Российские физики представили технологию создания сцинтилляционного стекла для регистрации нейтронов. Разработанная методика позволяет изготавливать этот материал в промышленных масштабах и реализуема в России. Технология пригодится для ядерной энергетики, медицины и в системах радиационного контроля.
Результаты опубликованы в журнале Physics of Particles and Nuclei. Сцинтилляционное стекло — материал, в котором ионизирующие частицы (гамма-кванты, альфа- и бета-частицы) производят световые вспышки — сцинтилляции. Такие материалы используются в детекторах излучения для регистрации и измерения энергии частиц. В основе представленного сцинтилляционного стекла используется изотоп лития-6, который является поглотителем и преобразователем нейтронов в заряженные частицы.
В своей работе ученые предложили способ изготовления сцинтилляционного стекла без использования высокотехнологичного оборудования. Это делает технологию доступной даже для небольших лабораторий. Полученный материал не уступает по своим характеристикам зарубежному аналогу.
Особенность новой технологии — использование СВЧ излучения. В предложенной методике излучение поглощается не только специально разработанным тиглем, но и самим расплавом. Это обеспечивает быстрый и равномерный нагрев. Выплавка стекла проводится в воздухе и занимает около двух часов.
Технология обеспечивает высокую чистоту расплава и оптимальное соотношение легирующих ионов Се3+ и Се4+. Эти ионы играют важную роль в процессе сцинтилляции, а правильное их соотношение позволяет добиться высокого световыхода и прозрачности материала. Также ученые заново разработали рецептуру шихты — порошковой смеси, из которой выплавляется стекло.
«Сцинтилляция в стекле — довольно тонкий процесс. Содержание каждого из компонентов оптимизировано, и отклонение от оптимального содержания любого из них ведет к снижению в первую очередь световыхода. Важнейший фактор, влияющий на эффективность регистрации нейтронов напрямую — содержание в стекле лития и, в частности, его изотопа с атомной массой 6», — объясняет Игорь Кресло, ведущий научный сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий МФТИ.
Ученые провели эксперименты для определения световыхода и эффективности нового стекла. Результат показал, что световыход стекла равен 3900 ± 280 фотонов/нейтрон. Эффективность регистрации тепловых нейтронов для изготовленного стекла толщиной 1,05 миллиметра составляет 5,25 ± 1,06 %. Эти показатели лишь немногим уступают параметрам флагманского стекла GS20 зарубежного производства.
«В самом начале экспериментов у нас была задержка с приобретением трифторида церия высокой чистоты. Вспомнив, что кремни для зажигалок (не современных пьезо, а тех, конца прошлого века) содержат церий и лантан, мы ради любопытства попробовали выделить церий из десятка кремней и получить трифторид. И с этим реактивом у нас неожиданно получилось вполне приличное сцинтилляционное стекло!» — поделился открытием Игорь Кресло.
В дальнейших исследованиях ученые планируют увеличить содержание лития-6 в стекле для повышения эффективности регистрации нейтронов. Также они рассматривают возможность использования чистого изотопа лития-7 для изготовления двух типов стекол с разной чувствительностью к нейтронам. Комбинация этих материалов позволит улучшить селективность к нейтронам и минимизировать влияние фоновой гамма-радиации.
В работе участвовали ученые из МФТИ, Объединенного института ядерных исследований и НИЦ «Курчатовский институт».