CC BY
15
УДК 661.862
ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЦИНТИЛЛИРУЮЩИХ СРЕД ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ РЕГИСТРАЦИИ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
В. В. СИДСКИЙ, А. В. СЕМЧЕНКО, В. В. ВАСЬКЕВИЧ, М. И. МОСКВИЧЕВ
Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Ф. Скорины», Республика Беларусь
В. Б. ЗАЛЕССКИЙ, В. В. МАЛЮТИНА-БРОНСКАЯ
Государственное научно-производственное объединение «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника», г. Минск, Республика Беларусь
А. А. БОЙКО
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Ключевые слова: золь-гель процесс, сцинтиллятор, люминесценция, порошок, европий, иттрий, ионизирующее излучение.
Введение
В последние годы возникла необходимость разработки новых сцинтиллирующих сред для использования в качестве детекторов ионизирующих излучений [1]-[6]. Повышение чувствительности и эффективности регистрации гамма-излучения зачастую осложняется ограничением по диаметру детектора и может решаться только путем увеличения. высоты сцинтиллятора и поиска сцинтилляционных материалов с более высоким эффективным атомным номером. Применение с этой целью известных сцин-тилляторов (АНВ, сложные оксиды и др.) в настоящее время проблематично в связи с трудностями в получении кристаллов требуемых размеров, с низким световым выходом, плохой прозрачностью к собственному излучению, низкой термостойкостью [1].
Актуальность решаемой проблемы заключается в необходимости разработки новых материалов для оптоэлектроники, светотехники, бытовой техники, медицинских применений. Оптические люминесцентные радиационные детекторы сцинтилляци-онного типа, работающие в режиме реального времени, и запоминающие детекторы термолюминесцентного типа широко применяются в комплексах и системах радиационного, радиоэкологического и радиологического мониторинга для обнаружения делящихся и радиоактивных веществ. Такие детекторы все больше применяются для радиационного контроля природного и вторичного сырья и материалов, используемых в металлургической промышленности и строительной индустрии, для контроля природной и технической воды по радиационному фактору. Люминесцентные детекторы широко используются в медицине для контроля дозозатрат персонала и пациентов, в качестве функциональных элементов в томографах, в рентгеновских экранах, а также для целей персональной дозиметрии лиц, работающих в атомной промышленности и на установках ядерно-физического профиля.
Целью работы было исследование оптических и фотоэлектрических свойств сцинтиллирующих сред, полученных золь-гель методом, и определение возможности их применения в качестве детекторов ионизирующих излучений.
Экспериментальная часть
В рамках данной статьи рассматриваются свойства неорганических сцинтиллято-ров на основе боросиликатного стекла, полученных золь-гель методом. В качестве легирующих элементов были использованы соли редкоземельных элементов: Eu, Sm, а также соли Y и №. Химический состав золя подобран экспериментальным путем.
Для изготовления сцинтилляторов золь-гель методом с высокой прозрачностью и равномерным распределением по всему объему необходимо соблюдать ряд условий технологического процесса:
- проведение глубокой очистки и тщательного перемешивания исходных материалов;
- выдержка необходимого температурного режима;
- выполнение этапов вакуумирования и микрофильтрации;
- выполнение отжига изделия для удаления остатков мономера и снятия остаточных напряжений.
Золь-гель методом получены образцы боросиликатного стекла, легированного Еи3+,
3+ 3+ 3+ 3+
солигированного ионами Y (Ей :У), Sm , солигированного ионами Y ^ш :У), Sm , солигированного ионами Y и № ^ш3+:У:№). Температура отжига на воздухе составляла 900 °С, продолжительность отжига - 60 мин. Полученные материалы представляют собой прозрачные бесцветные стекла, которые чувствительны к воздействию излучения, близкого к ультрафиолетовому (X = 400 нм), и при облучении излучают ярко-розовое видимое свечение (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид неорганического сцинтиллятора на основе боросиликатного стекла,
легированного Бш3+:У
Световыход сцинтилляций для предлагаемых неорганических сцинтилляторов на основе боросиликатного стекла, легированного Sm3+:Y, измеряли при комнатной температуре с использованием установки КЛАВИ-Р (разработка Института электрофизики УрО РАН), генерирующей импульсные электронные пучки с энергией 200 кэВ, длительностью 1,5; 15 нс.
Измерение вольт-амперных характеристик образцов проводились с использованием светодиодов красного, зеленого и синего цвета и импульсного тестера ИФТ-4/3 (имитатора солнечного излучения со спектром АМ 1,5). Импульсный тестер ИФТ-4/3 представляет собой комбинацию импульсного источника излучения и электронного измерительного устройства.
Результаты и их обсуждение
Рассмотрим характерные особенности спектров световыхода сцинтилляций для неорганических сцинтилляторов на основе боросиликатного стекла, легированного
Еи3+;У (8-16 мас. % Ей). Для проведения сравнительного анализа был использован сцинтиллятор на основе СаОа2Б4;Еи2+ (рис. 2 и 3).
Е - возбуждение пучка
460 500 540 580 620 660 700 740
X, нм
Рис. 2. Световыход сцинтилляций для неорганического сцинтиллятора на основе боросиликатного стекла, легированного Еи3+;У (8 мас. % Еи), и сцинтиллятора на основе СаОа2Б4;Еи2+, используемого для сравнения
. 4' «
и
к н
1 н о о X ю
к >
о -
X
<и
н X
X >< 1
Е - возбуждение пучка Е = 200 кэВ т = 1,5 нс
ВЕи3+;У (17 мас. %)
Г
С СаСа284:Еи2+ / 11 диачяе.^^;^^.,-.-.-., ..........А -■ --. - д Еи3+;У (8 мас. %)
.....
о-
400 450 500
550 600 X, нм
650 700 750
Рис. 3. Световыход сцинтилляций для неорганического сцинтиллятора на основе; А - боросиликатного стекла, легированного Еи3+;У (8 мас. % Еи); В - боросиликатного стекла, легированного Еи3+;У (17 В мас. % Еи); С - СаОа2Б4;Еи2+, используемого для сравнения
Спектр свечения полученного неорганического сцинтиллятора на основе боросиликатного стекла имеет максимум при 615-620 нм, связанный с переходами в электронных энергетических уровнях ионов Еи3+. Неорганический сцинтиллятор
СаОа2Б4:Еи2+ имеет максимум при 540-560 нм, связанный с переходами в электронных энергетических уровнях ионов Еи2+. Световыход сцинтилляций для полученного неорганического сцинтиллятора на основе боросиликатного стекла, легированного Еи3+:У, в 1,5 раза выше, чем таковой для известного состава СаОа2Б4:Еи2+. При увеличении концентрации Еи3+:У в боросиликатном стекле до 17 мас. % световыход сцинтилляций для неорганического сцинтиллятора увеличился в 5,8 раза, в сравнении с составом СаОа2Б4:Еи2+.
Поместив полученные сцинтилляторы на фотодиод, проведены измерения вольт-амперных характеристик при освещении светодиодами. Данная характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения. На рис. 4 представлены ВАХ двух сцинтилляторов (бс1 - на основе боросиликатного стекла, легированного Еи3+:У (8 мас. % Еи), и бс2 - на основе боросиликатного стекла, легированного Еи3+:У (17 мас. % Еи)) при синем освещении.
0,5 -| 0,40,30,2-< 0 10.0-
-0,1 И
-0,2
-0,3
без освещения синий бс 1 синий ъс2
-I—I—|—.—|—,—|—I—|—I—|—I—|—I—|—.—|—.—|—I—|
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0.4 0.6 0 8 1,0
и, В
Рис. 4. ВАХ двух сцинтилляторов (бс1 - на основе боросиликатного стекла, легированного Еи3+:У (8 мас. % Еи) и бс2 - на основе боросиликатного стекла, легированного Еи3+:У (17 мас. % Еи)) при синем освещении
На графике видно, что полученные сцинтилляторы при освещении их светодио-дами синего цвета имеют довольно малый участок тока насыщения и быстро переходят в область, называемую областью ударной ионизации, которая характеризуется резким возрастанием тока при незначительном изменении напряжения. Это свидетельствует о том, что полученные сцинтилляторы наиболее чувствительны к излучению, близкому к ультрафиолетовому спектру.
Теперь проанализируем изменение вольт-амперной характеристики каждого сцинтиллятора, воздействовав на них светодиодами красного, зеленого и синего цвета. Для сравнения приведем вольт-амперную характеристику фотодиода без сцинтиллятора (рис. 5 и 6).
0,5 и 0,40,30,2« 01 :
«
s 0.0-0,1 --0,2 --0,3 -
без освещения
СИНИЙ
зелёный красный зелёный sel
*— красный sel *— синий sel
Т-,-1-,-1-I-1-,-1-1-,-,-1-,-1-,-,-,-1-I-1
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0.0 0,2 0,4 0,6 0;8 1.0
U, В
Рис. 5. Сравнение характеристик с первым сцинтиллятором на основе боросиликатного стекла, легированного Eu3+:Y (8 мас. % Eu), RGB
0,5 0,4 0,3 0,2
<
go.1-0,0 -0,1 -0,2 -0,3
- без освещения
- зелёный красный
-синий эс2
- зелёный яс2
- красный зс2
- синий вс2
т—1—I—'—I—1—I—1—I—'—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0 4 0,6 0,8 1:0
U, В
Рис. 6. Сравнение характеристик со вторым сцинтиллятором на основе боросиликатного стекла, легированного Eu3+:Y (17 мас. % Eu), RGB
Проанализировав приведенные выше вольт-амперные характеристики, можно сделать вывод о том, что воздействие на полученный фотодиод излучением зеленого спектра практически не приводит к изменению вольт-амперной характеристики, в отличие от того результата, который дает излучение, близкое к ультрафиолетовому спектру.
В сцинтилляторах при воздействии ионизирующего излучения атомы (молекулы) длительное время остаются в возбужденном состоянии и переходят в стабильное состояние с испусканием кванта света при получении дополнительной энергии от воздействия инфракрасного (теплового) или ультрафиолетового излучения. На приведенной выше вольт-амперной характеристике видно, что полученный сцинтилля-тор проявляет выраженную чувствительность при облучении его светодиодами красного и синего цвета.
Золь-гель методом были синтезированы сцинтиллирующие среды на основе бо-росиликатного стекла, легированные самарием 1, и сцинтиллирующие среды на основе боросиликатного стекла, содержащего кристаллы ниобата иттрия, легированного самарием 2 (рис. 7).
10000
^ 8000 <D
W н
6000л н о о
§ 4000-
о К
<D
| 20000350 400 450 500 550 600 650
X, нм
Рис. 7. Световыход сцинтилляций, полученных золь-гель методом образцов: 1 - на основе боросиликатного стекла, легированного Sm3+:Y; 2 - на основе боросиликатного стекла, легированного Sm3+:Y:Nb
Излучение в видимом диапазоне соответствует излучению иона редкоземельного элемента. Резкий рост пиковой интенсивности люминесценции иона самария при со-активации боросиликатного стекла легированного Sm3+:Y ниобием, наблюдающийся независимо от боросиликатной матрицы, соответствует процессу передачи энергии от иона ниобия на ион самария Sm3+.
Заключение
Проведен анализ взаимосвязи исходного состава и структурных свойств, установлен характер зависимости оптических характеристик от условий формирования и соотношения компонентов в исходном составе стекла. Определены оптимальные параметры для синтеза наиболее эффективных стеклокристаллических сцинтилляторов.
При увеличении концентрации ионов Eu3+ и Y до 17 мас. % в боросиликатной матрице световыход сцинтилляций увеличился в 5,8 раза, в сравнении с составом CaGa2S4:Eu2+.
hv, эВ
3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0
j_1_I__L_I_1_i_I__I_J_I__L_i_1_i__L__
Е - возбуждение пучка
Е = 100 кэВ
т = 15 нс
Хвозб = 213 нм
Sini-Nb:Y J
VI ¿idx
Из анализа вольт-амперных характеристик можно сделать вывод, что воздействие на сцинтиллятор излучением зеленого спектра практически не приводит к изменению вольт-амперной характеристики, но проявляет ярко выраженную чувствительность при облучении его светодиодами красного и синего цвета.
Анализ спектров люминесценции сцинтиллирующих сред на основе боросили-катного стекла, легированного ионами Sm3+:Y и Sm3+:Y:Nb, показывает, что активация ниобием увеличивает пиковую интенсивность люминесценции ионов самария в семь раз. Это объясняется передачей возбуждения с уровней собственной люминесценции от иона ниобия на уровни редкоземельного иона Sm3+, что повышает выход люминесценции этого материала при поглощении ионизирующего излучения.
Синтезированные золь-гель методом сцинтиллирующие среды на основе легированного боросиликатного стекла могут применяться в качестве активных сред для оптических люминесцентных радиационных детекторов сцинтилляционного типа Р-, у-излучения, лавинных фотодиодов, работающих в режиме реального времени и в качестве запоминающих детекторов термолюминесцентного типа, широко применяемых в комплексах и системах радиационного, радиоэкологического и радиологического мониторинга для обнаружения делящихся и радиоактивных веществ. Дополнительными преимуществами полученных неорганических сцинтилляторов являются их повышенная чувствительность, универсальность и избирательность регистрации корпускулярного излучения.
Работа выполнена при частичной поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (гранд № Т19РМ-030).
Литература
1. Synthesis and study of the luminescent properties of europium-doped yttrium niobate / A. Mester [et al.] // Opt. Spectrosc. - 2016. - Vol. 120, № 5. - P. 726-731.
2. Luminescence and Raman studies of YNbO4 phosphors doped by Eu3+, Ga3+, and Al3+ / M. Nazarov [et al.] // J. Appl. Phys. - 2010. - Vol. 107, № 10. - P. 103-104.
3. Production, characterization, and luminescent properties of Eu3+ doped yttrium niobate-tantalate films / S. Yildirim [et al.] // Journal of Advanced Ceramics. - 2017. - Vol. 6 (1). -P. 33-42.
4. Nazarov, M. New Generation of Europium-and Terbium-Activated Phosphors: From Syntheses to Applications / M. Nazarov, D. Y. Noh // Jenny Stanford Publishing, 2011. - 300 p.
5. Structural characteristics and spectral properties of novel transparent lithium aluminosili-cate glass-ceramics containing (Er,Yb)NbO4 nanocrystals / O. S. Dymshits [et al.] // J. Lumin. - 2015. - Vol. 160. - P. 337-345.
6. Transparent glass-ceramics with (Eu3+,Yb3+):YNbO4 nanocrystals: Crystallization, structure, optical spectroscopy and cooperative upconversion / P. A. Loiko [et al.] // J. Lumin. - 2016. - Vol. 179. - P. 64-70.
Получено 18.11.2019 г.
