专利名称：中子闪烁体复合材料及其制造方法
中子闪烁体复合材料及其制造方法
发明背景
闪烁体材料(在下文为闪烁体)广泛用于高能辐射例如、射线、X-射线、宇宙射线、中子以及特征在于大于或等于约IkeV能级的其它粒子的检测器。闪烁体与光检测工具比如感光器耦合。当射线冲击闪烁体时，闪烁体发光。感光器产生与所接受的光脉冲数目和其强度成比例的电信号。闪烁体通常用于许多应用。实例包括医疗影像设备例如正电子发射断层扫描(PET)装置、用于石油和天然气工业的测井、用于国土安全的门式和手提式检测器以及各种数字成像应用。
在经固态闪烁对中子的检测中，大概最高度采用的材料源于6-LiF与SiS Ag的颗粒混合物。该混合物中的每一种组分呈现“顶级”性能(即分别为中子捕获和发冷光)。 对于中子捕获，LiF晶体结构提供固态中的最高Li位点密度之一并因此将富集6-Li时的中子相互作用可能性最大化。对于发冷光，SiS Ag为已知的最明亮荧光粉之一并且在 α和氚核暴露(即6-Li中子捕获的副产物)下其发射保持空前未有的。因此，6-LiF与 ZnS Ag的组合(通过光学透明的粘合剂材料结合在一起)，形成具有异常效力的中子闪烁体复合材料(NSC)。
遗憾的是，中子闪烁体复合材料当包含这样的颗粒混合物(例如6-LiF/SiS Ag、 10-B203/ZnS Ag等)时，由于在内部界面的光散射和在透射期间的光吸收而遭受光损耗。 后者(光吸收)得到可自吸收其自身冷光的^iS Ag的辅助。这些损耗机理造成厚度限制增大NSC厚度超出某一阈值(例如约1. Omm对于6-LiF/SiS Ag混合物)不提供进一步的光输出，尽管提供额外的中子吸收能力。因此，大的连续体积为不可得到的，并且同等重要的是，在没有大量工作区时许多有用的形状不可实现。
简短描述
本发明如下解决光透明度问题[1]将中子捕获和发冷光功能结合到单一的闪烁体组合物中和[幻使粘合剂材料与中子闪烁体材料指数匹配(index-matching)。这些特性显著减少内部吸收和散射，从而增大NSC体的光输出。结果，到达感光器的光脉冲数目和强度增加，这继而显著地改善中子检测效率。
内部吸收和散射的量取决于NSC中光界面的类型和表面积。对于加入颗粒混合物 (例如6-LiF/SiS Ag)的常规NSC，可能的光界面数为5 (例如6-LiF/粘合剂、ZnS Ag/ 粘合剂、6-LiF/ZnS Ag、6-LiF/6-LiF和SiS Ag/ZnS Ag)。相比之下，对于本发明，可能的界面数为2 闪烁体-粘合剂和闪烁体-闪烁体。其表示相同材料之间接触的后者为已经指数匹配的，因此界面数有效地为1。加入单一组合物因此减少光复杂性和提高透明度。
另外，本发明的中子闪烁体材料呈现与已知的环氧树脂、热塑性塑料、低熔点无机玻璃等(η 1. 4-1. 6)重叠的折射率(η 1. 3-1. 6)。组合物因此使得能够指数匹配，其经本发明利用以消除在闪烁体-粘合剂界面的光损耗。该透明度提高允许大的连续体积的有用形状，绕过了对追求更加昂贵的单晶实施方案的需要。相比之下，常规NSC通常含有 ZnS Ag，其高折射率(η 2. 2)阻碍与已知粘合剂的指数匹配。常规的NSC体因此不透明并限制于少于Imm的厚度。
在一个方面，中子闪烁体复合材料包含，包括具有非零浓度的6-Li的中子闪烁体材料；和具有与中子闪烁体材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂材料。
在另一个方面，中子闪烁体复合材料包含，包括具有非零浓度的6-Li的中子闪烁体材料，和具有与中子闪烁体材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂，其中中子闪烁体材料包含一种以下组成
[1] (LihAx)2Lr^5，其中 0 < χ 彡 1，或
[2] (Li1-A) S(Li1V^y)LnX6,其中 0<χ彡 1和0<y< 1 但是χ和 y 不能同时为 1，或者
[3] BLn (Li1-A) X5,其中 0 < x 彡 1，或者
[4] (LihAx)2Ln1TbCeaPrbX5,其中 0<x彡 1;0彡 a彡 1和0 彡b彡 1 但是 a 和 b 不能同时为0或1，或者
[5] (Li1-A) jLihAVLnubCeaPrA，其中 0<x 彡 1 和0<y 彡 1 但是 χ 禾口 y 不能同时为1;0彡3彡1和0彡13彡1但是a和b不能同时为0或1，或者
[6] BLn1TbCeaPrb (Li1-A) X5，其中 0<x 彡 1;0 彡 a彡 1和0 彡b 彡 1 但是 a 和 b 不能同时为0或1，
并且其中，
A，A，= Tl、Na、K、Rb、Cs的离子或其任何组合，
B = Cs、Rb, Tl的离子或其任何组合，
Ln = Y、镧系、铋的离子或其任何组合，和
X =卤素离子或包含卤素离子的任何组合，和
具有与中子闪烁体材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂材料。
在在一个方面，用于制作中子闪烁体复合材料的方法包括，将包括具有非零浓度的6-Li的中子闪烁体材料与具有与中子闪烁体材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂材料混合，其中粘合剂材料给中子闪烁体材料提供具有形成成形物品的足够流动性。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变为更好理解，其中贯穿附图的同样的字符表示同样的部件，其中
图1显示本发明辐射检测器的一个实施方案，其中本发明的6-Li基中子闪烁体复合材料(NSC)成形为透明体12，用作截面尺寸与感光器的光敏感区域相匹配的中子敏感元件。
图2显示本发明辐射检测器的一个实施方案，其中本发明的6-Li基中子闪烁体复合材料(NSC)形成大的透明体，用作大于感光器光敏感区域的中子敏感元件。
图3显示本发明辐射检测器的一个实施方案，其中在NSC材料透明体的光出口区域与单感光器装置入口区域之间的尺寸不匹配通过用薄层光学介质直接光耦合的多个感光器的阵列得到补偿；和
图4显示本发明辐射检测器的一个实施方案，其中光耦合介质分布遍及本发明的 6-Li基中子闪烁体复合材料(NSC)体，目的是收集闪烁光并将光子引导至感光器的光敏感区域。
元件列表
10辐射检测器
12透明体
14感光器
20辐射检测器
22透明体
24感光器
26光耦合介质
30辐射检测器
32透明体
34感光器
36光耦合介质
40辐射检测器
42透明体
44感光器
46光导纤维
详细描述
包含中子闪烁体组成和粘合剂组成的本发明透明中子闪烁体复合材料(NSC)的详细说明现将得到描述。
I.中子闪烁体材料
通常，本发明中子闪烁体材料检测中子辐射的能力源于存在6-Li，其对于热中子捕获呈现大的截面。捕获过程导致6-Li衰变，产生如在以下6-Li (η，α)反应中详细说明的荷电α和氚核产物
6Li+^— > 4α +3H(Q = 4. 78MeV)
荷电α和氚核粒子的4. 78MeV动能(即Q)高，并且使得有效的“每个事件(per event)，，能量能够传输给6_Li主体。因此，通过加入6_Li，产生提供杰出中子吸收能力的材料。本发明将6-Li结合到中子闪烁体材料中，该材料的晶格高效地将能量传输给闪烁活化剂。这些活化剂在激发后衰变回到其基态，产生闪烁现象的光子特性。
中子闪烁体材料的6-Li富集可在0%< 6-Li彡100%变化(即6_Li富集应为非零)。6-Li天然丰度为7. 59%并且最高商业来源目前为95%。在随后的组成描述中，对 “Li”的提及认为是非零6-Li富集。
在一个实施方案中，中子闪烁体材料包含具有以下式(I)的化合物
(Li1^xAx)SLnX5 (I)
其中Li包含具有非零6-Li浓度的6-Li与7_Li之一的核素，A包含铊、IA族元素的离子或其任何组合，Ln包含稀土元素、铋的离子或其任何组合，X包含卤素元素离子或其任何组合，并且χ可具有0至(但不包括)1的值。A的合适实例为钾、铷、铯、铊等的离子或其任何组合。
Ln的合适实例为钇、钪、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等的离子或其任何组合。可用于式(I)的中子闪烁体材料的示例性稀土元素为钇、镥、镧或其组合。卤素的实例为氟、氯、碘、溴或其任何组合。
在另一个实施方案中，中子闪烁体材料包含具有以下式(II)的钾冰晶石化合物
(LihAx) 2 (Li"A，y)Ln)(6 (II)
其中Li包含具有非零6-Li浓度的6-Li与7-Li之一的核素，A和Α’与以上式⑴ 中用A表示的相同，Ln与以上式⑴中表示的相同，X与以上式⑴中表示的相同，χ可具有与以上式⑴中表示的相同值，并且y可具有0至(但不包括)1的值。式(II)中A的合适实例为包含钾、铷、铯、铊等的离子或其任何组合。A’的合适实例为钠离子。
在再一个实施方案中，中子闪烁体材料包含具有以下式(III)的化合物
BLn(LihAx)X5 (III)
其中Li包含具有非零6-Li浓度的6-Li与7_Li之一的核素，B包含铯、铷、铊的离子或其任何组合，Ln与式⑴中表示的相同，A与以上式⑴中表示的相同，X为如以上式⑴中表示的卤素，和χ可具有与以上式⑴中表示的相同值。式(III)中Ln的合适实例为钇、镧、铈、钆、镨、镥、铋的离子或其任何组合。式(III)中A的合适实例为钠、钾的离子或其任何组合。
在本发明的一个方面，本发明的中子闪烁体材料加入铈和/或镨作为闪烁活化剂。与不加入铈离子的中子闪烁体材料相比较，将铈离子加入到在以上式(I)、(II)或 (III)中提及的中子闪烁体材料中增大中子闪烁体材料的光输出。另外，与仅加入铈离子的中子闪烁体材料相比较，将镨离子和铈离子加入到在以上式(I)、(II)或(III)中提及的中子闪烁体材料中进一步增大中子闪烁体材料的光输出。不局限于理论，镨离子起有效空穴陷阱的作用，其向铈离子传输其复合能量从而增大光输出。加入铈和/或镨作为闪烁活化剂在美国专利申请公布号2008/0131347A1 (Srivastava等)中得到描述，其全部内容通过引用结合到本文中。
以上提及的加入铈和/或镨卤化物的式(I)、(II)或(III)的中子闪烁体材料为自活化的。也就是说，本发明的中子闪烁体组合物不使用单独的活化剂化合物，因为铈和镨起活化剂(即通过闪烁检测器测量的中子辐射的发射源)和主体元素两者作用。
在一个实施方案中，铈离子和镨离子通过分别使用卤化铈和卤化镨加入到式(I)、 (II)或(III)的中子闪烁体材料中。卤化铈的实例为氟化铈、氯化铈、溴化铈、碘化铈或其任何组合，而卤化镨的实例为氟化镨、氯化镨、溴化镨、碘化镨或其任何组合。
当向式(I)、(II)或(III)的中子闪烁体材料中加入卤化铈和卤化镨两者时，它们可同时或依序加入以形成固溶体。在一个示例性的实施方案中，将卤化铈和卤化镨同时加入到式(I)、(II)或(III)的中子闪烁体材料中以形成固溶体。用于制备这样固态溶体的方法在美国专利申请公布号2008/0131347A1 (Srivastava等)中得到描述，其全部内容通过引用结合到本文中。
在另一个实施方案中，式(I)的中子闪烁体材料可同时与卤化铈和/或卤化镨反应形成以下式(IV)的中子闪烁体材料
(Li1^xAx) 2Ln1_a_bCeaPrbX5 (IV)
其中Li包含具有非零6-Li浓度的6-Li与7_Li之一的核素，A、Ln、X和χ与以上式(I)中表示的相同，Ce表示铈，ft·表示镨且a可具有0-1的值，同时b可具有0_1的值。 值得注意的是在中子闪烁体组成(IV)中a和b不能两者同时为0或1。对于式(IV)的中子闪烁体组成，a和b两者可同时等于0。在一个实施方案中，当仅存在镨时，当b等于1时 a等于0。在另一个实施方案中，当仅存在铈时，当a等于1时b等于0。当在式(IV)中存在铈和镨两者时，a和b可具有约0. 01-0. 99的值。
在再一个实施方案中，式(II)的中子闪烁体材料可同时与卤化铈和/或卤化镨反应形成以下式(V)的中子闪烁体材料
(Li1^xAx) 2 (Lii-yA' y) Lni_a_bCeaPrbX6 (V)
其中Li包含具有非零6-Li浓度的6-Li与7_Li之一的核素，A、A’、Ln, X、χ和y 与以上式(II)中表示的相同，Ce表示铈，ft·表示镨且a可具有0-1的值，同时b可具有0_1 的值。值得注意的是在中子闪烁体组成(V)中a和b不能同时两者为0或1。对于式(V) 的中子闪烁体组成，a和b两者可同时等于0。在一个实施方案中，当仅存在镨时，当b等于 1时a等于0。在另一个实施方案中，当仅存在铈时，当a等于1时b等于0。当在式(V)中存在铈和镨两者时，a和b可具有约0. 01-0. 99的值。
在又一个实施方案中，式(III)的中子闪烁体材料可同时与卤化铈和/或卤化镨反应形成以下式(VI)的中子闪烁体材料
BLni_a_bCeaPrb (Li1^xAx) X5 (VI)
其中Li包含具有非零6-Li浓度的6-Li与7_Li之一的核素，B、Ln、A、X和χ与以上式(III)中表示的相同，Ce表示铈，ft·表示镨且a可具有0-1的值，同时b可具有0_1的值。值得注意的是在中子闪烁体组成(VI)中a和b不能同时两者为0或1。对于式(IV) 的中子闪烁体组成，a和b两者可同时等于0。在一个实施方案中，当仅存在镨时，当b等于 1时a等于0。在另一个实施方案中，当仅存在铈时，当a等于1时b等于0。当在式(VI) 中存在铈和镨两者时，a和b可具有约0. 01-0. 99的值。
如同在式(IV)、(V)和(VI)可见的那样，将卤化铈和/或卤化镨引入到式(I)、 (II)或(III)的中子闪烁体材料中促进由卤化铈和/或卤化镨对卤化镧的替代。
也应该理解以上所以及的式(IV)、(V)或(VI)的中子闪烁体材料可含有少量的杂质。这些杂质通常源于起始原料，并且通常组成中子闪烁体材料的少于约0.1% (重量)， 并且通常组成中子闪烁体材料的少于约0. 01% (重量)。
式(IV)、(V)或(VI)的中子闪烁体材料也可包括寄生相，其体积％通常少于约 1%。另外，可在闪烁体组成中有目的地包括少量其它材料，如在美国专利6585913 (Lyons 等)中描述的那样，其全部内容通过引用结合到本文中。例如，可加入少量的其它稀土元素卤化物以减少余辉。可加入钙和/或镝以减少辐射损伤的可能性。
式(IV)、(V)或(VI)的中子闪烁体材料提供超过其它市售可得的中子闪烁体材料的多种有利条件。例如，该中子闪烁体材料可同时呈现每个中子事件的衰变时间短、余辉减少、高中子吸收率和高光输出。另外，该中子闪烁体材料可经济地制造，并且当以粉末形式存在时，可与粘合剂材料结合形成大的透明和连续体积的有用形状。
概括地说，本发明的中子闪烁体材料为来自以下组成之一
[1] (Li1^xAx)2LnX5
[2] (LihAx)2 (Li"A，y)LnX6
[3] BLn (LihAxU5
[4] (Li1^xAx) 2Ln1_a_bCeaPrbX5
[5] (LihAx) 2 (Li1^yA' y) Lni_a_bCeaPrbX6
[6] BLni_a_bCeaPrb (Li1^xAx) X5
其中，
A = Tl、Na、K、Rb、Cs的离子或其任何组合，
A，= Tl、Na、K、Rb、Cs的离子或其任何组合，
B = Cs、Rb、Tl的离子或其任何组合，
Ln = Y、镧系、铋的离子或其任何组合，和
X =卤素离子或包含卤素离子的任何组合。
在组成[1]中，0 < χ彡1。
在组成[2]中，0<x彡1和0<y< 1但是χ和y不能同时为1。
在组成[3]中，0 < χ彡1。
在组成W]中，0<x彡1;0彡3彡1和0彡13彡1但是a和b不能同时为0或 1。
在组成[5]中，0 < χ彡1和0 < y彡1但是χ和y不能同时为1 ;0彡a彡1和 0彡b彡1但是a和b不能同时为0或1。
在组成W]中，0<x彡1;0彡3彡1和0彡13彡1但是a和b不能同时为0或 1。
在所有的组成[1]- ]中，6-Li富集可在0%<6_Li彡100%变化(即6_Li富集应为非零)。6-Li天然丰度为7. 59%并且最高商业来源目前为95%。
II.透明粘合剂材料
本发明的一个方面是发明人已经发现以上描述的中子闪烁体材料的折射率落在与已知的环氧树脂、热塑性塑料和低熔点无机玻璃重叠的范围内(即分别为1.3-1. 6与 1. 4-1. 6)。该重叠可被利用以选择具有与以上描述的中子闪烁体材料基本上相同的折射率的粘合剂，比如环氧树脂、热塑性塑料和低熔点无机玻璃等。换句话说，粘合剂材料对以上所描述的中子闪烁体材料发射的光子波长为透明的，并使得光子能够有效通过本发明的中子闪烁体复合材料(NSC)。结果，本发明的NSC材料对于所发射的光子具有接近单晶的透射能力。因此，本发明的NSC材料有能力起光学波导作用，在NSC材料本身中收集和引导光子，从而大大地增大可容纳本发明NSC材料的任何辐射检测器的光效率。
在一些实施方案中，用于本发明NSC材料的粘合剂材料包含一种或更多种热塑性树脂或热固性树脂。在一些实施方案中，粘合剂材料包含选自丙烯酸酯基树脂、环氧树脂、 硅氧烷树脂及其组合中的一种或更多种。当选择热塑性树脂时，其可选自聚缩醛、聚丙烯酸、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚酐、聚芳酯、聚芳基砜、聚苯并咪唑、聚苯并噻嗪并吩噻嗪、聚苯并噻唑、聚苯并Pl唑、聚碳酸酯、聚碳硼烷、聚二苯并呋喃、聚二氧代异二氢吲哚、聚酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚醚砜、聚酰亚胺、聚氧杂双环壬烷、聚1 二唑、聚羟吲哚、聚氧代异二氢吲哚、聚苯硫醚、聚磷腈、聚苯酞、聚哌嗪、聚哌啶、聚吡嗪并喹喔啉、 聚吡唑、聚哒嗪、聚吡啶、聚均苯四酰亚胺(polypyromellitimide)、聚吡咯烷、聚喹喔啉、聚硅氮烷、聚苯乙烯、聚硫化物、聚磺酰胺、聚磺酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚硫酯、聚三嗪、聚三唑、聚脲、聚乙烯醇、聚乙烯酯、聚乙烯醚、聚卤化乙烯、聚乙烯酮、聚乙烯腈、聚乙烯硫醚及包含一种或更多种上述热塑性树脂的组合。
本发明的粘合剂材料也可包括一种或更多种任何的常规添加剂，例如抗氧化剂、 紫外线吸收剂、稳定剂、金属钝化剂、过氧化物清除剂、填充剂、增强剂、增塑剂、润滑剂、乳化剂、颜料、荧光增白剂、耐火剂、抗静电剂、发泡剂等。当需要或要求时，这些添加剂被选择以维持必要的Y不敏感性、光透明度和可塑性。本发明的粘合剂也可有利地在Y射线照射下基本上不发荧光，并且也可有利地在Y照射下对降解不敏感。
优选的是确保所选择的粘合剂材料为光学澄明的模塑组成。许多这些组成对于用于光电用途为市售可得到的，并且选择将取决于材料所要求具有的Y射线不敏感性和光学澄明度。一些这样的模塑组成包括光学澄明的环氧树脂，一个其非限定性实例为可得自 EpoxyTechnology, Billerica MA 的 EPOTEK 301-2。
在某些实施方案中，本发明可包括制备透射性可塑树脂组分。在其中可塑性树脂组分已经具有足够的特性赋予最终组合物所要求的流动性特征的情况中，其可基本上按原样使用。某些硅酮类(例如聚二甲基硅氧烷)树脂可具有足够的可塑性。室温硫化(RTV) 硅酮、RTV硅酮橡胶等也可使用。或者，树脂可为必需在使用之前制备的多部分反应产物。 某些环氧树脂可需要这样，如通过例如硬化剂和树脂前体的结合。
III. NSC 复合材料
通常，本发明的NSC复合材料通过混合极小量的粘合剂材料与以粉末或粒子形式存在的中子闪烁体材料产生流动性物质。然后，在固化(如果使用环氧粘合剂材料)或凝固(如果使用热塑性塑料、玻璃等)之前，将流动性物质模塑、铸塑、挤出等成为可用于中子检测的成型物品。例如，流动性物质可形成整块材料、片材、细丝、柱形壳、吸管等，导致形成成型物品。
本发明的NSC复合材料优选地表征为能够简化成型物品制作的能力。用于本文时，“成型物品”包括(但不限于)层、片、棒、块、线材、网、双凸状固定装置、纤维等(经包括流延成型和挤出的过程)；复合体等(经包括机械加工或铸造的过程)；以及保形涂层等 (经包括喷洒、浸渍或旋转的过程)。所有的这些上述“成型物品”构成本公开和权利要求的“物品”。
如上所述，中子闪烁体材料与粘合剂材料比如树脂混合以制作NSC复合材料。在某些实施方案中，这需要将以粉末或粒子形式存在的颗粒中子闪烁体材料与树脂混合。在这样的实施方案中，在有效条件比如搅拌、过滤、浙滤、压制、压碎、解聚集等下向树脂中加入颗粒材料。这些条件有效于获得或保持紧密的混合物或分散体，并形成作为具有模塑成为成型物品的足够流动性的可塑固体或半固体的中子敏感性组合物。颗粒起始原料的任何剩余聚集物可通过将混合物分级、浙滤、筛分来去除或瓦解，或将混合物进一步解聚集。这样的解聚集步骤可消除任何捕获的气泡以及粉碎聚集体。尽管不要求，合乎需要的是获得勻和(smooth)和/或乳脂状混合物。在一些实施方案中，中子闪烁体材料在树脂中的勻和和/或乳脂状紧密分散体提供有利条件，可能包括在铸塑为物品期间有利地减少条痕。
需要成型步骤用于将可塑NSC复合材料制作成为成型物品。本领域技术人员知道广泛种类的用于含有树脂的复合材料的成型步骤。在可塑NSC复合材料可借以加工成型为物品的过程当中，包括一个或更多个步骤比如流延成型、注浆成型、挤出、拉挤成型 (pultrusion)、注塑、压缩模塑、吹塑、辊压、热成形、真空成形、捏制、压制、涂布、喷洒、印制及其组合等。所选择的具体方法不特别关键，但是取决于所要求的最终形状。在某些实施方案中，可塑中子敏感组合物的组分和/或一致性可对成型步骤借以实施的参数选择具有影响。例如，如果可塑中子敏感组合物的固体含量太高，组合物可能对于有效使用太为粘稠。 在另一方面，如果可塑中子敏感组合物的固体含量太低，那么可能发生固体的沉降作用。
在一些实施方案中，在基本上为环境条件下成形时，可塑树脂组合物能够成型。在一些实施方案中，可加入稀释剂、冲淡剂或增塑剂以促进成型。而在其它的实施方案中，高于环境的压力和/或温度条件也可用于促进或使得能够成型。
IV.中子辐射检测器
本文所描述的NSC复合材料成型物品可用于包含以下元件的中子计数检测器 [1]本发明的6-Li基中子闪烁体复合材料(NSC)，[2]光耦合介质(例如光学油脂、光导纤维等)，和[3]感光器(例如光电倍增管、半导体二极管、二极管阵列等)。在曝露于热化中子辐射时，6-Li同位素捕获中子，衰变成为供能的α和氚核粒子。这些粒子在中子闪烁体复合材料中激励光子发射。光子经光耦合介质引导到传感器中，其中它们被计数。
—组例证性(而非限定性)的显示辐射检测器中的成型中子敏感物品的图解实施方案显示在图1-4中。
图1显示本发明辐射检测器10的最简单实施方案，其中本发明的6-Li基中子闪烁体复合材料(NSC)被加工成型为透明体12，用作截面尺寸与感光器14的光敏感区域相匹配的中子敏感元件。用于本文时，“透明”被定义为具有使得所要求波长的光子能够穿过材料而具有很少或没有衰减的折射率的材料。在该实施方案中，在NSC材料的透明体12与感光器14之间的界面仅使用薄层光耦合介质16 (光学油脂、环氧树脂、RTV硅酮、RTV硅酮橡胶等)，以将来自透明体12的光子向感光器14活性区域的透射最优化。应理解本发明可用起光敏元件作用的任何合适的感光器实践，并且本文NSC材料的具体形状透明体12和感光器14的使用仅为例证性并且非限定性。
图2描绘本发明辐射检测器20的实施方案，其中本发明的6-Li基中子闪烁体复合材料(NSC)形成大的透明体22，以用作大于感光器M光敏感区域的中子敏感元件。在该实施方案中，光耦合介质26由成型的光导例如多个光导组成，目的是收集来自NSC体22的光并伴随最小光损失将光传输至感光器M。对本领域技术人员显而易见的是在图2中描绘的本发明实施方案可用任何合适的感光器M和光导26实现，并且NSC材料的具体形状透明体22和感光器M的使用为例证性和非限定性的。
类似地，图3图解说明本发明辐射检测器30的实施方案，其中在NSC材料透明体32的光出口区域与单感光器装置34入口区域之间的尺寸不匹配通过用光学介质薄层 36(光学油脂、环氧树脂、RTV硅酮、RTV硅酮橡胶等)直接光耦合的多个感光器34的阵列得到补偿。应理解本发明可用任何合适的感光器34比如半导体二极管、硅光电倍增管阵列、 光电倍增管等实践，并且本文具体形状的NSC体32和感光器34的使用仅为例证性和非限定性的，并且可由本领域技术人员调节为任何形状的NSC体和/或感光器活性区域。
图4显示本发明辐射检测器40的实施方案，其中光耦合介质分布遍及本发明的 6-Li基中子闪烁体复合材料(NSC)体42，目的是收集闪烁光并将光子引导至感光器44的光敏感区域。对本领域技术人员显而易见的是，光导纤维46束可用于如所描述的那样收集和传输光线。也理解光导纤维的类型、其数目、尺寸、组成、折射率及其它光学性质(比如变换闪烁光波长的能力)可适当地相匹配于NSC材料体42和感光器44的尺寸、本发明NSC材料的光发射分布与折射率以及感光器44的光谱灵敏度特性。由于这些原因，本文图4中的具体形状NSC材料体42和感光器44的使用仅为例证性和非限定性的。
如以上描述的那样，本发明的中子闪烁体复合材料包含[1]含有6-Li的中子闪烁体颗粒材料(即粉末、粗颗粒等)，和[2]具有与中子闪烁体颗粒材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂。
对于本发明的透明NSC存在几个有利条件。首先，本发明的透明NSC同时结合了闪烁体功能与光学波导功能。闪烁体颗粒材料和粘合剂两者的折射率基本上相同，从而将闪烁体-粘合剂界面的散射最小化。该特征产生接近单晶实施方案的透射效率，而又没有后者的较高成本。
其次，粘合剂使得易于制作(即经模塑、铸塑、挤出等)可用于大的商业相关体积的形状。在其中慢生长速率降低制造生产能力的单晶实施方案中，该有利条件不存在。将后者(单晶方案)机械加工以产生要求的形状(例如切削、磨光等)也显著增加其生产周期和成本。
该书面描述使用实施例以公开本发明，包括最佳方式，而且也使得本领域任何技术人员能够制造和使用本发明。可以取得专利的本发明范围通过权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其它实施例。如果其他实施例具有不区别于权利要求字面语言的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言非实质性差别的等价结构要素，这样的其它实施例预期处于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种中子闪烁体复合材料，所述材料包含 包括具有非零浓度的6-Li的中子闪烁体材料；和具有与中子闪烁体材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂材料。
2.权利要求1的材料，其中中子闪烁体材料包含闪烁活化剂。
3.权利要求2的材料，其中闪烁活化剂包含铈离子和镨离子中的一种。
4.权利要求3的材料，其中铈离子和镨离子分别包含卤化铈和卤化镨。
5.权利要求1的材料，其中中子闪烁体材料包含以下组成中的一种[1](LihAx)2LnX5，其中 0 < χ ≤ 1，或[2](Li1-Ai) 2 (Lii_yA，y)Ln)(6，其中 0 < χ≤ 1 和 0 < ≤ 1 但是 x 和 y 不能同时为 1，或者[3]BLn(Li1-A)X5，其中0 < χ ≤ 1， 并且其中，A，A，= Tl、Na、K、Rb、Cs的离子或其任何组合， B = Cs、Rb、Tl的离子或其任何组合， Ln = Y、镧系、铋的离子或其任何组合，和 X =卤素元素的离子或其任何组合。
6.权利要求1的材料，其中中子闪烁体材料包含以下组成中的一种[1](Li1-A) ^n1IbCeaPrbX5，其中0<χ≤1;0≤a≤1和0≤b≤1但是a和b不能同时为0或1，或者[2](LihAx)2 (Li1VVy)Ln1TbCeaPrbX6,其中 0<x≤ 1 和0<y≤l 但是 χ 和 y 不能同时为1 ;0≤a≤1和1但是a和b不能同时为0或1，或者[3]BLnnbCeaPrb (Li1-A) X5，其中0<x≤1;0≤a≤1和0≤b≤1但是a和b不能同时为0或1，并且其中，A，A，= Tl、Na、K、Rb、Cs的离子或其任何组合， B = Cs、Rb、Tl的离子或其任何组合， Ln = Y、镧系、铋的离子或其任何组合，和 X =卤素离子或包含卤素离子的任何组合。
7.权利要求1的材料，其中粘合剂材料包含热塑性树脂或热固性树脂中的一种或更多种。
8.权利要求1的材料，其中粘合剂材料选自丙烯酸酯基树脂、环氧树脂、硅氧烷树脂及其组合。
9.权利要求1的材料，其中粘合剂材料提供给中子闪烁体材料形成成型物品的足够流动性。
10.一种辐射检测器(10、20、30、40)，所述检测器包含光耦合于感光器(14)的权利要求1的中子闪烁体复合材料。
全文摘要
一种中子闪烁体复合材料(NSC)，其由中子闪烁体材料和粘合剂材料制成。粘合剂材料具有与中子闪烁体材料基本上相同的折射率。中子闪烁体材料和粘合剂材料混合成为固体或半固体中子闪烁体复合材料，其具有用于模塑成为成型物品比如辐射检测器(10、20、30、40)的中子敏感元件的足够流动性。中子闪烁体复合材料收集并引导光子通过材料本身并进入光耦合于该材料的光敏元件。因为中子闪烁体材料和粘合剂材料两者的折射率基本上相同，闪烁体-粘合剂界面的散射被最小化，从而产生接近单晶的透射效率。
文档编号C09K11/02GK102533246SQ20111036524
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者A·M·斯里瓦斯塔瓦, A·伊凡, B·A·克洛西尔 申请人:通用电气公司