Уральские ученые синтезировали материал для индивидуальной дозиметрии

10:31, 17 апреля 2020

Вещество можно использовать в ядерной медицине, на атомных электростанциях

Михаил Калинкин и Ринат Абашев исследуют матрицу литий-магниевого фосфата. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Уральского отделения Академии наук и Уральского федерального университета создали новый люминесцентный материал для индивидуальной дозиметрии на основе литий-магниевого фосфата, LiMgPO4 (малоизученный, но перспективный материал). Процесс и результаты исследований представлены в статьях в Journal of Alloys and Compounds и Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.

Над веществом работают аспирант Института химии твердого тела УрО РАН Михаил Калинкин и доцент кафедры экспериментальной физики УрФУ, научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН Ринат Абашев. Они первые в мире провели фундаментальное исследование матрицы литий-магниевого фосфата. В результате выявили, как дефекты, возникающие в ходе синтеза вещества при его термической обработке и допировании редкоземельными элементами, влияют на его термолюминесцентные свойства.

«Мы подвергли LiMgPO4 термообработке в различных средах — аргоне, чистом кислороде и воздухе, то есть в газовых средах с различным парциальным давлением кислорода, при температуре +900°C. Выяснилось, что чем меньше концентрация поверхностных дефектов, тем выше интенсивность термолюминесценции данного материала. Меньше всего дефектов возникает при отжиге в среде с максимальным количеством кислорода, то есть в чистом О2, больше всего — при термообработке в атмосфере аргона. Понимание этих закономерностей открыло возможность синтезировать новый материал на основе литий-магниевого фосфата с заданными свойствами», — объясняет Михаил Калинкин.

Эксперименты показали, что наиболее эффективный метод синтеза — плавление с последующей кристаллизацией: плавление литий-магниевого фосфата происходит при нагревании до +1250°C, процесс кристаллизации — при комнатной температуре. Как следствие, площадь поверхности и количество поверхностных дефектов в материале становятся минимальными.

Для допирования LiMgPO4 исследователи выбрали тербий. Во-первых, этот редкоземельный элемент легко встраивается в кристаллическую решетку литий-магниевого фосфата. Во-вторых, при облучении исходного вещества источником ионизирующего излучения и последующем нагревании тербий усиливает выход термостимулированной люминесценции (другими словами — выход энергии, накопленной при обучении) и дает ярко выраженное зеленое свечение, которое различимо не только приборами, но и в некоторых условиях человеческим зрением.

«Таким образом, сочетание литий-магниевого фосфата с тербием эффективно для регистрации доз радиационного облучения. Эксперименты показали, что синтезированное нами вещество не только не уступает аналогам, но и в некоторых случаях эффективнее их. Оно может применяться в любой сфере, связанной с источниками ионизирующего облучения в диапазоне действия накопительных дозиметров — от десятков микрогрей до десятков грей: в ядерной медицине, на атомных электростанциях и так далее», — комментирует Ринат Абашев.

Отметим, проект Михаила Калинкина и Рината Абашева «Комплексное изучение фосфатов и боратов как оптических матриц для твердотельных радиационных дозиметров» поддержал Российский научный фонд. В настоящее время они работают над усовершенствованием LiMgPO4, допируя его другими редкоземельными элементами — увеличивают прозрачность материала и улучшают его способность надолго сохранять энергию, полученную при облучении: от этого зависит полнота световыхода и точность измерения доз облучения дозиметром.