Лаборатория люминесцентных и детекторных материалов

Научные результаты:

• Методами ядерно-физического моделирования установлено, что материалы, содержащие ионы Gd, Y, Li, B, Be, являются оптимальными для создания сцинтилляторов для детектирования нейтронов в широком диапазоне энергий путем регистрации продуктов взаимодействия в виде заряженных частиц и низкоэнергетических гамма-квантов.
• Экспериментально доказано, что бинарные системы на основе кремния и элементов второй группы при их активации ионами церия не обладают высоким выходом сцинтилляций. Внесение в композицию стекол ионов гадолиния увеличивает выход сцинтилляций, даже в системах на основе кальция, имеющих выход, близкий к нулю, однако не позволяет радикально увеличить его значение. Это обусловлено тем, что в стекле только некоторая доля ионов Се, для которой имеются благоприятные условия захвата свободных носителей заряда, приводит к сцинтилляциям. В этом контексте кристаллические системы, как обеспечивающие наибольший выход сцинтилляций, также становятся предметом дальнейших исследований.
• Продемонстрировано, что использование ионов Tb³⁺ в качестве активаторных ионов в бинарных системах позволяет увеличить выход сцинтилляций до 30000 фот/МэВ, что обусловлено спецификой возбуждения f-f излучательных переходов в разупорядоченных системах.
• Экспериментально установлена стабильность силикатных литий- бериллиевых стекол с содержанием бериллия в стекле до 20 мол.% при одновременном легировании стекла ионами церия. Выход сцинтилляций такого стекла составляет до 4000 фот/нейтрон, однако, как показывает моделирование, содержание бериллия в силикатном стекле должно быть по крайней мере в два раза больше для эффективной модерации нейтронов. Увеличение содержания бериллия приводит к ликвации расплава стекла.
• Выполнено численное моделирование прохождения нейтронов через вещества с различными композициями, эффективности их регистрации и спектров продуктов взаимодействия с помощью программного пакета GEANT4. Установлено хорошее совпадение результатов моделирования как с экспериментальными результатами регистрации нейтронов Am-Be источника разрабатываемыми сцинтилляторами, так и с результатами, полученными с помощью других программных пакетов.
• Путем моделирования и дальнейшего измерения нейтронов с помощью сцинтиллятора Gd₃Al₂Ga₃O₁₂:Ce установлено наличие в спектрах продуктов взаимодействия нейтронов с ядрами гадолиния интенсивных линий гамма-квантов с энергиями 90, 190 и 511 кэВ, амплитуды которых зависят от энергии нейтронов. Полученные результаты сравнения рассчитанных и измеренных спектров мягких гамма-квантов позволили предложить для патентования новый метод и устройство регистрации нейтронов на основе гадолиний-содержащего сцинтилляционного материала.
• Аналогичные детекторные характеристики продемонстрированы для керамических материалов близких составов.
• Успешно апробирован набор способов очистки соединений лития от различных примесей до достаточной степени чистоты. Показано, что извлечение лития из отходов и брака возможно, но оно становится целесообразным при повышении объемов перерабатываемого материала до нескольких килограммов.
• В печах с нагревом на основе газовой горелки и резистивным нагревом получены образцы, не уступающие по характеристикам коммерчески доступным сцинтилляторам аналогичного состава.
• На примере бинарных стекол в системах Сa-Si, Sr-Si, Ba-Si, Li-Si установлено, что повторное переплавление стекла в воздушной атмосфере приводит к смещению баланса зарядовых состояний в парах Ce³⁺ / Ce⁴⁺ и Tb³⁺ / Tb⁴⁺ в сторону четырехвалентных. Использование активированной фритты для изготовления стекол, таким образом, не продемонстрировало очевидных технологических преимуществ над варкой стекла из шихты.
• Продемонстрированы характеристики материалов на основе сложных оксидов со структурой граната, позволяющие их рассматривать для регистрации нейтронов в ускорительных установках – высокая радиационная стойкость и возможность получения малого времени временных совпадений.

Внедрение результатов исследования:

• Разрабатываемые материалы и детекторные модули могут быть использованы в исследовательском оборудовании, оборудовании для нейтронографии, оборудовании для контроля за распространением делящихся материалов. В данный момент проект находится на исследовательской стадии, разработка готовых для внедрения решений не предусмотрена.

Образование и переподготовка кадров:

•   В составе научного коллектива 4 аспиранта выполняют работы по направлению проекта – в области технологии люминесцентных материалов и материалов для оптики.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

• В рамках выполнения проекта в лаборатории создается измерительная база для исследования сцинтилляционных характеристик.

Другие результаты:

• Заявка на патент РФ: RU 2017141977. Способ регистрации нейтронов и устройство для его осуществления. Коржик Михаил Васильевич, Федоров Андрей Анатольевич, Мечинский Виталий Александрович, Досовицкий Алексей Ефимович, Досовицкий Георгий Алексеевич. Дата приоритета 01.12.2017.
  

Сотрудничество:

• НИИ ядерных проблем БГУ (Беларусь): совместные исследования ускорения процессов измерений разрабатываемых материалов, публикации по теме и научные мероприятия

• Crystal Clear Collaboration (RD18), ЦЕРН (Швейцария): использование инфраструктуры ЦЕРНа и участников коллаборации для проведения измерений и поиска пользователей разрабатываемых материалов для создания экспериментальных установок на ускорителях

• Гисенский университет имени Юстуса Либиха (Германия): совместные исследования и публикации, использование инфраструктуры университета в рамках сотрудничества для проведения измерений с источниками нейтронов различных энергий