Кристаллический класс соединений с перестраиваемым эффективным атомным номером z для детекторов гамма-нейтронного диапазона

Саркисов Степан Эрвандович; Рябченков Владимир Васильевич; Юсим Валентин Александрович; Сметанин Михаил Юрьевич; Шайхатаров Олег Карипович; Самонов Алексей Сергеевич

УДК 533.72

DOI: 10.18384/2310-7251-2018-4-122-126

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КЛАСС СОЕДИНЕНИЙ С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ ЭФФЕКТИВНЫМ АТОМНЫМ НОМЕРОМ Z ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ ГАММА-НЕЙТРОННОГО ДИАПАЗОНА

Саркисов СЭ.1, Рябченков ВВ.1, Юсим ВА.1, Сметанин М.Ю.2, Шайхатаров О.К.3, Самонов А.С.3

1 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» 123182, г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, Российская Федерация

2 ООО «Техноим»

125481, г. Москва, ул. Свободы, д. 81, стр. 4, офис 695, Российская Федерация

3 Автономная некоммерческая организация «Центр Прикладных Компьютерных Технологий»

125481, г. Москва, ул. Свободы, д. 81, стр. 4, офис 695/2, Российская Федерация

Аннотация. Предложен способ направленного поиска кристаллических сцинтилляторов с заранее заданными свойствами по чувствительности к нейтронному и у-излучению путём изменения параметра Z в зависимости от состава кристаллической матрицы. В качестве матриц выбраны разупорядоченные фторсодержащие кристаллические среды. Рассчитаны значения изменения параметра Z для кристаллических твёрдых растворов смешанных кристаллов Li(Y1-xLux)F4 и Ba(Y1-xYbx)2Fa в диапазоне коэффициента «х» от 0 до 1. Ключевые слова: сцинтиллятор, фториды, смешанные и простые кристаллы, кристаллические твёрдые растворы, лёгкие и тяжёлые сцинтилляторы.

CRYSTALLINE COMPOUNDS WITH TUNABLE EFFECTIVE ATOMIC NUMBER Z FOR GAMMA AND NEUTRON DETECTORS

S. Sarkisov1, V. Ryabchenkov1, V. Yusim1, M. Smetanin2,O. Shaihatarov3, A. Samonov3

1 National Research Center "Kurchatov Institute"

pl. Akad. Kurchatova 1,123182 Moscow, Russian Federation

2 Ltd "Tekhnoim"

ul. Svobody 81, stroenie 4, office 695,125481 Moscow, Russian Federation

3 Autonomous non-profit organization "Center for Applied Computer Technologies" ul. Svobody 81, stroenie 4, office 695/2,125481 Moscow, Russian Federation

Abstract. A method for directional search of crystalline scintillators with predetermined properties on sensitivity to y and neutron emissions is proposed on the basis of Z-parameter variation as a function of the crystal host composition. Disordered fluoride crystal media are

used as the host materials. Changes in the Z parameter for crystalline solid solutions of the mixed Li(Y1-xLux)F4 and Ba(Y1-xYbx)2F8 crystals within ^-coefficients from 0 to 1 are calculated.

Key words: scintillator, fluorides, mixed and simple crystals, crystalline solid solutions, light and heavy scintillators.

Одними из основных ориентиров при выборе сцинтиллятора (СЦ) для детектирования того или иного ионизирующего излучения являются такие параметры, как эффективный атомный номер (Z) и плотность (р) матрицы. От их величины зависит способность кристаллической матрицы задерживать рентгеновские или у - лучи, т.е. чувствительность сцинтиллятора к детектированию последних. В первом приближении эта способность является функцией ~ р Z4 (где Z = (2 wi zi4)1/4 , здесь wi и z - означают массовую долю и атомный номер i-го элемента среди элементов, составляющих матрицу). Фториды тяжелых металлов (Y, La, Ce, Gd, Yb, Lu, Pb, Zr, Hf), имеющих большие величины плотностей (например, p(YF3) = 5,06 г/см3, p(LuF3) = 8,3 г/см3) и эффективных атомных номеров проявляют чувствительность к рентгеновскому и гамма-излучению, а монокристаллы, состоящие из фторидов легких металлов (например, p(LiF) = 2,64 г/см3) чувствительны к нейтронному излучению.

Настоящее исследование посвящено перспективному способу направленного поиска сцинтилляторов с заранее заданными свойствами, необходимыми для детектирования тех или иных типов излучения, путем выращивания монокристаллов из твердых растворов, которые образуют смешанные фторидные системы [1, 2]. В отличие от простых кристаллов со строго стехиометрическим составом, составы кристаллических твердых растворов можно монотонно менять в сторону больших или меньших значений плотностей и эффективных атомных номеров компонентов, образующих состав твердого раствора, в зависимости от того, какой тип сцинтиллятора, и с какими параметрами требуется получить1.

В качестве примера рассмотрим простые кристаллы со стехиометрическими составами LiYF4 (Z = 40), LiLuF4 (Z = 44) и образующие ими непрерывный ряд твердых растворов в системе LiF - YF3 - LuF3 с общей стехиометрической формулой составов Li(Y1-x Lux)F4, имеющих максимальное значение Z равное 92 при х = 0,55-0,65 (см. Рис.1). Здесь, «легкий» сцинтиллятор LiYF4 (Z = 40) известен в качестве детектора нейтронного излучения, а смешанный кристалл Li(YLu)F4, имеющий Z = 92 можно характеризовать как «тяжелый» сцинтиллятор для регистрации рентгеновского и гамма-излучения. Небольшая добавка в 5% LiLuF4 к LiYF4 увеличивает его Z с 40 до 75, сравнимо с PbWO4 (Z = 73), используемого в настоящее время в Большом Адронном Коллайдере (LHC) в CERN. Таким образом, в ряду твердых растворов Li(Y1-x Lux)F4 при 0 < x < 1, где Z меняется, проходя через максимум от 40 ^ 92 ^ 44 можно, задавая параметр Z направленно синтезировать нужный состав в зависимости от решаемой задачи детектирования нужного типа излучения. И наоборот, синтезировать кристаллический сцин-

1 Саркисов С.Э., Рябченков В.В. Сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующего излучения. (Варианты): Патент РФ №2627573 от 08.08.2017 г.

тиллятор конкретного кристаллохимического состава с заданным параметром Z. Кроме того, твердые растворы Ц (У1-х Ьих) Б4 имеют большую изоморфную емкость по отношению к ионам цериевой подгруппы, чем простые кристаллы ЦУБ4 и ЦЬиБ4. Это позволяет создавать яркие сцинтилляторы с высокими значениями интенсивности излучения 1изл. за счет возможности введения больших концентраций ионов Се3+ (или Рг3+) в кристаллическую решетку твердых растворов. По характеристикам р, Z и ^^ кристаллы твердых растворов различных смешанных составов, в том числе с небольшими добавками других лантаноидов с примесью Се3+ или Рг3+ (интегральный световыход может достигать до 27000 фотонов/Мэв) значительно превосходят известные сцинтилляторы PbWO4 (200 фотонов/Мэв), а по быстродействию тизл = 10-15 нс практически не уступают последним. При этом в случае активирования ионами Рг3+ они излучают в красной спектральной области ~ 0,6 мкм (переход 3Р0 ^ 3Н6 иона Рг3+), где существуют многочисленные чувствительные приемники излучения (ФЭУ). На Рис. 1 приведены рассчитанные значения Z для еще более «тяжелых» сцинтилляторов Ва(У1-хУЬх)2Б8, которые можно синтезировать в ряду твердых растворов системы ВаБ2 - УБ3 - УЬБ3 максимальное значение Z у соединений этого ряда достигает 125, что приблизительно до 2-ух раз выше, чем у PbWO4.

Из вышеизложенного материала следует, что путем синтеза кристаллических твердых растворов определенных составов внутри одного кристаллохимическо-го класса можно создавать сцинтилляторы, чувствительные к определенному типу ионизирующего излучения в широком диапазоне от нейтронного до у.

Рис. 1. Рассчитанные значения изменения параметра Ъ от состава кристаллических твердых растворов смешанных кристаллов Ц (Уьх Ьцх) Б4 (кривая 1)

и Ва(У1-хУЬх)2р8 (кривая 2).

Статья поступила в редакцию 01.10.2018 г.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 18-08-00291,

17-08-00963,17-08-00680,18-08-00495,18-08-00697).

ACKNOWLEDGMENTS

This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (grant Nos

18-08-00291, 17-08-00963, 17-08-00680, 18-08-00495, and 18-08-00697).

ЛИТЕРАТУРА

1. Kaminskii A.A., Sarkisov S.E. Thermodynamical Consideration of the Peculiarities of Activator Ion Quasicentres in Disordered Laser Crystals // Physica Status Solidi (a). 1991. Vol. 123. Iss. 1. P. 213-219.

2. Каминский А.А., Саркисов С.Э. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. М.: Наука, 1986. 272 c.

REFERENCES

1. Kaminskii A.A., Sarkisov S.E. Thermodynamical Consideration of the Peculiarities of Activator Ion Quasicentres in Disordered Laser Crystals. In: Physica Status Solidi (a), 1991, vol. 123, iss. 1, pp. 213-219.

2. Kaminskii A.A., Sarkisov S.E. Fizika i spektroskopiya lazernykh kristallov [Physics and spectroscopy of laser crystals]. Moscow, Nauka Publ., 1986. 272 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Саркисов Степан Эрвандович - кандидат физико-математических наук, начальник Лаборатории экспериментального моделирования и синтеза тугоплавких материалов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected];

Рябченков Владимир Васильевич - кандидат физико-математических наук, заместитель руководителя Управления нераспространения и физической защиты Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected];

Юсим Валентин Александрович - старший научный сотрудник Лаборатории экспериментального моделирования и синтеза тугоплавких материалов Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; e-mail: [email protected];

Сметанин Михаил Юрьевич - кандидат технических наук, начальник лаборатории переноса излучений ООО «Техноим»; e-mail: [email protected];

Шайхатаров Олег Карипович - начальник группы программных систем ООО «Техноим»; начальник лаборатории Автономной некоммерческой организации «Центр Прикладных Компьютерных Технологий»; e-mail: [email protected];

Самонов Алексей Сергеевич - ведущий специалист ООО «Техноим»; ведущий специалист Автономной некоммерческой организации «Центр Прикладных Компьютерных Технологий»; e-mail: [email protected].

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Stepan E. Sarkisov - PhD in Physical and Mathematical Sciences, Head of the Laboratory of Experimental Modeling and Synthesis of Refractory Materials, National Research Center "Kurchatov Institute"; e-mail: [email protected]

Vladimir V. Ryabchenkov - PhD in Physical and Mathematical Sciences, Deputy Head of the Department on Nonproliferation and Physical Protection, National Research Center "Kurchatov Institute";

e-mail: [email protected];

Valentin A. Yusim - Senior Researcher of the Laboratory of Experimental Modeling and Synthesis of Refractory Materials, National Research Center "Kurchatov Institute"; e-mail: [email protected];

Mihail Yu. Smetanin - PhD in Technical Sciences, Head of Radiation Transfer Laboratory, Ltd

"Tehhnoim";

e-mail: [email protected];

Oleg K. Shaihatarov - Head of the Group of Software Systems, Ltd "Tekhnoim"; Head of Laboratory, Autonomous Non-Profit Organization "Center for Applied Computer Technologies"; e-mail: [email protected];

Alexey S. Samonov - Leading Specialist, Ltd "Tekhnoim"; Leadng Specialist, Autonomous NonProfit Organization "Center for Applied Computer Technologies"; e-mail: [email protected].

ПРАВИЛЬНАЯ ССЫЛКА НА СТАТЬЮ

Саркисов С.Э., Рябченков В.В., Юсим В.А., Сметанин М.Ю., Шайхатаров О.К., Самонов А.С. Кристаллический класс соединений с перестраиваемым эффективным атомным номером Z для детекторов гамма-нейтронного диапазона // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. 2018. № 4. С. 122-126. DOI: 10.18384/2310-7251-2018-4-122-126

FOR CITATION

Sarkisov S.E., Ryabchenkov V.V., Yusim V.A., Smetanin M.Yu., Shaihatarov O.K., Samonov A.S. Crystalline compounds with tunable effective atomic number Z for gamma and neutron detectors. In: Bulletin of Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics, 2018, no. 4, pp. 122-126.

DOI: 10.18384/2310-7251-2018-4-122-126

CRYSTALLINE COMPOUNDS WITH TUNABLE EFFECTIVE ATOMIC NUMBER Z FOR GAMMA AND NEUTRON DETECTORS

Текст научной работы на тему «Кристаллический класс соединений с перестраиваемым эффективным атомным номером z для детекторов гамма-нейтронного диапазона»