Материалы предназначены для регистрации доз радиационного облучения
Физики Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) разработали материалы для регистрации доз радиационного облучения в различных диапазонах. Они установили, что наиболее выраженными характеристиками, подходящими для изготовления детекторов, в сравнении с другими веществами обладают натрий и лантан. Отчеты о проведенной работе опубликованы в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Конечная цель ученых — создание прикладного дозиметрического комплекса с набором детекторов.
Традиционно в качестве базового вещества для получения детекторов использовали выращенный из расплава монокристалл оксида алюминия, Al2O3. Данное соединение обладает высокой чувствительностью и с высокой точностью регистрирует ионизирующее излучение в широком диапазоне низких доз, до 4–10 грей (диапазон доз, смертельно опасных для человека, в силу этого монокристалл Al2O3 можно использовать для персональной дозиметрии и мониторинга окружающей среды).
Затем в качестве исходного вещества стали применять керамики на основе наноструктурного порошка оксида алюминия, поскольку он обладает более высокой радиационной стойкостью. В течение последних двух лет ученые УрФУ последовательно допировали порошок оксида алюминия разными металлами — магнием, марганцем, никелем, хромом, а на последнем этапе — лантаном и натрием.
«С помощью допирования мы создаем новые структуры или замещаем атомы алюминия, а за счет спекания в вакууме до 1600 оС формируем дефицит по кислороду — так образуются дефектные структуры. Чем больше дефектов, тем лучше: это вакансии, ловушки, которые захватывают электроны при облучении материала потоком ионизирующих частиц. Последующий постепенный нагрев приводит к тому, что электроны приобретают энергию и отрываются, вылетают из ловушки. Мы регистрируем их и таким образом определяем дозу облучения», — объясняет руководитель исследовательской группы, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества физико-технологического института УрФУ Сергей Звонарев.
За счет нагрева при освобождении ловушки или переходе электронов между энергетическими уровнями происходит выделение квантов света, свечение разных длин волн — зеленое, синее или красное, в зависимости от того, какой дефект заполняется и освобождается. Такое явление называется термолюминесценцией. Задача — меняя различные параметры синтеза (концентрацию примесей, температуру и атмосферу отжига — вакуума или воздуха), получить такой материал, который дает наиболее интенсивную люминесценцию.
По словам Сергея Звонарева, к примеру, допирование магнием и хромом приводит к существенному росту люминесценции, в то время как примеси никеля и марганца дают обратный результат. Керамики с хромом имеют наибольшую интенсивность люминесценции для пиков в области высоких температур, а с лантаном и натрием — в области низких и средних температур, соответственно.
«Это значит, что при применении хрома в качестве допанта температура нагрева керамики должна быть гораздо выше, это ведет к усложнению и удорожанию технологии и дозиметрических приборов. Использование натрия или лантана экономичнее, при этом диапазон доз ионизирующего излучения значительно шире, чем у беспримесного Al2O3, а интенсивность люминесценции, по сравнению с другими допантами, больше чем на порядок. Однозначное усиление интенсивности люминесценции происходит при увеличении концентрации и температуры спекания примеси», — поясняет Сергей Звонарев.
С развитием науки и технологий источники и дозы ионизирующего излучения становятся сильнее, появляется потребность в детекторах, способных регистрировать и контролировать дозы мощностью до 100 и даже 1000 грей. Например, в области ядерной медицины, при стерилизации медицинских изделий, дезинфекции пищевых упаковок, сшивке полимеров. Недостаточная доза облучения не обеспечит необходимого эффекта, чрезмерная доза замедлит процесс: ведь чем слабее пучок ионизирующих частиц, тем дольше накапливается доза. Решая эту проблему, исследователи из группы Сергея Звонарева создали допированные керамики для регистрации дозы в диапазоне от 10-1 до 300 грей.
Детекторы на основе керамик оксида алюминия представляют собой «таблетки» — диски диаметром 10 мм, которые вставляются в дозиметры и вместе с ними устанавливаются в зоне действия источника облучения. Данные детекторы, основанные на методе термолюминесценции, пригодны для многоразового использования: после регистрации дозы и снятия показателей детектор подвергается высокотемпературному отжигу, «обнуляется» и снова готов для дальнейшего применения.
Следующие стадии проекта — промышленное тестирование детекторов и прототипа прикладного дозиметрического комплекса на их основе и запуск в серийное производство.
Отметим, исследование «Многостадийный синтез и люминесцентные свойства оксидных систем с кластерными дефектами» поддержал Российский научный фонд в рамках Президентской программы поддержки исследовательских проектов, реализуемых ведущими, в том числе молодыми, учеными и под их руководством.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных университетских игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».
