Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОННЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам, конкретно, к волоконным сцинтилляторам, предназначенным для измерения ионизирующих излучений.

Гибкие и длинные сцинтилляционные волоконно-оптические кабели необходимы для использования в комплексах и системах радиационного мониторинга с целью обнаружения делящихся материалов и радиоактивных веществ в недоступных для обычных детекторов каналах, щелях, лабиринтах, трубах и т.д., а также для регистрации нейтрино при глубоководных измерениях.

Известен способ микровытягивания из расплава люминесцентных (сцинтилляционных) кристалловолокон на основе LiF или NaF, активированных ураном (U), либо скандием (Sc), либо стронцием (Sr) в количестве 0,1 моль.% [А.Н.Черепанов, В.Ю.Иванов. Т.С.Королева, Б.В.Шульгин. Люминесценция объемных, волоконных и наноразмерных кристаллов LiF и NaF. Екатернибруг, Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ», 2006, с.33-78]. Способ включает разогрев шихты в тигле до температуры плавления с последующим пропусканием расплава сквозь капилляр, затем следует кристаллизация затравки на игле и ее передвижение вдоль оси капилляра тигля со скоростью от 0,1 до 0,86 мм/мин. Недостатки способа и получаемых им волокон: небольшая скорость роста волокна и длина (несколько см). Волокна имеют непостоянный диаметр по длине, что приводит к потерям сцинтилляционного излучения, и их невозможно изогнуть.

Наиболее близким техническим решением является способ получения кристаллических волоконных сцинтилляторов методом лазерного разогрева на основе NaF:Сu и NaF:U, Cu, который включает локальный разогрев лазерным лучом монокристаллического либо поликристаллического стержня при одновременном растягивающем воздействии на него с оптимальной скоростью движения заготовки и волокна, что обеспечивает формирование структуры волокна [А.Н.Черепанов, В.Ю.Иванов, Т.С.Королева, Б.В.Шульгин. Люминесценция объемных, волоконных и наноразмерных кристаллов LiF и NaF. Екатернибруг, Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ», 2006, с.53-60].

Но и этим методом полученные волоконные сцинтилляторы имеют форму, только близкую к цилиндрической, при этом волокна вытягивают короткими (до 5 см) с малой скоростью роста ≈0,8 мм/мин. Они не подлежат изгибу, т.к. ломаются. Кроме того, способ лазерного разогрева является непроизводительным и энергозатратным.

Задачей изобретения является разработка производительного и энергосберегающего способа получения гибких и длинных нанокристаллических волоконных сцинтилляторов, обладающих максимумом спектра свечения на длине волны 550 нм и имеющих цилиндрическую форму по всей длине волокна.

Поставленная задача решается за счет того, что разогрев материала сцинтиллятора осуществляют при температуре 170-180°С, давлении 120-140 кг/см², при этом формирование волокна проводят методом экструзии со скоростью 1,5-2,0 м/час, а в качестве материла сцинтиллятора используют галогениды металлов при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Новые волоконные сцинтилляторы получают из сцинтилляционных кристаллов на основе твердых растворов галогенидов серебра, легированных иодидом одновалентного таллия. Содержание в кристаллах TlI и AgI обеспечивает сцинтилляционные свойства волокон. Они пластичны и не обладают эффектом спайности, в отличие от указанных в прототипе кристаллов NaF и LiF. Поэтому из них получают методом экструзии, т.е выдавливанием монокристаллической заготовки через фильеру, длинные, до 50 м и более, гибкие волоконные сцинтилляторы, имеющие строго цилиндрическую форму по всей длине волокна, что обеспечивает прохождение сцинтилляционного излучения по волокну практически без потерь. Подобные волокна невозможно получить из известных сцинтилляционных кристаллов LiF, NaF, CsI и других, в том числе из оксидных сцинтилляторов.

Новые волокна допускают многоразовый изгиб до радиуса 5 мм без изменения оптических свойств, что объясняется их нанокристаллической структурой. Кроме того, способ экструзии, по сравнению с методами микровытягивания и лазерного разогрева, является энергосберегающим и производительным, т.к. скорость получения волокна 1,5-2,0 м/час, а в прототипе около 0,04 м/час.

Для данного состава сцинтилляционных волокон режимы экструзии (температура, давление, скорость) взаимосвязаны и обеспечивают получение нанокристаллической структуры волокна. Если экструдировать волокно при температуре ниже 170°С, то следует применять давление выше 140 кг/см² вследствие повышенной вязкости материала, при этом скорость экструзии становится менее 1,5 м/час, а получаемое волокно является хрупким, т.к. имеет микрокристаллическую структуру, в случае разогрева выше 180°С и давлении ниже 120 кг/м² скорость экструзии становится более 2 м/час. При таких режимах также ухудшаются механические свойства волокна - оно становится хрупким.

Пример 1. Монокристаллическую заготовку диаметром 10 мм высотой 30 мм и составом, мас.%:

поместили в контейнер, разогрели до 170°С и при давлении 140 кг/см² провели экструзию волокна со скоростью 1,5 м/час.

Получили 12 м гибкого сцинтилляционного волокна диаметром 0,5 мм по всей длине. В волокне наблюдается полоса люминесценции с максимумом на длине волны 550 нм. Волокно имеет нанокристаллическую структуру с размером зерна до 90 нм, что обуславливает пластичность и прочность волокна.

Пример 2. Методом экструзии получили 12 м гибкого сцинтилляционного волокна диаметром 0,5 мм по всей длине при следующих режимах: температура разогрева монокристаллической заготовки 180°С, давление 120 кг/см², скорость экструзии 2,0 м/час.

Состав волоконного сцинтиллятора, мас.%:

Структура волокна нанокристаллическая с размером зерна от 30 до 60 нм. Максимум спектра свечения наблюдается при λ=550 нм.

Пример 3. При температуре 175°С и давлении 130 кг/см² получили гибкое волокно диаметром 0,5 мм и длиной 12 м, при скорости выдавливания через фильеру 1,7 м/час. Форма волокна - цилиндрическая. Состав волоконного сцинтиллятора, мас.%:

Волокно данного состава обладает нанокристаллической структурой с размером зерна до 80 нм. Полоса люминесценции имеет максимум на длине волны λ=550 нм.

Пример 4. При режимах, указанных в примере 2, вытянули методом экструзии волоконный сцинтиллятор состава, мас.%:

Полоса люминесценции выражена слабо.

Пример 5. При режимах, указанных в примере 1, вытянули методом экструзии волоконный сцинтиллятор состава, мас.%:

При таком составе максимум спектра люминесценции смещается в более длинноволновую область спектра.

Технический результат позволяет получать методом экструзии из кристаллов на основе твердых растворов галогенидов серебра, легированных TlI, гибкие и длинные волоконные сцинтилляторы, обладающие максимумом спектра свечения на длине волны 550 нм, которые востребованы для изготовления сцинтилляционных волоконно-оптических систем радиационного мониторинга и для других применений.