Физика сцинтилляторов

Научный руководитель:
доктор физико-математических наук
профессор

Петр Александрович Родный

Небольшая группа исследователей, выбравших научное направление «физика сцинтилляторов», сформировалась как научная лаборатория в конце 70-х годов. Долгое время коллектив проявлял интерес к чисто фундаментальным проблемам физики твердого тела: экситонным процессам, переносу энергии от матрицы к активатору, влиянию кристаллического поля на спектры люминесценции и т.д. В 1980 году в лаборатории при изучении рентгенолюминесценции кристалла BaF₂ был обнаружен новый вид оптического излучения, за который ответственны остовно-валентные переходы (ОВП). Эти излучательные переходы, совершаются между верхней остовной (5pBa) и валентной (2pF) зонами кристалла, в отличие от обычных переходов, происходящих в пределах верхней запрещенной зоны. Кристаллы, обладающие ОВП (фториды, хлориды, бромиды) имеют следующие характеристики: необычно короткое время спада люминесценции (наносекундный и субнаносекундный диапазоны), высокая стабильность всех параметров люминесценции в широком интервале температур (77-600 К), сравнительно высокий энергетический выход люминесценции (~1 %) при рентгеновском возбуждении. Эти характеристики позволяют использовать ОВП кристаллы в качестве «быстрых» сцинтилляторов — преобразователей высокоэнергетического излучения в световое. Потребность в быстрых регистраторах излучений возрастает, поскольку увеличивается быстродействие устройств, использующих сцинтилляционные кристаллы: томографы, детекторы различных ядерных реакций, космических излучений и т. д. В результате одно из направлений, которое сформировалось в группе: разработка и совершенствование быстрых сцинтилляторов

Исследование галогенидов и оксидов, подвергаемых воздействию ионизирующих излучений, позволило разработать физические модели сложных релаксационных процессов, протекающих в сцинтилляторах. Результаты этих исследований опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах (в среднем 6-7 публикаций в год), доложены на многих конференциях, обобщены в ряде диссертаций. По предложению известного американского издательства CRC Press П.А. Родным была написана книга «Physical Processes in Inorganic Scintillators», изданная в 1997 году.

Другое родственное направление, развиваемое группой, — разработка сцинтилляторов для разделения смешанных потоков нейтронов (n) и гамма (γ) квантов. Обычно для регистрации нейтронов и γ-квантов используют два отдельных детектора. Однако, часто необходимо знать n/γ отношение в данном месте (точке) пространства, т.е. требуется один детектор. Оказалось, что ОВП производят очень низкую интенсивность оптического излучения при нейтронном и γ-облучении, но весьма эффективны при g-облучении. Кристаллы для n/γ-сепарации должны обладать как ОВП с постоянной спада (τ) порядка 1нс, так и обычной люминесценцией с t >= 10 нс. В этом случае импульс на выходе фотоприемника (обычно ФЭУ) может быть разделен на сигналы, поступающие от падающих нейтронов и гамма квантов. В группе разработаны кристаллы для n/γ-сепарации, один из которых BaLiF₃:Ce был внедрен в практику.

Другое направление — запоминающие люминофоры (storage phosphors) для регистрации рентгеновских и нейтронных потоков. Экраны с такими люминофорами служат альтернативой рентгеновским пленкам. Изображение от объекта, облучаемого рентгеновским потоком, «запоминается» люминофором (это соответствует физическому процессу захвата электронов на ловушки). Затем экран сканируют лазерным лучом, «считывают» изображение по точкам и сохраняют в электронной форме.

Совместно с голландскими учеными группа участвовала в поиске люминофоров с квантовой эффективностью (Q) выше единицы. Такие люминофоры необходимы, прежде всего для плазменных дисплейных панелей (ПДП), в которых используется He-Ne разряд. Максимум излучения He-Ne плазмы лежит в вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ) диапазоне при 7.2 эВ, а средняя энергия квантов видимого света составляет ~ 2.5 эВ, поэтому энергетические потери в ПДП люминофорах велики. В принципе, возможно последовательное (каскадное) излучение двух видимых фотонов люминофором, возбуждаемым одним ВУФ фотоном (в идеальном случае: Q = 2). Эффект каскадной эмиссии фотонов был зарегистрирован в лаборатории в 2000-м году на ряде фторидов и оксидов, активированных празеодимом.

В группе регулярно осуществляются защиты магистерских и кандидатских диссертаций. Студенты, проходящие практику в группе, получают грамоты и дипломы, участвуют в конференциях молодых ученых, выигрывают гранты УМНИК и СТАРТ.

Группа публикует в научных журналах 4-6 статей в год, получено 10 патентов на изобретения. В последнее время научная группа вовлечена в разработку сверхбыстрых сцинтилляторов на основе керамических материалов. Работы по получению сцинтилляторов с субнаносекундными временами спада ведутся по двум направлениям: 1) легированные BaF₂ керамики, обладающие остовно-валентными переходами (совместно с ОАО ИНКРОМ); 2) ZnO и ZnO:Ga керамики, обладающие быстрым экситонным свечением (совместно с НИИТИОМ ГОИ им. С.И. Вавилова). С фирмой Philips заключен договор на 2012-16 гг. по разработке сцинтилляторов для рентгеновской компьютерной томографии и позитронно-эмиссионной томографии.

Список научных публикаций и патентов группы за 2008-2012 годы

Список научных публикаций группы в 2014 году

1. П. А. Родный, В. М. Ханин, А. С. Волошиновский, Г. Б. Стриганюк, Е. А. Гарибин, П. Е. Гусев, М. А. Крутов, А. А. Демиденко, ОПТИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ BaF2 И BaF2:Tm в ВУФ и УФ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА, ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2014, том 117, № 3, с. 58–61.
2. Ханин В.М., Веневцев И.Д., Родный П.А., Люминесцентные и сцинтилляционные характеристики Y3Al5O12:Ce,Tb, Материалы XX Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 15-19 сентября 2014, стр. 50-53.
3. V. V. Vistovskyy, A. V. Zhyshkovych, O. O. Halyatkin, N. E. Mitina, A. S. Zaichenko, P. A. Rodnyi, A. N. Vasil’ev, A. V. Gektin, and A. S. Voloshinovskii, The luminescence of BaF2 nanoparticles upon high-energy excitation, Journal of Applied Physics, 116 (2014) 054308 (1-5).
4. И.Д. Веневцев, К.А. Черненко, П.А. Родный, “Сцинтилляционные характеристики ZnO и ZnO:Ga керамик”, Сборник аннотаций 12 Курчатовской молодежной научной школы, октябрь 2014, с. 180.
5. П. П. Федоров, С. В. Кузнецов, А. Н. Смирнов, Е. А. Гарибин,П. Е. Гусев, М. А. Крутов, К. А. Черненко, В. М. Ханин. Микроструктура и сцинтилляционные характеристики керамики BaF₂. Неорганические материалы, 2014, том 50, № 7, с. 794–800.
6. А.С. Пашак, В.В. Вистовский, Т.М. Демкив, А.А. Галяткин, Ю.Р. Дацюк, А.В. Гектин, С.В. Мягкота, П. А. Родный, А. С. Волошиновский, Люминесценция активированных ионами Eu²⁺ микрокристаллов SrX₂ (X=Cl, I) диспергированных в матрице NaI, Оптика и Спектроскопия, 2014, том 117, № 4, с. 611–615.
7. Mayakova, M.N., Fedorov, P.P., Kuznetsov, S.V., Voronov, V.V., Baranchikov, A.E., Rodnyi, P.A., Synthesis and study of barium fluoride powder doped with scandium as scintillation ceramics charge, Proceedings — 2014 International Conference Laser Optics, LO 2014, 6886383.