Разработка теоретических и химико-технологических основ создания кристаллических сцинтилляционных материалов сложного состава для детекторов сканеров, использующих жёсткое электромагнитное и нейтронное излучение

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 25-73-30014

НазваниеРазработка теоретических и химико-технологических основ создания кристаллических сцинтилляционных материалов сложного состава для детекторов сканеров, использующих жёсткое электромагнитное и нейтронное излучение

Руководитель Коржик Михаил Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №107 - Конкурс 2025 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова сцинтилляция, неравновесное состояние, ионизационный трек, композиционное разупорядочение, кристалл, гранат, шеелит, прекурсор, шихта, керамика, стекло, стеклокерамика, выход сцинтилляции, кинетика сцинтилляции

Код ГРНТИ31.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Неорганические сцинтилляционные материалы являются надежным инструментом для измерения ионизирующего излучения. Работа направлена на разработку более дешевых технологий получения товарной массы сцинтилляционного материала с требуемыми потребительскими свойствами — высоким световыходом и контролируемой кинетикой высвечивания, для обеспечения передового уровня досмотровые систем и медицинских позитронных эмиссионных и компьютерных томографов и рентгеновских сканеров с лучшим пространственным разрешением изображений, а также возможностей исследовательских установок мирового уровня на установках класса «мегасайенс». Основной упор сделан на разработку соединений сложного катионного состава для кристаллических соединений, и для стекла и стеклокерамики также и анионного состава. В ходе выполнения проекта будут созданы модели формирования сцинтилляционных импульсов с учетом распределения плотности электронных состояний вблизи запрещенной зоны, пространственной и временной эволюции неравновесных носителей в соединениях с различной степенью композиционной и пространственной упорядоченности для разработки химико-технологической основы получения сцинтилляционных материалов в кристаллической, стеклокерамической и стеклообразных формах. Будут получены новые данные в области структурной химии, фазовых равновесий для оптимизации технологии получения таких форм, изготовлены и испытаны детекторные элементы, выбраны оптимальные составы и формы для масштабирования технологии. Основными методами получения многоионных соединений в кристаллической форме будут получение керамики безрасплавным методом или выращивание раствор-расплавным методом, когда температура жидкой фазы может быть существенно понижена за счет материала плавня. Также, достаточно большой набор многоионных соединений будет получен в виде стекла или стеклокерамики. Керамический метод эффективен для соединений с кубической пространственной группой симметрии. Этому условию отвечают соединения структурного типа граната. Гранаты на основе трехзарядных катионов широко используются как сцинтилляторы и доказали свою эффективность для различных приложений в измерительной технике. Еще более многочисленной группой соединений являются гранаты, включающие двух- и четырехзарядные катионы. Такие соединения на основе кремния широко распространены в земной коре. Потенциал этих соединений для использования в качестве детекторных материалов еще не раскрыт. Для решения научной проблемы в рамках проекта будут решаться три взаимосвязанных методологических блока задач: первый — связан с инженерией электронных состояний и отбором наиболее перспективных многокатионных соединений на основе моделирования эволюции ансамбля неравновесных носителей, образованных в них ионизацией. Выбор будет верифицироваться результатами спектроскопических и рентгеноструктурных и измерений, также различными видами электронной микроскопии. Второй — связан с физико-химическими и технологическими аспектами получения прекурсоров для керамики многокатионных соединений структурного типа граната, шихты для выращивания монокристаллов разупорядоченных вольфраматов и сложных по катионному и анионному составу стекол, а также оптимизации технологических процедур. Третий — связан с подготовкой и испытаниями детекторных элементов, а также выбором материалов для масштабирования технологии. Концепция улучшения сцинтилляционных свойств за счёт усложнения состава неорганических кристаллических соединений является новой и обоснованной заявителями проекта путем испытания свойств образцов материалов, изготовленных в рамках концепции

Ожидаемые результаты
Заявители проекта нацелены на создание программного продукта для разработки сцинтилляционных материалов и технологий сцинтилляционных материалов и детекторных элементов из них, готовых к масштабированию. 1. Интерфейс, отлаженный пакет программ, для моделирования развития сцинтилляционного процесса в материалах сложного состава, готовый к регистрации. 2. Технология сцинтилляционной керамики состава (Gd,Y)3Al2Ga3O12:Ce,Tb (Pr) с оптическим пропусканием не менее 75% , толщиной пластин не менее 1.7 мм для детекторных модулей компьютерных томографов. 3. Технология сцинтилляционной керамики состава (Gd,Y,Lu)3Al2Ga3O12:Ce,Mg с оптическим пропусканием не менее 80% , толщиной пластин не менее 3.2 мм для детекторных модулей позитронных эмиссионных томографов. 4. Технология сцинтилляционной керамики состава (Gd,Y)3Al2Ga3O12:Ce,Tb с оптическим пропусканием не менее 80% , толщиной пластин не более 0.2 мм для детекторных модулей рентгеновских сканеров. 5. Определены составы, технология прекурсоров, условия синтеза силикатных гранатов M3Al2(SiO4)3 , где M-элемент второй группы и РЗИ2Mg3(SiO4)3 для получения керамическим методом материала для сцинтилляционных детекторов. 6. Определены составы, технология подготовки шихты, условия синтеза разупорядоченных вольфраматов со структурой шеелита для получения раствор-расплавным методом материала для сцинтилляционных детекторов, применяемых в установках физики высоких энергий. 7. Определены составы, технология подготовки шихты, условия синтеза оксифторидного литиевого стекла и стеклокерамики для получения материала для сцинтилляционных детекторов нейтронов. Конечной целью проекта является определение материалов для дальнейшего масштабирования технологии их производства и использования в отечественном ядерном приборостроении.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Были разработаны модели генерации ионизационных треков, включающие не только этап неупругих рассеяний с созданием вторичных электронно-дырочных пар, но и этап термализации электронных возбуждений и их рекомбинации в экситон. На основе программы CMAP (Condensed Matter And Particles), разработанной одним из авторов этого проекта, выполнено моделирование случайно сгенерированных треков ионизации электронов с энергией 50кэВ, типичной для фотоэлектронов, образующихся при поглощении гамма-квантов в плотных неорганических соединениях. Моделирование позволяет получить случайный трек, парциальные длины рассеяния электронов, распределения концентраций электронов вокруг электронов, дырок вокруг дырок, электронов вокруг дырок и дырок вокруг электронов. На основе моделирования плотности состояний, парциального вклада различных ионов в состояния в валентной зоне и зоне проводимости, а также результатов оценки средней скорости электронов и дырок объяснены эффекты увеличения выхода сцинтилляций и его температурной стабильности в соединениях (Pbх,Sr1-х)WO4 и (Pbх,Ва1-х)WO4. Исследованы концентрационные зависимости выхода сцинтилляций в этих соединениях, подтвердившие результаты моделирования. Выполнена оценка выхода сцинтилляций силикатных гранатов Lu2Mg3(SiO4)3: Tb3+(Pr3+), обладающих фазовой однородностью. Синтезированы образцы (Gd,Y)3Al2Ga3O12:Pr,RE (где RE = Ce или Tb), а также продемонстрирована возможность получения керамики высокой прозрачности на их основе. Внесение спекающих добавок позволяет повысить оптическую прозрачность керамических образцов в среднем на 10%. Исследовано влияние длительного старения и заморозки прекурсора, получаемого методом обратного совместного осаждения на оптические свойства керамического материала Установлено, что наиболее оптимальным является прекурсор, который получается при промывке осадка без старения. Установлено, что оптимальной совокупности сцинтилляционных свойств для GYAGG:Pr,Ce удаётся достичь при концентрации Pr3+ = 0,001 ф.е., а для GYAGG:Pr,Tb при концентрации Pr3+ = 0,01 ф.е. Установлено влияние фракционности порошка прекурсора на оптическое пропускание керамики (Gd,Y,Lu)3Al2Ga3O12:Ce (GYLAGG:Ce). Было исследовано влияние спекающих добавок B2O3 и SiO2 на свойства керамических образцов GYLAGG:Ce,Mg. Исследованы различные сочетания режимов получения керамических образцов GYLAGG:Ce, изготовленных на основе порошков с разными режимами термообработки и типом спекающих добавок. Использование двухфракционного порошка в комбинации с спекающими добавками позволяет получать оптическое пропускание керамики GYLAGG:Ce,Mg до 82% на длине волны максимума полосы сцинтилляций 530 нм при толщине образца 1 мм. Получены образцы прозрачной керамики GYLAGG:Ce с увеличенной до 3,2 мм толщиной. Установлено преимущество метода шликерного литья для получения компактов в процессе получения прозрачной керамики этой толщины, необходимой для получения пиксельных сцинтилляционных элементов для комплектования матриц позитронных эмиссионных томографов. Для проведения измерений на нейтронно-радиографическом стенде НИЦ «Курчатовский институт» изготовлены образцы керамики GYAGG:Ce,Tb толщиной до 0,2 мм, а для испытаний в составе аппаратуры Партнера образцы плоскопанельных детекторных элементов. Разработан многостадийный подход к синтезу соединений Pb1−xSrxWO4 и Pb1−xBaxWO4, обеспечивающий их высокую фазовую чистоту. Получены фазовые диаграммы соединений Pb1−xSrxWO4 и Pb1−xBaxWO4. Установлено, что максимум выхода сцинтилляций достигается (Pbx,Sr1-x)WO4 при х=0.2-0.3. В соединении (Pbx,Ваx-1)WO4 максимум достигается при х=0.3-0.5. Полученные экспериментальные результаты хорошо коррелируют с результатами теоретического рассмотрения. В твердом растворе при х=0,9 в (Pbx,Sr1-x)WO4 наблюдается быстрая кинетика сцинтилляций, близкая к PbWO4, а выход сцинтилляций в 3-4 раза выше, чем у вольфрамата свинца. Это делает материал перспективным для применения в электромагнитных калориметрах в экспериментах по физике высоких энергий. Проведены поисковые исследования в области силикатных гранатов. Установлено, что соединение Lu2CaMg2(SiO4)3 (LCMSG) наиболее полно соответствует условиям получения керамики, в то время как соединения с ионами Gd или Y, или с частичной заменой Lu этими катионами в соединении практически сложно получить в монофазном виде граната. Выполнена интерпретация спектров люминесценции в LCMSG. Установлено, спектры фотолюминесценции LCMSG: Pr существенно отличаются от спектров в алюминиевых и алюмо-галлиевых гранатов. Вследствие электрон-фононного взаимодействия переходы из состояния 3Р тушатся, усиливая тем самым интенсивность переходов из состояний мультиплета 1D, в люминесценции доминирует полоса 612 нм. Спектры люминесценции и их концентрационные зависимости LCMSG: Tb хорошо коррелируют со спектрами в других гранатных системах. Исследованы условия плавления и выработки литий силикатных стекол составов MFx-SiO2 (M=Li, Li+Al) (DSL) и YF3-LiF-SiO2-Ce. Исследованы спектрально-люминесцентные свойства силикатных стекол составов MFx-SiO2 (M=Li, Li+Al). Показано, что наибольшее изменение положения максимума полосы свечения наблюдается в коммерческом стекле GS20, а наименьшее – в стекле, модифицированном фторидом алюминия при максимальном содержании активатора. Установлено, что световыход разработанного стекла, выше на ~30%, а кинетика сцинтилляций короче, чем у образца сравнения GS20. Исследован отклик к нейтронам образцов оксифторидных стекол, с различным изотопическим составом ионов лития. Установлено, что использование детекторов из разработанных стекол позволяет отдельно учитывать гамма-фон, а также проводить дополнительную селекцию импульсов тепловых нейтронов за счет разделения по форме импульса.

Публикации

1. Дубов В.В., Белоусова В.Д., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Коржик М.В. Получение и исследование сцинтилляционной керамики на основе сложных оксидов со структурой граната (Gd,Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:RE и Lu2CaMg2(SiO4)3:RE ПИЯФ им. Константинова НИЦ «Курчатовский институт», XII Всероссийский молодежный научный форум с международным участием «OpenScience», ПИЯФ им. Константинова НИЦ «Курчатовский институт»: 12.11.2025–14.11.2025, Гатчина (год публикации - 2025)

2. Коржик М.В., Кузнецов А.Б., Бондарев А.Г., Григорьева В.Д., Комендо И.Ю., Храмцова Д.М., Поступаева А.Г., Шлегель В.Н., Толочко Е.Н., Васильев А.Н., Елисеев А.П. An enhancement of the light yield and improvement of its temperature dependence in mixed (Pb,Sr)WO4:La,Y scintillator OPTICAL MATERIALS (год публикации - 2025)
10.1016/j.optmat.2025.117781

3. Коржик М.В., Борисевич Е.А., Акимова О.В., Александров А.А., Амелина А.Е., Лагутский И.А., Михлин А.Л., Федоров А.А., Мечинский В.А., Комендо И.Ю., Охотникова К.Е. Capabilities for the low background measurements of neutrons combining 6Li2O* SiO2: Ce and 7Li2O* SiO2: Ce glass detecting elements Radiation Measurements, Т. 190. – С. 107553. (год публикации - 2025)
10.1016/j.radmeas.2025.107553

4. Коржик М.В., Богомолов В.В., Бондарев А.Г., Борисевич Е.А., Бузанов О.А., Июдин А.Ф., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Лагутский И.А., Охотникова К.Е., Смыслова В.Г., Свертилов С.И., Васильев А.Н., Васильев В.Б. Crystalline scintillation materials of the aluminum–gallium family to equip light satellites with neutron detectors Journal of Applied Physics, Т. 138. – №. 19. – С. 193101. (год публикации - 2025)
10.1063/5.0305438

5. Коржик М.В., Мечинский В.А., Бондарев А.Г., Дубов В.В., Фёдоров А.А., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Охотникова К.Е, Ретивов В.М., Смыслова В.Г., Янушевич Д.Н. Toward a table-top neutron time-of-flight spectrometer on a base of (Gd,Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce/SiPM scintillation detectors Radiation Physics and Chemistry, Т. 240. – С. 113386. (год публикации - 2025)
10.1016/j.radphyschem.2025.113386

6. Коржик М.В., Смыслова В.Г., Бондарев А.Г., Дубов В.В., Борисевич Е.А., Ивановских К.В., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Пустоваров В.А., Таврунов Д.А., Толочко Е.Н. Mastering the suppression of the phosphorescence of Pr-doped aluminum-gallium Gd1.5Y1.5Al2Ga3O12 ceramic scintillators Journal of Luminescence, Т. 29. – С. 121674. (год публикации - 2025)
10.1016/j.jlumin.2025.121674

7. Мечинский В.А., Борисевич Е.А., Фёдоров А.А., Акимова О.В., Горшков Д.В., Лагутский И.А., Карпюк П.В., Комар Д.И., Кожемякин В.А., Комендо И.Ю., Охотникова К.Е., Ретивов В.М., Смыслова В.Г., Тимошенко А.И., Коржик М.В. Reducing neutron counting background with binary thin detecting elements on a base of 6Li2O*2SiO2:Ce/7Li2O*2SiO2:Ce glass and Gd1,5Y1,5Al2.5Ga2.5O12:Ce,Mg/Y3Al2.5Ga2.5O12:Ce,Mg ceramic scintillators NUCLEAR ENGINEERING AND TECHNOLOGY, Т. 58. – №. 1. – С. 103867 (год публикации - 2025)
10.1016/j.net.2025.103867

8. Пустоваров В.А., Таврунов Д.А., Комендо И.Ю., Смыслова В.Г., Коржик М.В. Ultraviolet up-conversion luminescence and energy transfer in (Gd,Y)3Al2Ga3O12 ceramics doped with Pr3+ ion OPTICAL MATERIALS, Т. 167., С. 117302. (год публикации - 2025)
10.1016/j.optmat.2025.117302.

9. Смыслова В.Г., Бондарев А.Г., Федоров А.А., Борисевич Е.А., Лагутский И.А., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Калинов В.С., Мечинский В.А., Ретивов В.М., Толочко Е.Н., Васильев А.Н., Коржик М.В. New High Light Yield and Fast Ceramic Scintillator Y3Al2.5Ga2.5O12:Ce, Mg PHOTONICS, Т. 12. – №. 7. – С. 680. (год публикации - 2025)
10.3390/photonics12070680

10. Коржик М.В., Борисевич Е.А., Дубов В.В., Бузанов О.А., Мечинский В.А., Федоров А.А., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Смыслова В.Г., Тонова Л.Д., Васильев А.Н., Васильев В.Б. Comparison of the response non-proportionality to gamma-rays in single crystalline and ceramic scintillation materials of the (Gd,Y,Lu)3(Al,Ga)5O12 family Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Т. 1083. – С. 171107. (год публикации - 2025)
10.1016/j.nima.2025.171107

11. Коржик М.В., Амелина А.Е., Артемьева М.А., Балян Л.А., Бондарев А.Г., Васильев А.Н., Григорьева В.Д., Елисеев А.П., Кузнецов А.Б., Комендо И.Ю., Мечинский В.А., Михлин А.Л., Поступаева А.Г., Шлегель В.Н. Новый подход в настройке сцинтилляционных параметров кристаллов PbWO4 для расширения диапазона регистрации γ-квантов ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ (год публикации - 2026)

12. Ли Я.Р., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Коржик М.В. Изучение коллоидного способа получения планарных керамических сцинтилляторов ПИЯФ им. Константинова НИЦ «Курчатовский институт», XII Всероссийский молодежный научный форум с международным участием «OpenScience», ПИЯФ им. Константинова НИЦ «Курчатовский институт»: 12.11.2025–14.11.2025, Гатчина (год публикации - 2025)

13. Тонова Л.Д. Смыслова В.Г., Дубов В.В., Карпюк П.В., Комендо И.Ю., Коржик М.В. Влияние отклонений от стехиометрии и со-активации Mg2+ на характеристики сцинтилляционной керамики состава (Gd1-x-yYxLuy)3Al2Ga3O12:Ce (GYLAGG:Ce) ПИЯФ им. Константинова НИЦ «Курчатовский институт», XII Всероссийский молодежный научный форум с международным участием «OpenScience», ПИЯФ им. Константинова НИЦ «Курчатовский институт»: 12.11.2025–14.11.2025, Гатчина (год публикации - 2025)