Иодиды LuI3 в Минске

Иодид лютеция LuI3: сцинтилляционные монокристаллы для регистрации гамма-излучения

Иодид лютеция LuI₃ — неорганическое соединение редкоземельного металла лютеция с йодом, применяемое в виде активированных монокристаллов для высокочувствительной регистрации ионизирующего излучения. В отличие от классических галогенидных сцинтилляторов, кристалл LuI₃:Ce обеспечивает световыход до 90 000 фотонов/МэВ при энергии 662 кэВ, что существенно превышает показатели NaI:Tl и CsI:Tl. Плотность материала — 5,6 г/см, эффективный атомный номер — 63, температура плавления — 1050 C. Гигроскопичность высокая, поэтому детекторы герметизируют в корпусах с оптическим окном из кварца или сапфира.

Кристаллохимические и сцинтилляционные параметры

Лютеций имеет два природных изотопа: Lu-175 (стабильный) и Lu-176 (радиоактивный, период полураспада 3,78 10 лет). Собственный фон Lu-176 создаёт -излучение с граничной энергией 596 кэВ, что требует дискриминации при низкофоновых измерениях. Активация церием Ce в концентрации 0,1–5 мол.% формирует центры люминесценции с максимумом эмиссии 470–535 нм, согласованным со спектральной чувствительностью фотокатодов ФЭУ и кремниевых фотоумножителей (SiPM).

• Световыход — 85 000–95 000 фотонов/МэВ
• Энергетическое разрешение при 662 кэВ — 3,5–5,0 %
• Время высвечивания — 28–40 нс (основная компонента)
• Радиационная стойкость — до 10 Гр без деградации
• Температурный коэффициент световыхода — –0,3 %/C

Технология получения и формы выпуска

Монокристаллы LuI₃:Ce выращивают методом Бриджмена — Стокбаргера в танталовых тиглях в атмосфере аргона или в запаянных кварцевых ампулах. Из-за высокой гигроскопичности и склонности к растрескиванию при термоударе кристаллы отжигают по ступенчатому режиму. Поставляются в виде цилиндров диаметром 10–76 мм, высотой 10–100 мм, а также прямоугольных блоков и пиксельных матриц для позиционно-чувствительных детекторов.

Применение в приборостроении

Кристаллы LuI₃:Ce востребованы в системах, где требуется сочетание высокого световыхода и быстрого отклика: позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) с времяпролётным разрешением, спектрометры для ядерной геофизики, досмотровые комплексы на основе регистрации гамма-квантов, бортовые детекторы для космических аппаратов. В нефтегазовой отрасли применяются в скважинных гамма-каротажных зондах, работающих при температуре до 175 C.

• Медицинская визуализация — ПЭТ/КТ, ОФЭКТ
• Ядерная физика — спектрометрия гамма-излучения
• Досмотр — рентгеноскопические сканеры багажа и грузов
• Геофизика — скважинные приборы гамма-каротажа
• Космос — детекторы гамма-всплесков и спектрометры

Эксплуатационные ограничения

Собственная радиоактивность Lu-176 создаёт фоновую загрузку примерно 300 распадов/(ссм), что ограничивает применение в низкофоновых экспериментах. Гигроскопичность требует сборки детекторов в перчаточных боксах с влажностью менее 1 % и герметизации эпоксидными компаундами или лазерной сваркой. При нагреве выше 200 C наблюдается термолюминесценция, искажающая спектры; рабочий диапазон — от –50 C до +175 C.

Вопросы и ответы