Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
14.W03.31.0004
Период реализации проекта
2017-2021

По данным на 01.11.2022

7
Количество специалистов
35
научных публикаций
4
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Работа ученых лаборатории направлена на исследования и создание новых люминесцентных материалов, в первую очередь – сцинтилляторов, и способов их получения. Сцинтилляторы – материалы, которые люминесцируют при взаимодействии с ионизирующим излучением и благодаря этому эффекту используются для регистрации этих излучений. Такие материалы применяются в оборудовании для медицинской визуализации (рентгеновская компьютерная томография, ПЭТ), в системах дистанционного досмотра багажа или транспорта, в исследовательском оборудовании, в том числе – в детекторных установках на ускорителях частиц, например – на Большом адронном коллайдере. Развитие этих материалов позволяет улучшить характеристики использующего их оборудования и повысить его доступность.

Название проекта: Новое поколение неорганических сцинтилляционных материалов и детекторов на их основе для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне

Цели и задачи

Направления исследований: Новые люминесцентные материалы, в том числе для детекторов ионизирующих излучений
Цель проекта: Разработка физико-химических основ создания нового поколения неорганических сцинтилляционных материалов для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне, технологических решений для будущего производства таких материалов и использующих их детекторов на основе современной элементной базы; совершенствование методологии разработки новых сцинтилляционных и люминесцентных материалов

Практическое значение исследования

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.


Скрыть Показать полностью
I. Komendo, A. Bondarev, A. Fedorov, G. Dosovitskiy, V. Gurinovich, D. Kazlou, V. Kozhemyakin, V. Mechinsky, A. Mikhlin, V. Retivov, V. Shukin, A. Timochenko, M. Murashev, A. Zharova, M. Korzhik.
New scintillator 6Li2CaSiO4:Eu2+ for neutron sensitive screens. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 1045, 2022, p. 167637. DOI https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.167637
M. Korzhik, V. Retivov, A. Bondarau, G. Dosovitskiy, V. Dubov, I. Kamenskikh, P. Karpuk, D. Kuznetsova, V. Smyslova, V. Mechinsky, V. Pustovarov, D. Tavrunov, E. Tishchenko, A. Vasil’ev.
Role of the dilution of the Gd sublattice in forming the scintillation properties of quaternary (Gd,Lu)3Al2Ga3O12:Ce ceramics. Crystals 12(9), 2022, p. 1196. DOI https://doi.org/10.3390/cryst12091196
M. Korzhik, R. Abashev, A. Fedorov, G. Dosovitskiy, E. Gordienko, I. Kamenskikh, D. Kazlou, D. Kuznecova, V. Mechinsky, V. Pustovarov, V. Retivov, A. Vasil'ev
Towards effective indirect radioisotope energy converters with bright and radiation hard scintillators of (Gd,Y)3Al2Ga3O12 family. Nuclear Engineering and Technology 54(7), 2022, pp. 2579-2585. DOI: https://doi.org/10.1016/j.net.2022.02.007
A. Amelina, A. Mikhlin, S. Belus, A. Bondarev, A. Borisevich, D. Kuznetsova, I. Komrotov, V. Mechinsky, D. Kozlov, P. Volkov, G. Dosovitskiy, M. Korzhik
(Gd,Ce)2O3-Al2O3-SiO2 scintillation glass. Journal of Non-Crystalline Solids 580, 2022, p. 121393. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121393
G. Dosovitskiy, V. Dubov, P. Karpyuk, P. Volkov, G. Tamulaitis, A. Borisevich, A. Vaitkevičius, K. Prikhodko, L. Kutuzov, R. Svetogorov, A. Veligzhanin, M. Korzhik.
Activator segregation and micro-luminescence properties in GAGG:Ce ceramics. Journal of Luminescence 236, 2021, p. 118140. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118140
M. Korzhik, A. Borisevich, A. Fedorov, E. Gordienko, P. Karpyuk, V. Dubov, P. Sokolov, A. Mikhlin, G. Dosovitskiy, V. Mechninsky, D. Kozlov, V. Uglov
The scintillation mechanisms in Ce and Tb doped (GdxY1-x)Al2Ga3O12 quaternary garnet structure crystalline ceramics. Journal of Luminescence 234, 2021, p. 117933. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.117933
M. Korzhik, V. Alenkov, O. Buzanov, G. Dosovitskiy, A. Fedorov, D. Kozlov, V. Mechinsky, S. Nargelas, G. Tamulaitis, A. Vaitkevičius
Engineering of a new single-crystal multi-ionic fast and high-light-yield scintillation material (Gd0.5Y0.5)3Al2Ga3O12:Ce,Mg. CrystEngComm 22(14), 2020, pp. 2502-2506. DOI: https://doi.org/10.1039/D0CE00105H
V. Alenkov, O. Buzanov, G. Dosovitskiy, V. Egorychev, A. Fedorov, A. Golutvin, Yu. Guz, R. Jacobsson, M. Korjik, D. Kozlov, V. Mechinsky, A. Schopper, A. Semennikov, P. Shatalov, E. Shmanin.
Irradiation studies of a multi-doped Gd3Al2Ga3O12 scintillator. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 916, 2019, p. 226. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.101
M. Korzhik, K.-T. Brinkmann, G. Dosovitskiy, V. Dormenev, A. Fedorov, D. Kozlov, V. Mechinsky, H.-G. Zaunick
Compact and effective detector of the fast neutrons on a base of Ce doped Gd3Al2Ga3O12 scintillation crystal. IEEE Transactions on Nuclear Science 66(1), 2019, pp. 536-540. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2018.2888495
Y. Tratsiak, A. Fedorov, G. Dosovitsky, O. Akimova, E. Gordienko, M. Korjik, V. Mechinsky, E. Trusova
Scintillation efficiency of binary Li2O-2SiO2 glass doped with Ce3+ and Tb3+ ions. Journal of Alloys and Compounds 735, 2018, pp. 2219 2224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.386
Фотоальбомы
Четверг , 26.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория ультра широкозонных полупроводников

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» - (НИТУ МИСиС)

Технологии материалов

Москва

Кузнецов Андрей Юрьевич

Швеция

2022-2024

Лаборатория ионоселективных мембран

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова - (МГУ)

Технологии материалов

Москва

Амедюри Брюно Мишель

Франция

2022-2024

Лаборатория нейроэлектроники и мемристивных наноматериалов

Южный федеральный университет - (ЮФУ)

Технологии материалов

Таганрог

Пак Бэ Хо

Корея

2022-2024