Проект "Новое поколение неорганических сцинтилляционных материалов и детекторов на их основе для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне"

Зачем это нужно

Нейтроны, в сравнении с заряженными частицами и гамма-квантами, обладают большей проникающей способностью. При помощи регистрации нейтронного излучения могут быть обнаружены делящиеся вещества, в том числе – замаскированные радиационной защитой. Нейтронным излучением можно просвечивать массивные объекты. Методы, основанные на регистрации нейтронов, активно используются в интроскопии и геологии, в системах контроля безопасности и физических исследованиях.

В связи с бурным развитием и внедрением в индустрии источников высокоэнергетических нейтронов возрастает актуальность создания детекторов для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне. В отличие от тепловых нейтронов, которые в процессе модерации теряют направленность потока, нейтроны с более высокой энергией сохраняют эту информацию. Регистрация нейтронов с высокой кинетической энергией позволит повысить возможности активно развивающейся нейтронографии с применением таких источников, использовать направленность нейтронов при регистрации продуктов ядерных реакций в нейтронном каротаже скважин и поиске полезных ископаемых, а также при использовании активных методов инспекции взрывчатых и делящихся материалов.

Как мы пытаемся этого достичь

Регистрация нейтронов является одной из наиболее сложных в технике детектирования ионизирующего излучения, поскольку нейтроны эффективно взаимодействуют с ядрами лишь некоторых элементов, в частности, изотопами Li, В и редкоземельных элементов.

Неорганические сцинтилляторы, за счет возможности создать высокую концентрацию таких ядер, обеспечивают наиболее высокую эффективность детектирования нейтронов. Соединения Li или редкоземельных элементов обеспечивают более эффективное развитие сцинтилляций и являются предпочтительными. Известно несколько монокристаллических литий-содержащих сцинтилляторов, но они чрезвычайно гигроскопичны, сложны в производстве и дороги. Альтернативой являются монокристаллы на основе редкоземельных элементов или литий-силикатные стекла, которые демонстрируют достаточно высокий световыход при регистрации тепловых нейтронов и доступны на рынке.

Свойства стеклообразных сцинтилляторов могут быть существенно улучшены с использованием стеклокерамического подхода, состоящего в формировании в их объеме наноразмерных кристаллитов (ранее продемонстрировано командой проекта).

Наиболее трудно зарегистрировать высокоэнергетические нейтроны. Поскольку, в отличие от тепловых, их поток обладает направленностью, регистрация таких нейтронов позволит повысить возможности активно развивающейся нейтронографии, нейтронного каротажа для нефтеразведки, а также активных методов инспекции взрывчатых и делящихся материалов.

Целью проекта является разработка физико-химических основ создания нового поколения неорганических композиционных сцинтилляционных материалов для регистрации нейтронов широкого энергетического диапазона и технологических решений для будущего производства таких материалов и использующих их детекторов, а также отработка общей методологии разработки новых сцинтилляторов.

Идея проекта состоит в том, чтобы в одном композиционном (например, кристаллическом или стеклокерамическом) материале создать сочетание атомов с ядрами, вызывающими эффективное поглощение быстрых нейтронов с одновременной регистрацией продуктов взаимодействия в мягком диапазоне энергий.

Задачи проекта

• Разработка принципов создания сложных неорганических композиционных сцинтилляторов для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне.
• Разработка требований к чистоте сырья и методологии его подготовки.
• Ядерно-физическое моделирование детекторных свойств материалов-кандидатов.
• Разработка способов получения сложных неорганических композиций высокой однородности в различных типах материалов.
• Разработка принципов и методов управления валентным состоянием активаторных ионов в целевых системах.
• Проведение исследований взаимной зависимости в исследуемых материалах структуры, спектроскопических свойств и условий получения.
• Экспериментальные исследования детекторных свойств образцов.
• Изготовление экспериментальных образцов детекторных модулей и измерение их свойств.