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

Приглашенный ученый Коржик Михаил Васильевич Беларусь
Номер договора
14.W03.31.0004
Период реализации проекта
2017-2021

По данным на 15.02.2021

11
Количество специалистов
21
научных публикаций
2
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

Приоритет СНТР: в, д, а, ж

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:

  • 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.
  • Предложен новый в области регистрации нейтронов тип материалов – сцинтилляторы на основе кристаллических оксидов со структурой граната (Gd,Y)3(Ga,Al)5O12:Ce. Предложена оригинальная схема детектирования нейтронов использованием этого материала (запатентована НИЦ «Курчатовский институт») и созданы прототипы детекторов, демонстрирующих работоспособность концепции. Кроме того, исследованы особенности физики и химии этого класса материалов, получены материалы с конкурентоспособными детекторными свойствами. Продемонстрирован потенциал данного материала для создания времяпролетных детекторов нейтронов на короткой базе. Предложена и запатентована принципиальная конструкция детектора антинейтрино с использованием преимуществ исследуемых материалов.

  • Разработаны методики получения и получены лабораторные образцы сцинтилляционных стекол: Li2O-SiO2:Ce – классического материала для регистрации тепловых нейтронов – с характеристиками, не уступающими известным из литературы; Li2O-SiO2:Tb – сцинтиллятор для регистрации тепловых нейтронов с высоким световыходом; BaO-Gd2O3-SiO2:Ce – перспективного сцинтиллятора для детекторов с большим объемом. 

  • Разработана методика получения и получены образцы экранов на основе сцинтилляционных пигментов, сочетающие эффективность поглощения классических экранов на основе Gd2O2S:Tb с высокой скоростью высвечивания и возможностью работы в счетной режиме.

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.
  • Прототип компактного универсального детекторного блока амплитудного детектора, адаптированного для регистрации нейтронов в режиме счета частиц. Создавался для регистрации нейтронов, но заменой элемента детекторного материала и модификацией экранирования для подавления фона может быть адаптирован для регистрации других типов излучений. В настоящее время проводится апробация и поиск ниш для применений.

  • Прототип компактного универсального детекторного блока временного детектора, адаптированного для регистрации нейтронов. Создавался для регистрации нейтронов, но заменой детекторного материала и модификацией радиационного экранирования может быть адаптирован для регистрации других типов излучений. В настоящее время проводится апробация и поиск ниш для применений.

  • Прототип секции детектора антинейтрино. Разработана оригинальная схема работы (защищена патентом), конструкция, в настоящий момент проводится прототипирование. В случае успешных испытаний детектор может стать ценным исследовательским инструментом, также на его основе могут быть созданы дистанционные системы контроля ядерных реакторов, интерес к которым в мире сейчас возрастает.

Образование и переподготовка кадров:

  • В 2020 г. сотрудником лаборатории защищена диссертация на соискание степени кандидата химических наук по тематике работы лаборатории.
  • Сотрудники лаборатории неоднократно проходили научные школы, профессиональные стажировки, курсы повышения квалификации.

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:

  • Crystal Clear Collaboration (RD18), ЦЕРН, Швейцария: коллаборация координирует и проводит междисциплинарные исследования детекторных материалов и методов детектирования, в т.ч. занимается координацией исследований и разработок для выбора материалов для экспериментов на Большом Адронном Коллайдере и будущих циркулярных коллайдерах в ЦЕРНе. Совместные исследования на площадке ЦЕРН, в т.ч. по радиационной стойкости материалов и на ускорительном источнике нейтронов, а также совместные исследования с другими участниками коллаборации. Опубликовано 5 совместных статей.

  • Институт Ядерных Проблем Белорусского Государственного Университета, Республика Беларусь: совместные исследования с домашним институтом ведущего ученого. Опубликовано более 10 совместных публикаций.

  • Институт Фотоники и Нанотехнологий, Вильнюсский Университет, Литва: совместные исследования по измерению динамики быстрых процессов при люминесценции и локальных люминесцентных свойств материалов. Опубликовано 5 совместных статей. Ведущим ученым выпущена монография в соавторстве с профессором Института фотоники и нанотехнологий.

  • 2-й Физический Институт Университета Гисена, Германия: совместные исследования по измерениям на источнике нейтронов института. Опубликовано 4 совместных статьи.

  • Технический Университет Дармштадта, Германия: развивается сотрудничество по исследованию свойств разрабатываемых материалов в качестве мониторов пучков на ускорителях Института тяжелых ионов GSI (Дармштадт). Подан совместный грант РНФ – DFG.

  • Кафедра экспериментальной физики, Уральский Федеральный Университет, Россия: совместные исследования по измерениям радиолюминесценции и катодолюминесценции разрабатываемых материалов. Проведены первые серии измерений.

  • НПУП «Атомтех», Республика Беларусь: совместные исследования по измерениям на сертифицированном нейтронном измерительном стенде, которым располагает организация. Опубликована совместная статья.

  • НИИ Ядерной Физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия: совместные исследования в области разработки сцинтилляторов с высоким временным разрешением, а также применением разрабатываемых материалов и способов детектирования в космических измерениях. – Ведущим ученым выпущена монография в соавторстве с профессором НИИЯФ МГУ. Выпущена совместная статья. Сформирована программа исследований для совместного проекта.

  • Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия: 3 студента прошли производственную практику по тематикам работы лаборатории.

  • РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия: проведение практики и руководство дипломными работами студентов. – 3 студента защитили дипломы (на «отлично») по тематикам работы лаборатории.

Скрыть Показать полностью
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. 2018, February (735).
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. 2019, January (66, 1).
Y. Tratsiak, M. Korzhik, A. Fedorov, G. Dosovitsky, O. Akimova, S. Belus, M. Fasoli, A. Vedda, V. Mechinsky, E. Trusova
On the stabilization of Ce, Tb, and Eu ions with different oxidation states in silica-based glasses. Journal of Alloys and Compounds. 2019, August (797).
E. Auffray. G. Dosovitskiy, A. Fedorov, I. Guz, M. Korjik, N. Kratochwill, M. Lucchini, S. Nargelas, D. Kozlov, V. Mechinsky, P. Orsich, O. Sidletskiy, G. Tamulaitis, A. Vaitkevičius
Irradiation effects on Gd3Al2Ga3O12 scintillators prospective for application in harsh irradiation environments. Radiation Physics and Chemistry. 2019, November (164).
G. Tamulatis, A. Vasil’ev, M. Korzhik, A. Mazzi, A. Gola, S. Nargelas, A. Vaitkevičius, A. Fedorov, D. Kozlov
Improvement of the time resolution of radiation detectors based on Gd3Al2Ga3O12 scintillators with SiPM readout. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2019, July (66, 7).
A. Fedorov, V. Gurinovich, V. Guzov, G. Dosovitskiy, M. Korzhik, V. Kozhemyakin, A. Lopatik, D. Kozlov, V. Mechinsky, V. Retivov
Sensitivity of GAGG based scintillation neutron detector with SiPM readout. Nuclear Engineering and Technology. 2020, October (52, 10).
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 (Gd0.5 Y0.5)3Al2Ga3O12:Ce,Mg. CrystEngComm. 2020, March (22, 14).
G. Dosovitskiy, O. Akimova, A. Amelina, S. Belus, A. Fedorov, P. Karpyuk, D. Kozlov, V. Mechinsky, A. Mikhlin, V. Retivov, V. Smyslova, P. Volkov, M. Korzhik
Li-based glasses for neutron detection – classic material revisited. Review Journal of Chemistry. 2020, December (10, 1).
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. 2021, June (234).
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. 2021, August. (236).
Фотоальбомы
Четверг , 26.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Международный научно-исследовательский центр "Пьезо- и магнитоэлектрические материалы"

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Технологии материалов

Томск

Холкин Андрей Леонидович

Португалия, Россия

2021-2023

Лаборатория перспективных сталей для сельскохозяйственной техники

Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева

Технологии материалов

Москва

Кайбышев Рустам Оскарович

Россия

2021-2023

Квантовая оптика в алмазах

Федеральный исследовательский центр Казанский научный центр Российской академии наук

Технологии материалов

Казань

Хеммер Филип Роберт

США

2018-2022