Радиационно-стойкие люминесцентные алмазные композиты для визуализации рентгеновских пучков высокой мощности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00401

НазваниеРадиационно-стойкие люминесцентные алмазные композиты для визуализации рентгеновских пучков высокой мощности

Руководитель Кузнецов Сергей Викторович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Алмаз, Композит, Наночастицы, Фотолюминесценция, Рентгенолюминесценция, CVD синтез, СВЧ плазма

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на решение задачи получения радиационно-стойких материалов для визуализации рентгеновского излучения. Для решения данной задачи предложен метод изготовления композитных материалов, состоящих из прозрачной алмазной матрицы с внедренными люминесцентными наночастицами. В рамках данного проекта для получения интенсивной рентгенолюминесценции в качестве внедряемых частиц будет опробован широкий ряд соединений Y3Al5O12:Ce, SrF2:Eu, SrF2:Ba:Eu, SrF2:Pr, SrF2:Ba:Pr, β-NaGdF4:Eu и Fe3O4. Исходные нанопорошки будут получены методом соосаждения из водных растворов с последующей термической обработкой. Поли- и монокристаллические алмазные матрицы будут получены методом химического осаждения из газовой фазы в СВЧ плазме в газовых смесях метан-водород. Структура и фазовый состав исходных наночастиц и изготавливаемых композитов будут изучены методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопиями, малоуглового и высокотемпературного рентгенофазового анализа, спектроскопии комбинационного рассеяния, дифференциальной сканирующей калориметрии и др. Спектры люминесценции исходных частиц и изготовленных алмазных композитов будут изучены с использованием источников возбуждения в видимом и рентгеновском диапазонах. Полученные данные будут использоваться для дальнейшей коррекции и оптимизации как режимов синтеза исходных порошков, так и методов их интеграции в алмазную матрицу. В рамках данного проекта будет также изучена возможность регистрации рентгенолюминесценции не только в результате возбуждения оптически активной редкоземельной компоненты наночастиц, но также и за счёт передачи данного возбуждения центрам «кремний-вакансия» и «германий-вакансия» в алмазной матрице (Si-V и Ge-V, соответственно), обладающим временами затухания люминесценции порядка единиц наносекунд. Полученные результаты будут в дальнейшем использованы для изготовления новых типов сцинтилляторов для регистрации и визуализации рентгеновских пучков высокой мощности в синхротронах и лазерах на свободных электронах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ермакова Ю.А., Александров А.А., Федоров П.П., Иванов В.К., Воронов В.В., Пастернак Д.Г., Уваров О.В., Кузнецов С.В. Synthesis of single-phase Sr1-xBaxF2 solid solutions by co-precipitation from aqueous solutions Solid State Sciences, v.130, p.106932 (год публикации - 2022)
10.1016/j.solidstatesciences.2022.106932

2. Дробышева А.Р., Ермакова Ю.А., Александров А.А., Воронов В.В., Батыгов С.Х., Резаева А.Д., Мартьянов А.К., Седов В.С., Тяжелов И.А., Болдырев К.Н., Табачкова Н.Ю., Кузнецов С.В. РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ НАНОПОРОШКОВ SrF2:Eu Оптика и спектроскопия (год публикации - 2023)

3. Тяжелов И.А., Мартьянов А.К., Кузнецов С.В., Дробышева А.Р., Ермакова Ю.А., Александров А.А., Седов В.С. Влияние отжига в CH4/H2 СВЧ плазме на фотолюминесценцию порошков SrF2:Eu Тезисы докладов. Школа-конференция молодых ученых "Прохоровские недели"., С.95-96 (год публикации - 2022)
10.24412/c1-35673-2022-1-95-96

4. Кузнецов С.В., Седов В.С., Дробышева А.Р., Мартьянов А.К., Батыгов С.Х., Ермакова Ю.А., Александров А.А., Резаева А.Д., Воронов В.В., Тяжелов И.А., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Болдырев К.Н. Radiation-Resistant Luminescent Diamond Composites for Imaging High Power X-Ray Beams. International Conference, Abstracts. SYNCHROTRON RADIATION TECHNIQUES FOR CATALYSTS AND FUNCTIONAL MATERIALS., С.53 (год публикации - 2022)

5. Кузнецов С., Седов В., Дробышева А., Мартьянов А., Батыгов С., Ермакова Ю., Александров А., Резаева А., Воронов В., Тяжелов И., Никова М., Тарала В., Вакалов Д., Болдырев К. X-ray luminescence diamond-nanoparticle composites XVIII INTERNATIONAL FEOFILOV SYMPOSIUM ON SPECTROSCOPY OF CRYSTALS DOPED WITH RARE EARTH AND TRANSITION METAL IONS. Book of abstracts, С.75 (год публикации - 2022)

6. Тяжелов И., Мартьянов А., Седов В., Болдырев К., Дробышева А., Ермакова Ю., Александров А., Воронов В., Кузнецов С. Photoluminescence of SrF2:Eu powders after annealing in CH4/H2 microwave plasma. Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’22). Book of abstract., С.157 (год публикации - 2022)

7. Кузнецов С.В., Седов В.С., Ермакова Ю.А., Болдырев К.Н., Дробышева А.Р., Александров А.А., Мартьянов А.К., Тяжелов И.А., Вакалов Д.С., Тарала В.А., Никова М.С., Пройдакова В.Ю., Воронов В.В., Федоров П.П. Люминесцентные алмазные композиты. XVII Всероссийская конференция «Высокочистые вещества. Получение, анализ, применение» и X Школа молодых ученых «Особо чистые стекла для волоконной оптики». Тезисы докладов., С.93 (год публикации - 2022)

8. Кузнецов С.В., Седов В.С., Мартьянов А.К., Батыгов С.Х., Никова М.С., Чикулина И.С., Вакалов Д.С., Болдырев К.Н., Тарала В.А. New class of X-ray visualization materials based on Luminescent Diamond-based Composites 20th International Conference Laser Optics ICLO 2022. TECHNICAL PROGRAM, C.10 (год публикации - 2022)

9. Кузнецов С.В., Седов В.С., Мартьянов А.К., Вакалов Д.С., Тарала Л.В., Тяжелов И.А., Болдырев К.Н. Synthesis of Y3Al5O12:Ce Powders for X-ray Luminescent Diamond Composites Inorganics, 2022, 10, 240. (год публикации - 2022)
10.3390/inorganics10120240

10. Кузнецов С.В., Ермакова Ю.А., Болдырев К.Н., Седов В.С., Александров А.А., Воронов В.В., Батыгов С.Х., Резаева А.Д., Дробышева А.Р., Табачкова Н.Ю. Single-phase nanopowders of Sr0.85-xBaxEu0.15F2.15: Investigation of structure and X-ray luminescent properties Ceramics International, Т.49, С.39189-39195 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ceramint.2023.09.262

11. Кузнецов С.В., Ясыркина Д.С., Валиев Д.Т., Степанов С.А., Александров А.А., Батыгов С.Х., Воронов В.В., Конюшкин В.А., Накладов А.Н., Ермакова Ю.А., Федоров П.П. Spectral and Cathodoluminescence Decay Characteristics of the Ba1-xCexF2+x (x = 0.3–0.4) Solid Solution Synthesized by Precipitation from Aqueous Solutions and Fusion Photonics, 2023, v. 10, p. 1057 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10091057

12. Кузнецов С.В., Седов В.С., Мартьянов А.К., Ермакова Ю.А., Пройдакова В.Ю., Тяжелов И.А., Воронов В.В., Александров А.А., Батыгов С.Х., Дробышева А.Р., Болдырев К.Н., Вакалов Д.С., Тарала В.А НОВЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ СО СТРУКТУРОЙ «НАНОЧАСТИЦЫ-В-АЛМАЗЕ» СЕДЬМАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТРАН СНГ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, ГИБРИДНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ «ЗОЛЬ-ГЕЛЬ 2023», Сборник тезисов, с. 85 (год публикации - 2023)

13. Кузнецов С.В., Седов В.С., Мартьянов А.К., Ермакова Ю.А., Пройдакова В.Ю., Тяжелов И.А., Воронов В.В., Александров А.А, Батыгов С.Х., Дробышева А.Р., Болдырев К.Н., Вакалов Д.С., Тарала В.А. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ПЛЕНОЧНЫЕ АЛМАЗНЫЕ КОМПОЗИТЫ ТИПА АЛМАЗ-НАНОЧАСТИЦЫ Термодинамика и материаловедение. Тезисы докладов XV Симпозиума с международным участием, Сборник тезисов, с. 165 (год публикации - 2023)
10.26902/THERM_2023_155

14. Кузнецов С.В., Ермакова Ю.А., Седов В.С., Болдырев К.Н., Батыгов С.Ч., Александров А.А., Дробышева А.Р., Мартьянов А.К., Резаева А.Д., Воронов В.В., Тяжелов И.А., Тарала В.А., Вакалов Д.С. Radiation-Resistant Luminescent Diamond Composites Based on Polycrystalline Diamond with Embedded Oxide and Fluoride Nanoparticles II International Conference Synchrotron Radiation Techniques for Catalysts and Functional Materials, с. ОР-22 (год публикации - 2023)

15. Седов В., Мартьянов А., Тяжелов И., Вакалов Д., Болдырев К., Кузнецов С. X-ray luminescent diamond materials: synthesis and study of YAG-based composites with varied concentration of Ce ions Hasselt Diamond Workshop 2023 - SBDD XXVII, с. 88 (год публикации - 2023)

16. Ермакова Ю.А., Федоров П.П., Воронов В.В., Батыгов С.Х., Кузнецов С.В. РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ НАНОПОРОШКОВ Sr0.925-xBaxEu0.075F2.075 Конденсированные среды и межфазные границы (год публикации - 2024)

17. Седов В.С., Мартьянов А.К., Тяжелов И.А., Ермакова Ю.А., Пройдакова В.Ю., Александров А.А., Вакалов Д.С., Болдырев К.Н., Кузнецов С.В. X-ray luminescent diamond materials based on Eu-doped and Ce-doped substances Abstract - 33rd International Conference on Diamond and Carbon Materials 2023, 10-14 September 2023 (Palma, Spain) poster P5.39., Poster 5.39 (год публикации - 2023)

18. Кузнецов С.В., Седов В.С., Дробышева А.Р., Мартьянов А.К., Батыгов С.Х., Ермакова Ю.А., Александров А.А., Резаева А.Д., Воронов В.В., Тяжелов И.А., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Болдырев К.Н. LUMINESCENT DIAMOND COMPOSITES WITH EMBEDDED Y3AL5O12 DOPED CERIUM AND SRF2 DOPED EUROPIUM PARTICLE FOR RADIATION-RESISTANT IMAGING OF HIGH POWER X-RAY BEAMS ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE. SARATOV FALL MEETING XXVI, тезис №1893 (год публикации - 2022)

19. С. Кузнецов, В. Седов, А. Мартьянов, И. Тяжелов, В. Пройдакова, Ю. Ермакова, А. Александров, В. Воронов, С. Батыгов, В. Тарала, Л. Тарала, А. Кравцов, В. Коршунов, А. Цориева, И. Тайдаков, В. Конов, П. Федоров New type of composite diamond film materials with embedded luminescence nanoparticles The 8 International Workshop on Electromagnetic Properties of Novel Materials. Skolkovo Institute of Science and Technology, Proc. P. 57. (год публикации - 2024)

20. Кузнецов С., Седов В., Мартьянов А., Тяжелов И., Тарала Л., Макаров С., Завьялов П., Купер К. Composite for synchrotron radiation visualization based on a diamond with embedded YAG:Ce particles. III International Conference «Synchrotron Radiation Techniques for Catalysts and Functional Materials» Novosibirsk – 2024. ABSTRACTS., ABSTRACTS, P.50-51. (год публикации - 2024)

21. Кузнецов С.В., Седов В.С., Пройдакова В.Ю., Ермакова Ю.А., Мартьянов А.К., Тяжелов И.А., Александров А.А., Воронов В.В., Батыгов С.Х., Попович А.Ф., Болдырев К.Н., Коршунов В.М., Тайдаков И.В., Федоров П.П. Люминесцентные композиты на основе алмаза с наночастицами фторидов Тезисы. Научно-практическая конференция «Фторидные материалы и технологии». ИОНХ, 2024. c. 135 (год публикации - 2024)

22. Ермакова Ю.А., Александров А.А., Воронов В.В., Батыгов С.Х., Федоров П.П., Болдырев К.Н., Седов В.С., Табачкова Н.Ю., Кузнецов С.В. Рентгенолюминесценция нанопорошков Sr0.85-xBaxEu0.15F2.15 Научно-практическая конференция «Фторидные материалы и технологии». ИОНХ, Тезисы., c.127-128 (год публикации - 2024)

23. В. Седов, А. Мартьянов, И. Тяжелов, С. Кузнецов, В. Конов Luminescent diamond composites for imaging of high-power x-ray beams Academizdat Publishing, 2024. — 684 p., P. 469 (год публикации - 2024)

24. С.В. Кузнецов, В.С. Седов, А.К. Мартьянов, Ю.А. Ермакова, В.Ю. Пройдакова, A.A. Александров, И.А. Тяжелов, К.Н. Болдырев, В.В. Воронов, Л.В. Тарала, Н.Ю. Табачкова, В.М. Коршунов, И.В. Тайдаков. Новые люминесцентные пленочные композиты типа алмаз-наночастицы для фотоники Всероссийская конференция по люминесценции LUMOS-2024, 2024. – С. 85. (год публикации - 2024)

25. С. Кузнецов, Ю. Ермакова, А. Александров НОВЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОРОШКИ ЛЮМИНОФОРОВ НА ОСНОВЕ ФТОРИДА СТРОНЦИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО БАРИЕМ, ЕВРОПИЕМ И ПРАЗЕОДИМОМ Всероссийская конференция по люминесценции LUMOS-2024, МГУ им. Ломоносова, 2024. С.217. (год публикации - 2024)

26. Кузнецов С.В., Седов В.С., Мартьянов А.К., Тяжелов И.А., Пройдакова В.Ю., Ермакова Ю.А., Александров А.А., Воронов В.В., Батыгов С.Х., Тарала В.А., Тарала Л.В., Кравцов А.А., Князев Ю.В., Платунов М.С., и др. Новый тип алмазных композитов с люминесцентными и магнитными свойствами на основе внедренных в алмаз частиц Сборник тезисов. ООО «Адмирал Принт», Москва, 2024. – Т.1. – С. 442-443 (год публикации - 2024)

27. А. Мартьянов, И. Тяжелов, С. Кузнецов, Ю. Ермакова, А. Александров, В. Воронов, С. Савин, А. Попович, Л. Тарала, С. Мандал, О. Вильямс, В. Конов, В. Седов Diamond seed dependent luminescence properties of CVD diamond composite. Carbon, v. 222 (2024) p.118975 (год публикации - 2024)
10.1016/j.carbon.2024.118975

28. И. Тяжелов, В. Седов, А. Мартьянов, А. Попович, А. Александров, Ю. Ермакова, В. Воронов, А. Цориева, В. Коршунов, И. Тайдаков, С. Кузнецов Structure and luminescence properties of EuF3 and SrF2:Eu nanoparticles after microwave plasma annealing in “methane–hydrogen” Dalton Transaction, 2024, v.53, p.15059-15069 (год публикации - 2024)
10.1039/d4dt01664e

29. В. Седов, А. Мартьянов, С. Кузнецов, И. Тяжелов, С. Савина, Л. Тарала, В. Конов Спонтанная нуклеация алмаза в СВЧ-плазме метан-водород на частицах YAG:Ce Краткие сообщения по физике ФИАН (год публикации - 2025)

30. Кузнецов С.В., Седов В.С.1, Мартьянов А.К.1 Тяжелов И.А., Пройдакова В.Ю., Ермакова Ю.А., Александров А.А., Воронов В.В., Федоров П.П. Люминесцентные и магнитные алмазные композиты XIII Всероссийская конференция с международным участием «Химия твердого тела и функциональные материалы 2024». С.-Петербург, C. 236. (год публикации - 2024)

31. Тяжелов И.А., Мартьянов А.К., Ермакова Ю.А., Александров А.А., Седов В.С. Новые люминесцентные композитные материалы на основе CVD алмаза Школа-конференция молодых ученых «ПРОХОРОВСКИЕ НЕДЕЛИ», ИОФ РАН, P.137-138 (год публикации - 2024)
10.24412/cl-35673-2024-1-137-138

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате исследований изучено влияние температуры и газовой среды плазмы на химический состав и люминесцентные свойства фторидных порошков. Установлено образование гидридов из EuF3 и SrF2:Eu в водород-метановой плазме. Выявлен эффект самозарождения алмазных зерен на частицах CeO2, ZrO2:Sc:Eu, YAG:Ce, EuF3 и LiF в условиях CVD-роста. Эти материалы продемонстрировали значительно большую плотность нуклеации, чем более близкие к алмазу по структуре и химическим свойствам соединения Si, Ge и SiO2. Разработана усовершенствованная методика получения твердых растворов Sr1-xPrxF2+x, определена оптимальная концентрация празеодима для максимальной люминесценции (0.0025 мол.д.), а также выявлены изменения спектров при CVD-росте алмазных композитов. Закономерности подтверждены для другой матрицы β-NaGdF4:Pr. Дополнительно изучено влияние условий внедрения наночастиц с архитектурой ядро NaGdF4:Eu и ядро/оболочки NaYF4 на люминесцентные свойства алмазных композитов. Анализ спектральных данных позволил объяснить изменения в спектрах трёхвалентного европия, заключающиеся в появлении доминантной полосы в диапазоне 612–615 нм за счет анизотропии химического состава по диаметру частиц, которая приводит к понижению локальной симметрии иона европия. Синтезированы и исследованы люминесцентные композиты на основе ZrO2:Sc:Eu. Установлено, что термический постростовой отжиг усиливает люминесценцию за счет удаления графитовой фазы. Основная полоса люминесценции соответствует переходу 5D0-7F2 с максимумом на 604 нм, а также отмечены полосы двухвалентного (425 нм) и трехвалентного (604 нм и 736 нм) европия. Получены композиты с легированием алмазной фазы атомами Si и Ge. Спектры люминесценции включают сигналы центров окраски (Si-V, Ge-V) и встроенных частиц, что перспективно для создания оптических квантовых систем. Разработана методика синтеза магнитных алмазных пленок с внедренными частицами оксида железа. Пленки проявляют макроскопический магнетизм, подтвержденный методами Мёссбауэровской спектроскопии, EXAFS и магнитометрии. В сотрудничестве с КТИ НП СО РАН и ИЯФ СО РАН проведены испытания алмазного композита с частицами YAG:Ce как монитора пучка синхротронного излучения. Образец продемонстрировал высокую точность определения центроида пучка, превосходя другие испытанные материалы.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные методики изготовления фото- и рентгенолюминесцентных алмазных композитов обладают широким потенциалом применения в высокотехнологичных отраслях. Данные методики могут быть использованы при создании материалов для стойких детекторов и визуализаторов рентгеновского излучения, что особенно актуально для установок, генерирующих пучки высокой мощности, таких как синхротроны и лазеры на свободных электронах. Также, обнаруженный эффект самозарождения алмаза на поверхностях оксидов и фторидов различных составов открывает новые возможности для решения актуальных задач квантовой оптики за счёт использования люминесцентных микро- и наночастиц с алмазной оболочкой. С учётом биосовместимости алмаза, данный эффект особенно перспективен для использования в биомедицине. В частности, такие биосовместимые люминесцентные частицы могут быть интересны для задач нанотермометрии, гипертермии и диагностики новообразований.