Ученые создали новый материал для детекторов ионизирующего излучения

Ученые НИЦ "Курчатовский институт" совместно с коллегами из Института ядерных проблем БГУ (Минск) предложили новый материал для детекторов ионизирующего излучения. Такие детекторы применяются в самом разнообразном оборудовании — от медицинской техники до экспериментальных установок для физики высоких энергий. Созданное исследователями стекло с повышенным содержанием атомов редкоземельных металлов — гадолиния и церия, — обладая достоинствами ранее полученного барий-гадолиний-силикатного стекла, способно реагировать на излучение значительно быстрее. Статья опубликована в Journal of Non-Crystalline Solids.

Одна из важных проблем, которые возникают в физике высоких энергий, — необходимость измерить энергию испускаемых в процессе эксперимента частиц. Для этого используются специальные материалы — сцинтилляторы.

Сцинтилляцией (от лат. scintillatio — "мерцание") называется способность материала испускать свет в ответ на воздействие ионизирующего излучения, причем количество испущенных фотонов будет пропорционально поглощенной энергии. Яркость возникшей вспышки можно измерить с помощью детектора светового излучения, например фотоэлектронного умножителя.

Сцинтилляторы бывают разных типов в зависимости от вещества, из которого они сделаны. Часто в этом качестве используются неорганические монокристаллы. Они обладают необходимыми характеристиками: большой плотностью, что обеспечивает высокую эффективность поглощения излучения, и высоким световыходом, то есть испускают при вспышке большое количество фотонов. Однако вырастить монокристаллы больших размеров сложно и дорого. Кроме того, некоторые из них гигроскопичны: их свойства деградируют при поглощении водяного пара из воздуха. Этих недостатков лишены сцинтилляционные стекла. В частности, хорошо зарекомендовал себя барий-гадолиний-силикатный состав, выбранный авторами исследования в качестве эталона. Благодаря более производительной технологии можно относительно недорого получать большие объемы материала.

Еще одна важная характеристика сцинтилляторов — время высвечивания. Этот параметр показывает, насколько быстро после попадания кванта излучения погасла вспышка (обычно в сцинтилляторах это занимает от десятков наносекунд до единиц микросекунд). "От времени высвечивания зависят два взаимосвязанных параметра: временное разрешение детектора и скорость счета, — поясняет Георгий Досовицкий, ведущий научный сотрудник Института химических реактивов и особо чистых химических веществ НИЦ "Курчатовский институт". — Временное разрешение детектора зависит, прежде всего, от возможности зарегистрировать начало вспышки, а скорость счета — именно от времени затухания (высвечивания), так как, пока не погасла предыдущая вспышка, нельзя регистрировать следующую".

Предложенный учеными новый состав сцинтилляционного стекла обладает существенно меньшим временем высвечивания по сравнению с другими материалами этого типа.

Чтобы добиться такого результата, ученые максимально увеличили количество оксидов гадолиния (Gd) и церия (Ce) в составе стекла. Однако эти добавки повышают температуру плавления смеси, поэтому часть оксида кремния — основного компонента стекла — заменили на оксид алюминия. Благодаря этому сохранилась возможность расплавить исходный порошкообразный материал в стандартной печи (температура до 1500 oС). Чтобы уменьшить время плавления, в состав был добавлен фторид алюминия. В итоге было получено 6 прозрачных и однородных образцов стекла, где содержание атомов церия возрастало от 1,32 до 5,81 ат.% (атомный процент — относительное число атомов элемента в соединении), а общая концентрация атомов церия и гадолиния составила около 39 ат.%. 

По сравнению с барий-гадолиний-силикатным стеклом среднее время высвечивания уменьшилось в 4 раза и заняло примерно 60 наносекунд. Световыход составил порядка 2000 фотонов на мегаэлектронвольт, что является хорошим показателем для стекол. Плотность материала — около 4,5 г/см3, и это достаточно высокое значение для того, чтобы он мог применяться в детекторах большого объема.

Кроме того, ученые обнаружили интересную закономерность, обеспечившую высокие функциональные характеристики материала.

"Атомы церия добавляют в состав стекол в качестве активаторов: на них передается энергия поглощенного ионизирующего излучения, и происходит испускание фотонов видимого света. Но если их слишком много, яркость сцинтилляции может снижаться. Этот процесс называется концентрационным тушением, — рассказывает Георгий Досовицкий. — В нашем случае снижения световыхода с ростом концентрации церия в стекле не произошло. Это может быть связано с тем, что в неупорядоченной структуре стекла ионы церия могут иметь разное окружение из остальных атомов, входящих в состав стекла, и из-за этого часть из них не участвует в процессе сцинтилляции".

В дальнейшем ученые планируют изучить возможность управления локальным окружением ионов Ce в стекле, воздействуя таким образом на характеристики материала.