Это позволит создать точные приборы для персональной дозиметрии и контроля производственных процессов
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,
сообщает РИА Новости. 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.
Источник: urfu.ru, ria.ru
Источник: scientificrussia.ru
