Созданы детекторы, определяющие невидимую угрозу с высокой точностью

МОСКВА, 7 мая — РИА Новости. Физики Уральского федерального университета разработали новые материалы, которые можно использовать в качестве детекторов ионизирующего излучения в широком диапазоне доз. Это позволит создать точные приборы для персональной дозиметрии и контроля производственных процессов. Результаты опубликованы в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms (статья 1, статья 2).

Традиционно в качестве базового вещества для детекторов используются выращенные из расплава монокристаллы оксида алюминия Al₂O₃. Данное соединение обладает высокой чувствительностью и с высокой точностью регистрирует ионизирующее излучение в диапазоне низких доз — до 4-10 грей. Это смертельно опасные для человека дозы, поэтому монокристаллы оксида алюминия можно использовать для персональной дозиметрии и мониторинга окружающей среды.

С развитием науки и технологий источники и дозы ионизирующего излучения становятся сильнее, появляется потребность в детекторах, способных регистрировать и контролировать дозы мощностью до 100 и даже 1000 грей — например, в области ядерной медицины, при стерилизации медицинских изделий, дезинфекции пищевых упаковок, сшивке полимеров. Недостаточная доза облучения не обеспечит необходимого эффекта, чрезмерная доза замедлит процесс: чем слабее пучок ионизирующих частиц, тем дольше накапливается доза.

Ученые из УрФУ создают новые материалы, способные справиться с этой задачей. В качестве основы они используют керамику на основе наноструктурного порошка оксида алюминия, обладающего высокой радиационной стойкостью, в который они добавляют примеси различных металлов, меняющие физические свойства исходного материала. Такой процесс физики называют допированием.

"С помощью допирования мы создаем новые структуры или замещаем атомы алюминия, а за счет спекания в вакууме до 1600 ^оС формируем дефицит по кислороду — так образуются дефектные структуры. Чем больше дефектов, тем лучше: это вакансии, ловушки, которые захватывают электроны при облучении материала потоком ионизирующих частиц. Последующий постепенный нагрев приводит к тому, что электроны приобретают энергию и отрываются, вылетают из ловушки. Мы регистрируем их и таким образом определяем дозу облучения", — объясняет руководитель исследовательской группы, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества Физико-технологического института УрФУ Сергей Звонарев.

За счет нагрева при освобождении ловушки или переходе электронов между энергетическими уровнями происходит выделение квантов света, свечение разных длин волн — зеленое, синее или красное, в зависимости от того, какой дефект заполняется и освобождается. Такое явление называется термолюминесценцией. Задача — меняя различные параметры синтеза — концентрацию примесей, температуру и атмосферу отжига, — получить материал, который дает наиболее интенсивную люминесценцию.

Ученые последовательно допировали порошок оксида алюминия разными металлами — магнием, марганцем, никелем, хромом и другими. В итоге выяснилось, что наиболее выраженными характеристиками, подходящими для изготовления детекторов, в сравнении с другими веществами, обладают натрий и лантан. Добавляя эти металлы, физики сумели создать составы керамики для регистрации доз в диапазоне от 10^-1 до 300 грей.

"Использование натрия или лантана экономично, при этом диапазон доз ионизирующего излучения значительно шире, чем у беспримесного Al₂O₃, а интенсивность люминесценции выше, по сравнению с другими допантами, больше чем на порядок", — объясняет Сергей Звонарев.

Детекторы на основе керамик оксида алюминия представляют собой "таблетки" — диски диаметром 10 миллиметров, которые вставляются в дозиметры. Такие детекторы пригодны для многоразового использования: после регистрации дозы и снятия показателей детектор подвергается высокотемпературному отжигу, "обнуляется" и снова готов для дальнейшего применения.

Следующие стадии проекта — промышленное тестирование детекторов и прототипа прикладного дозиметрического комплекса на их основе и запуск в серийное производство.