Лаборатория люминесцентных и детекторных материалов

Научные результаты:

1. На протяжении проекта в рамках созданной концепции многоцелевых сцинтилляционных материалов проводились исследования по разработке способов управления их свойствами для регистрации нейтронов и апробация материалов в прототипах детекторов различных типов. Экспериментальной работе по получению образцов материалов и исследованию их свойств, как правило, предшествовала проработка идей путем ядерно-физического моделирования (главным образом, в GEANT4).

2. Основной группой изучаемых материалов стало семейство кристаллических сцинтилляторов на основе сложных оксидов со структурой граната. Важными преимуществами Gd в качестве поглотителя нейтронов являются высокое сечение захвата и отсутствие необходимости в изотопном обогащении. Были предложены принципы детектирования нейтронов различных энергий при помощи этих материалов, от тепловых до высокоэнергетических, учитывающие, с одной стороны, физику взаимодействия нейтронов с ядрами гадолиния – множественность гамма-квантов, испускаемых по реакции Gd(n,γ)Gd и наличие значительной доли мягких гамма-квантов и конверсионных электронов, и, с другой стороны, возможности, открываемые характеристиками материалов данного семейства – быстрой кинетикой высвечивания в пределах 100 нс и высоким световыходом до ~50 тыс.фот./МэВ. Эти принципы нашли отражение в предложенных решениях для создания прототипов детекторов.

3. Исследования данной группы материалов были сфокусированы на установлении возможностей повышения световыхода сцинтилляций и ускорения кинетики высвечивания. Было установлено оптимальное соотношение Gd и Y в сцинтилляторах с матрицей (Gd,Y)₃Ga₃Al₂O₁₂ для достижения наиболее высокого выхода сцинтилляций. Для поликристаллического сцинтиллятора Gd₃Ga₃Al₂O₁₂:Ce³⁺ было установлено обогащение границ зерен активатором, и показано, что такое обогащение приводит к повышению интенсивности люминесценции на границах зерен. Были получены образцы керамики (Gd,Y)₃Ga₃Al₂O₁₂:Tb³⁺, для которых был измерен беспрецедентно высокий световыход сцинтилляций, близкий к теоретически достижимому максимуму для этого семейства материалов. Несмотря на медленную кинетику высвечивания, для некоторых применений такой материал может оказаться чрезвычайно интересен, например, для детекторов для нейтронной радиографии с временем накопления кадра, измеряемым секундами или минутами. Кроме того, была установлена высокая радиационная стойкость кристаллических материалов на основе оксидов со структурой граната в потоках протонов высоких энергий вплоть до флюенса ~10¹⁵ частиц/см², что эквивалентно потоку нейтральных частиц ~10¹⁷ частиц/см². В последний год в результате целенаправленной оптимизации состава на основании ранее установленных закономерностей получены образцы полупрозрачной и прозрачной композиционно-разупорядоченной керамики со структурой граната (Gd,Y,Lu)₃Al₂Ga₃O₁₂, с основной компонентой кинетики высвечивания менее 15 нс при световыходе более 35 тыс.фот./МэВ что является результатом на переднем крае развития данной области.

4. Не менее важной группой материалов были сцинтилляционные стекла. Отправной точкой являлись классические для нейтронной регистрации стекла на основе системы Li₂O‑SiO₂, активированные Ce³⁺. От первоначальной идеи дополнительной модерации нейтронов за счет добавления в стекла бериллия по результатам исследований было решено отказаться. Были проведены исследования по стабилизации активатора в требуемой степени окисления Ce³⁺ и предложена оригинальная методика получения стекол с характеристиками, превышающими таковые у коммерческих образцов. Также были получены Tb‑активированные Li₂O-SiO₂ стекла, обладающие чрезвычайно высоким для стекол световыходом до 30 тыс.фот./МэВ (что и привело к идее получения Tb‑активированной керамики на основе оксидов со структурой граната).

5. Кроме того, велись поиски новых потенциально перспективных составов сцинтилляционных стекол. Интересные результаты были получены для стекол в системе Gd₂O₃-BaO-SiO₂:Ce, для которых была разработана лабораторная методика получения образцов в форме пластин с площадью несколько квадратных сантиметров, и созданных на их основе и обладающих быстрой кинетикой высвечивания стекол Gd₂O₃-Al₂O₃-SiO₂:Ce, которые могут рассматриваться не только и не столько для регистрации нейтронов, сколько для детекторов большого объема в экспериментах по физике высоких энергий.

6. Наряду с материалами в форме керамики и стекла в рамках проекта развито направление экранов на основе сцинтилляционных порошковых пигментов. Были продемонстрированы детекторные характеристики экранов на основе пигментов GYAGG:Ce, которые незначительно уступают классическим экранам на основе ZnS:Ag в светимости, но обладают не меньшей детекторной эффективностью и значительно более быстрой кинетикой высвечивания (получен патент НИЦ «КИ» RU 2781041). Была отработана методика получения экранов на основе различных пигментов. Скрининг потенциальных сцинтилляционных пигментов среди Li-содержащих сцинтилляторов с легкой матрицей привел к выявлению люминесцентного соединения Li₂CaSiO₄:Eu²⁺, которое ранее не предлагалось использовать в качестве сцинтиллятора, в частности – для регистрации нейтронов.

7. В ходе работы были созданы прототипы детекторов нейтронов на основе исследуемых материалов (GAGG, GYAGG, Li стекла) и современной элементной базы, в том числе – кремниевых фотоумножителей (SiPM) в качестве фотоприемников. Продемонстрирована работоспособность детекторов. Для снижения чувствительности к мягкой части гамма-фона было использовано экранирование, снижение толщины детекторного элемента и амплитудная дискриминация импульсов. Промоделированная множественность гамма-квантов, испускаемых по реакции Gd(n,γ)Gd, привела к идее использования многопиксельных детекторов для регистрации нейтронов для улучшенной дискриминации фоновых событий. Также использование принципа совпадений в комбинации с использованием быстрой кинетики высвечивания сцинтиллятора со структурой граната привело к идее создания сегментированного детектора антинейтрино с множественными вето для отбора комбинаций сигналов, обусловленных взаимодействием в протонной мишени, окружающей сцинтилляционные элементы. Прототип ячейки такого детектора был смоделирован и сконструирован для проведения тестов с различными видами считывания сигналов сцинтилляций.

8. Быстрая кинетика высвечивания Ce-активированных сцинтилляторов сделала логичным изучение возможности использования времяпролетного принципа для спектроскопии нейтронов. Первые эксперименты показали, что использование детекторов нейтронов на основе таких сцинтилляторов, как GAGG:Ce, позволяет реализовать времяпролетные измерения, причем по имеющимся оценкам это должно позволить использовать пролетную базу длиной менее 5 м (вплоть до 0,5 м), что значительно меньше размеров используемых сейчас аналогичных установок. Это может заметно упростить сборку и функционирование времяпролетных нейтронных спектрометров.

Внедрение результатов исследования:

В данный момент проводятся испытания полученных материалов в прототипах детекторов для различных применений – для оборудования синхротронных станций, для регистрации нейтронов, нейтрино и высокоэнергетических частиц в физике высоких энергий. В случае успеха станет возможно применение разработанных материалов в этих областях.

Образование и переподготовка кадров:

• Защиты: 2 кандидатских диссертации, 7 выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров.
• Сотрудники лаборатории проходили стажировку в домашней лаборатории ведущего ученого.
  

Организационные и инфраструктурные преобразования:

При деятельном участии ведущего ученого в 2021 году подписана дорожная карта по сотрудничеству НИЦ «Курчатовский институт» и Национальной академии наук Республики Беларусь до 2030 г., а в 2022 г. создано Представительство НИЦ «Курчатовский институт» на территории Республики Беларусь, в рамках которого предполагаются исследования по направлениям компетенций лаборатории при участии сотрудников лаборатории.

Сотрудничество:

• Европейский центр ядерных исследований ЦЕРН: сотрудники лаборатории являются участниками Crystal Clear Collaboration – коллаборации, занимающейся исследованиями сцинтилляторов для фундаментальных физических экспериментов на Большом адронном коллайдере.
• МГУ имени М.В. Ломоносова: сотрудники лаборатории являются исполнителями совместного исследовательского проекта в рамках ФНТП развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 – 2027 годы по теме «Развитие синхротронных и нейтронных исследований и инфраструктуры для материалов энергетики нового поколения и безопасного захоронения радиоактивных отходов».
• Уральский Федеральный Университет им. Б.Н. Ельцина: совместные задельные исследования в области исследования физических свойств сцинтилляторов.