Проект "Исследование конверсионных материалов для микро-ядерно-энергетических устройств (М-Я-Э) и радиационно-стойких детекторных материалов с быстрым откликом"

Зачем это нужно

Сцинтилляционные материалы, способные к преобразованию ионизирующего излучения в видимый свет, имеют различные области применения. При этом в зависимости от конкретной области применения могут меняться и требования к характеристикам материала. Так для использования в непрямых преобразователях ионизирующего излучения в ток (изотопо-вольтаика, М-Я-Э) важно, чтобы сцинтилляторов испускал большое количества света на единицу энергии поглощённого излучения, то есть имел высокий световыход. В свою очередь высокое временное разрешение важное для наиболее совершенных приборов медицинской визуализации (таких как ПЭТ-сканеры) может быть достигнуто при использовании сцинтилляционных материалов с высокой скоростью высвечивания сцинтилляционных вспышек, иначе говоря – малым временем затухания сцинтилляции. А для увеличения сроков эксплуатации в обоих случаях важно, чтобы материал детектора обладал высокой радиационной стойкостью.

Перспективным семейством материалов, обладающих совокупностью всех необходимых свойств, являются соединения гранатов, активированные редкоземельными элементами. При этом варьирование состава матрицы и типа атомов-активаторов позволяет изменять функциональные свойства материала в широких пределах.

Как мы пытаемся этого достичь

Одной из наиболее распространённых форм неорганических сцинтилляторов является монокристалл. Однако, данная форма в значительной степени ограничивает возможность варьирования состава материала, а выращивание монокристаллов представляет собой дорогостоящий и трудозатратный процесс. В свою очередь поликристаллическая форма (керамика) позволяет в более широких пределах менять состав матрицы, а также повышать степень допирования атомами-активаторами. Благодаря кубической сингонии кристаллической решётки керамика на основе граната может быть получена с высокой степенью оптической прозрачности, так как отдельные зёрна керамики не имеют предпочтительной ориентации, что немаловажно, потому как непрозрачный сцинтиллятор может значительно терять в эффективности за счёт поглощения и рассеяния испускаемого им самим света.

Многокомпонентные соединения общего состава (Gd,Y)3(Al,Ga)5O12, активированные ионами Ce3+ (GYAGG:Ce), демонстрируют комбинацию высокого световыхода (до 60 фотонов/КэВ) и быстрой кинетики высвечивания сцинтилляции (50 – 60 нс), а также высокую плотность (значение зависит от конкретного соотношения компонентов) и радиационную стойкость. Это делает их универсальным «усреднённым» вариантом сцинтиллятора на основе граната.

При дальнейшем усложнении состава возможно улучшение конкретного свойства. Так при внедрении в состав GYAGG:Ce ионов Tb3+ или Lu3+ происходит значительное увеличение световыхода при некотором замедлении кинетики высвечивания, что может быть использовано в области М-Я-Э или для изготовления экранов, визуализирующих высокоэнергетическое излучение, так как в данных областях важна в первую очередь яркость высвечивания. Добавление ионов Yb3+ или Mg2+ могут значительно повысить скорость высвечивания сцинтилляции (вплоть до 1 нс), но со снижением световыхода. Стоит также отметить, что добавление иттербия позволяет повышать радиационную стойкость за счёт смещения спектра излучения в ИК-область, менее чувствительной к радиационным повреждениям.

Получение прозрачной керамики является сложным и комплексным процессом. Достижение высокой оптической прозрачности возможно при оптимизации процесса синтеза исходного соединения, компактирования исходной заготовки и условий спекания керамик (подбор температуры и атмосферы).

Основная цель проекта заключается в исследовании закономерностей изменения характеристик керамических сцинтилляторов на основе гранатов в зависимости от соотношения основных компонентов, а также природы и концентрации допирующих элементов, с последующим изготовлением прототипов детекторов на их основе.

Задачи проекта

Исследование зависимости характеристик сцинтилляционной керамики в зависимости от состава.
Выбор состава с наибольшим световыходом для использования в области изотопо-вольтаических элементов.
Выбор состава с наиболее быстрой кинетикой высвечивания сцинтилляции для областей медицинской визуализации и детекторов ионизирующего излучения.
Разработка методики получения керамического материала высокой оптической прозрачности.
Разработка методики получения планарных сцинтилляционных элементов заданной толщины.
Изготовление прототипа микро-ядерно-энергетического элемента на основе сцинтилляционной керамики.
Изготовление прототипа детектора ионизирующего излучения для различных областей применения.