Перспективный для создания датчиков радиации материал – порошкообразный ортогерманат висмута, легированный ионами празеодима (Pr³⁺) – получен и исследован коллективом ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН и Университета Уилфрида Лорье (Канада). Результаты работы опубликованы в журнале Optical materials.

На сегодняшний день во всем мире зафиксирован рост коллективной дозы облучения, получаемой населением при медицинских обследованиях. В связи с пандемией COVID-19 для выявления коронавирусной инфекции и ее последствий проводится массовая (нередко многократная) компьютерная томография легких. Задача снижения лучевой нагрузки на пациентов является одной из наиболее актуальных. Эта проблема может быть решена за счет применения новых видов сцинтилляторов, обладающих коротким временем послесвечения, что позволяет снизить дозу облучения на пациентов на 30% при сохранении высокого качества изображения. Малая инерционность – одна из ключевых характеристик сцинтилляторов, она определяет чувствительность и быстродействие детекторов.

В качестве сцинтилляционного материала для детекторов высокоэнергетического излучения в ядерной физике, астрофизике и томографии обычно используются монокристаллы ортогерманата висмута. В ИОНХ РАН активно ведутся исследования по оптимизации материалов для изготовления таких детекторов. Результаты этих исследований прокомментировала научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья Варвара Веселова: «Время затухания идеального сцинтиллятора должно быть как можно меньше, чтобы скорость счета детектора была высокой. Есть несколько способов, которыми можно этого добиться. В предыдущих исследованиях нами было показано, что для микрокристаллического ортогерманата висмута время послесвечения заметно меньше, чем для монокристалла. Кроме того, введение ионов редкоземельных элементов (в частности, празеодима) в состав сцинтиллятора также влияет на величину световыхода и длительность высвечивания. В связи с этим мы решили синтезировать ортогерманат висмута содержащий различные концентрации празеодима, и проанализировать, насколько изменяются люминесцентные характеристики материала, а также определить механизмы, вызывающие эти изменения».

Ученые установили, что легирование ионами празеодима приводит к значительному сокращению времени жизни флюоресценции по сравнению с монокристаллическим нелегированным аналогом. Такой эффект обусловлен особенностями передачи энергии электронного возбуждения в этом материале.

Полученный материал сочетает малое время послесвечения с традиционными достоинствами ортогерманата висмута: механической и радиационной стойкостью, отсутствием гигроскопичностью и др. Кроме того, создание керамики на основе порошкообразного сцинтиллятора –технологически более простой процесс чем выращивание монокристаллов, что, в свою очередь, позволит снизить стоимость детекторов.

Источник: Olimkhon Alimov, Maxim Doroshenko, Anna Egorysheva, Olga Gajtko, Kseniya Pierpoint, Hasan Shodiev, Varvara Veselova. Selective laser spectroscopy of a highly dispersed Bi₄Ge₃O₁₂ scintillator doped with Pr³⁺ ions. Optical Materials. Volume 128, June 2022, 112330

Фото: ИОНХ РАН