannel analyzer Tukan 8k from the National Center for Nuclear Research UIA (Schwerk, Poland). Each sample was excited using a 10 µCi Cs-137 (662 keV) source and coupled to a PMT using Corning optical grease. Light absorption was enhanced by coating five sides of each sample with a multi-layer coating of TEFLON® tape and placed on top of a SPECTRALON® reflective dome from Labsphere (North Sutton, NH, USA). To approximate the photo peaks, a Gaussian function was used to determine the peak centroid. The integrated quantum efficiency of the PMT according to the emission spectrum of the scintillator was used to estimate the light output in photons per unit of gamma radiation energy.

В упрощенном описании энергетическое разрешение (R) может быть представлено как соотношение FWHM полной ширины на половине максимума фотопика, деленное на положение (Н₀) центроида гауссиана, как показывает уравнение 1; однако и другие факторы, такие как непропорциональность, или эксплуатационные характеристики сцинтилляторов в диапазоне энергий также играют роль в энергетическом разрешении (см. книгу Knoll, «Обнаружение и измерение излучения», издательство John Wiley & Sons, 2010; и статью Dorenbos et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 42(6), 2190-2202 (1995):In a simplified description, the energy resolution (R) can be represented as the ratio of the full-width FWHM at half maximum of the photopeak divided by the position (H ₀ ) of the Gaussian centroid, as shown by Equation 1; however, other factors such as disproportionality or energy range performance of scintillators also play a role in energy resolution (see Knoll, Radiation Detection and Measurement, John Wiley & Sons, 2010; and Dorenbos et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 42(6), 2190-2202 (1995):

Относительный световой выход при значениях энергии гамма-излучения в диапазоне от 32 до 1333 кэВ получали на образцах, имеющих размеры 5×5×5 мм и взятых из аналогичного положения в направлении длины монокристалла. На фиг. 8 представлен непропорциональный отклик на энергию гамма-излучения для некоторых легированных празеодимом (0,4 ат. % Pr) образцов, солегированных литием при различных концентрациях Li. Значения времени затухания сцинтилляции измеряли, используя два ФЭУ R2059 Hamamatsu от компании Hamamatsu Photonics, K.K. (Хамамацу, Япония) и источник гамма-излучения ¹³⁷Cs в конфигурации, которую описали Bollinger и Thomas (Review of Scientific Instruments, 32, 7 (1961).The relative light output at gamma radiation energies in the range from 32 to 1333 keV was obtained on samples having dimensions of 5×5×5 mm and taken from a similar position in the direction of the length of the single crystal. In FIG. Figure 8 shows the disproportionate response to gamma ray energy for some praseodymium (0.4 at. % Pr) doped lithium co-doped samples at various Li concentrations. Scintillation decay times were measured using two R2059 Hamamatsu PMTs from Hamamatsu Photonics, KK (Hamamatsu, Japan) and a ¹³⁷ Cs gamma source in the configuration described by Bollinger and Thomas (Review of Scientific Instruments, 32, 7 (1961).

Обсуждение. - В приведенной ниже таблице 2 кратко представлены данные, собранные для дополнительных полученных образцов LuYAG. В таблице 2 символ ** означает, что измерение еще не было осуществлено. Концентрации допанта и содопанта представляют собой номинальные концентрации, добавленные непосредственно в расплав внутри тигля.Discussion. - Table 2 below summarizes the data collected for additional received LuYAG samples. In Table 2, the symbol ** means that the measurement has not yet been taken. Dopant and sodopant concentrations are nominal concentrations added directly to the melt inside the crucible.

Как можно видеть при сравнении результатов для образцов S-181 и S-216, чем выше концентрация допанта (например, Pr), тем выше световой выход, и тем меньше время затухания (τ_d). Исходный легированный празеодимом (0,4 ат. % Pr) и солегированный литием (0,2 ат. % Li) образец (S-215), описанный в примере 1, имел меньший размер кристалла, чем другой выращенный и, таким образом, пересинтезированный образец (т.е. образец S-223). На фиг. 5-8 представлены именно данные для пересинтезированного образца S-223.As can be seen when comparing the results for samples S-181 and S-216, the higher the dopant concentration (eg Pr), the higher the light output, and the shorter the decay time (τ _d ). The original praseodymium-doped (0.4 at.% Pr) and lithium co-doped (0.2 at.% Li) sample (S-215) described in Example 1 had a smaller crystal size than the other grown and thus resynthesized sample (i.e. sample S-223). In FIG. Figures 5-8 show exactly the data for the resynthesized sample S-223.

При сравнении различные легированные празеодимом (0,4 ат. % Pr) образцы (S-216, S-223, S-217 и S-220) показали, что добавление одновалентного допанта (например, лития) в сцинтилляторы LuYAG:Pr может одновременно улучшать световой выход и энергетическое разрешение, когда допант присутствует в низкой концентрации. В частности, при энергии гамма-излучения, составляющей 662 кэВ, энергетическое разрешение образца S-217 (0,8 ат. % Li) составляет 4,1%, что представляет собой крупное достижение для оксидных сцинтилляторов и конкурирует со значениями, полученными для NaI:Tl (6,7%), CsI:Tl (6,6%) и даже LuAG:Pr (4,6%). См. статьи Suzuki et al., Applied Physics Express, 5(10), 102601 (2012); и Khodyuk et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(3) 1175-1181 (2010). При более высоком атомном процентном содержании (например, 1,0 ат. %) литий в качестве содопанта не производит такого значительного воздействия на световой выход и энергетическое разрешение, как содопант в меньших количествах (например, 0,2 ат. % и 0,8 ат. %). Наибольшее увеличение светового выхода наблюдали для солегированного литием (0,1 ат. % Li) и легированного празеодимом (0,4 ат. % Pr) образца (S-223). Обычно оказывается, что содопант производит меньшее воздействие на световой выход и энергетическое разрешение, когда допант присутствует в большем количестве (например, 1,2 ат. %).Comparison of various praseodymium (0.4 at.% Pr) doped samples (S-216, S-223, S-217 and S-220) showed that the addition of a monovalent dopant (for example, lithium) to LuYAG:Pr scintillators can simultaneously improve light output and energy resolution when the dopant is present at a low concentration. In particular, at a gamma-ray energy of 662 keV, the energy resolution of sample S-217 (0.8 at.% Li) is 4.1%, which is a major achievement for oxide scintillators and competes with the values obtained for NaI :Tl (6.7%), CsI:Tl (6.6%) and even LuAG:Pr (4.6%). See Suzuki et al., Applied Physics Express, 5(10), 102601 (2012); and Khodyuk et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(3) 1175-1181 (2010). At higher atomic percentages (e.g. 1.0 at. %), lithium as a codopant does not have as significant an effect on light output and energy resolution as codopant at lower levels (e.g., 0.2 at. % and 0.8 at %) The largest increase in light output was observed for the lithium co-doped (0.1 at. % Li) and praseodymium-doped (0.4 at. % Pr) sample (S-223). Typically, the dopant appears to have less of an effect on light output and energy resolution when the dopant is present in a higher amount (eg, 1.2 atom %).

Резюме. - Описаны эффекты солегирования редкоземельных алюминиевых гранатов, таких как материалы типа [(Lu_1-xRE_x)_1-y-zA_yB_z]₃Al₅O₁₂, атомами одновалентных элементов. Световой выход, энергетическое разрешение и время затухания легированного празеодимом монокристаллического сцинтиллятора LuYAG могут быть модифицированы посредством добавления лития. Особенные улучшения были обнаружены в отношении увеличения светового выхода и повышения энергетического разрешения. В некоторых случаях происходило уменьшение времени затухания быстрого компонента. Предположено, что дополнительное регулирование концентраций допанта и содопанта, а также типа допанта (например, Pr или Се) и содопанта (например, Li, Na или K) позволит получать кристаллы сцинтиллятора, имеющие желательные значения светового выхода, энергетического разрешения и времени затухания. Предположено, что указанные результаты не ограничены матрицей LuYAG и могут быть получены для других гранатовых сцинтилляторов, таких как LuGAG:Ce и LuGAG:Pr, а также для керамических сцинтилляторов.Summary. - The effects of co-doping of rare earth aluminum garnets, such as materials of the type [(Lu _1-x RE _x ) _1-yz A _y B _z ] ₃ Al ₅ O ₁₂ , with monovalent element atoms are described. The light output, energy resolution, and decay time of the praseodymium-doped LuYAG single crystal scintillator can be modified by adding lithium. Particular improvements have been found in terms of increased light output and improved energy resolution. In some cases, the decay time of the fast component decreased. It is expected that additional adjustment of dopant and sodopant concentrations, as well as the type of dopant (for example, Pr or Ce) and sodopant (for example, Li, Na or K) will make it possible to obtain scintillator crystals having the desired light output, energy resolution, and decay time. It is assumed that these results are not limited to the LuYAG matrix and can be obtained for other garnet scintillators such as LuGAG:Ce and LuGAG:Pr, as well as for ceramic scintillators.

Пример 3. Отжиг солегированных сцинтилляторовExample 3 Annealing of co-doped scintillators

Измерения световой отдачи и времени затухания сцинтилляции осуществляли на описанных в примере 2 легированных празеодимом (0,4 ат. % Pr) образцов LuYAG, имеющих соотношение Lu и Y, составляющее 3:1, и концентрацию лития, составляющую 0 ат. %, 0,2 ат. %, 0,8 ат. % или 2 ат. % по отношению к редкоземельному элементу. После завершения предварительных измерений каждый образец отжигали в окислительной атмосфере (т.е. на воздухе) в течение периода времени, составляющего 48 часов, при высокой температуре, составляющей 1200°С. После этого цикла отжига повторяли измерения световой отдачи и времени затухания сцинтилляции. Каждый образец перед каждым измерением выдерживали в оловянном контейнере для предотвращения воздействия света.Light output and scintillation decay time measurements were made on the LuYAG samples described in Example 2 doped with praseodymium (0.4 at. % Pr), having a Lu:Y ratio of 3:1 and a lithium concentration of 0 at. %, 0.2 at. %, 0.8 at. % or 2 at. % relative to the rare earth element. After completing the preliminary measurements, each sample was annealed in an oxidizing atmosphere (ie, air) for a period of 48 hours at a high temperature of 1200°C. After this annealing cycle, measurements of light output and scintillation decay time were repeated. Each sample was kept in a tin container before each measurement to prevent exposure to light.

Для анализа воздействия солегирования и термического отжига на структуру on дефектов монокристаллов LuYAG:Pr,Li были также выполнены исследования термолюминесценции. Образцы, имеющие размеры 5×5×5 мм, охлаждали до температуры 15 K перед возбуждением от источника рентгеновского излучения при электрических параметрах 30 кВ и 0,1 мА. После возбуждения в течение 15 минут источник рентгеновского излучения отключали, и температуру повышали от 15 K до 550 K со скоростью 3 K/мин. Высвобождение электронов из глубоких ловушек внутри решетки проявляется как пик на кривой свечения термолюминесценции, как можно видеть на фиг. 10, до и после отжига каждого образца на воздухе.To analyze the effect of co-doping and thermal annealing on the structure of defects in LuYAG:Pr,Li single crystals, thermoluminescence studies were also performed. Samples having dimensions of 5×5×5 mm were cooled to a temperature of 15 K before excitation from an X-ray source at electrical parameters of 30 kV and 0.1 mA. After excitation for 15 minutes, the X-ray source was turned off and the temperature was raised from 15 K to 550 K at a rate of 3 K/min. The release of electrons from deep traps within the lattice appears as a peak in the thermoluminescence emission curve, as can be seen in FIG. 10 before and after annealing each sample in air.

В приведенной ниже таблице 3 кратко представлено влияние отжига на воздухе образцов LuYAG:Pr,Li на световой выход, энергетическое разрешение и время затухания. Как показано в таблице 3, отжиг на воздухе в течение 48 часов при 1200°С может улучшать световой выход сцинтилляции и время затухания. Энергетическое разрешение не улучшалось при отжиге на воздухе; однако для всех образцов, содержащих литий в качестве содопанта, энергетическое разрешение оставалось ниже 5%. Измерения термолюминесценции осуществляли для всех образцов до и после термической обработки. Как представлено на фиг. 10, для солегированных литием монокристаллов LuYAG:Pr после термического отжига снижалась интенсивность пиков ниже приблизительно 250 K.Table 3 below summarizes the effect of air annealing of LuYAG:Pr,Li samples on light output, energy resolution, and decay time. As shown in Table 3, annealing in air for 48 hours at 1200° C. can improve scintillation light output and decay time. The energy resolution did not improve upon annealing in air; however, for all samples containing lithium as a codopant, the energy resolution remained below 5%. Thermoluminescence measurements were carried out for all samples before and after heat treatment. As shown in FIG. 10, for lithium co-doped LuYAG:Pr single crystals, after thermal annealing, the intensity of the peaks decreased below approximately 250 K.

Следует понимать, что разнообразные подробности раскрытого в настоящем документе изобретения могут быть изменены без выхода за пределы объема раскрытого в настоящем документе изобретения. Кроме того, приведенное выше описание представлено лишь для цели иллюстрации, но не для цели ограничения. It should be understood that various details of the invention disclosed herein may be changed without departing from the scope of the invention disclosed herein. In addition, the above description is presented for the purpose of illustration only, and not for the purpose of limitation.

Claims (4)

1. Сцинтилляционный материал, содержащий материал, выбранный из группы, состоящей из (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 0,2% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 0,8% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:0,4% Pr³⁺, солегированного с 2,0% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 0,308 ат.% Na⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 0,6 ат.% Li⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 0,6 ат.% K⁺; (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 2,4 ат.% Li⁺; и (Lu_0,75,Y_0,25)₃Al₅O₁₂:1,2% Pr³⁺, солегированного с 6 ат.% Li⁺.1. Scintillation material containing a material selected from the group consisting of (Lu _0.75 ,Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.2% Li ⁺ ; (Lu _0.75 ,Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 0.4% Pr ³⁺ co-doped with 0.8% Li ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ :0.4% Pr ³⁺ co-doped with 2.0% Li ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 0.308 at.% Na ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 0.6 at.% Li ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 0.6 at.% K ⁺ ; (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 2.4 at.% Li ⁺ ; and (Lu _0.75 , Y _0.25 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : 1.2% Pr ³⁺ co-doped with 6 at.% Li ⁺ . 2. Радиационный детектор, содержащий фотонный детектор и сцинтилляционный материал по п. 1.2. Radiation detector containing a photon detector and scintillation material according to claim 1. 3. Применение радиационного детектора по п. 2 для обнаружения гамма-лучей, нейтронов, рентгеновских лучей, космических лучей и/или частиц, имеющих энергию 1 кэВ или более.3. The use of a radiation detector according to claim 2 for detecting gamma rays, neutrons, x-rays, cosmic rays and/or particles having an energy of 1 keV or more. 4. Способ изменения одного или более сцинтилляционных и/или оптических свойств легированного празеодимом (Pr) лютеций-иттрий-алюминиевого гранатового (LuYAG) сцинтиллятора, причем способ включает получение редкоземельного алюминиевого гранатового сцинтиллятора в присутствии одновалентного иона содопанта, причем одновалентный ион содопанта представляет собой ион щелочного металла, и в результате этого получают сцинтилляционный материал типа солегированного LuYAG по п. 1.4. A method for modifying one or more scintillation and/or optical properties of a praseodymium (Pr) doped lutetium yttrium aluminum garnet (LuYAG) scintillator, the method comprising preparing a rare earth aluminum garnet scintillator in the presence of a monovalent sodopant ion, wherein the monovalent sodopant ion is alkali metal, and as a result, a co-doped LuYAG type scintillation material according to claim 1 is obtained.

Images