Российские ученые упростили производство сцинтилляционного стекла для регистрации нейтронов

Физики из России разработали технологию производства сцинтилляционного стекла — материала, способного регистрировать нейтроны с высокой эффективностью. Новая методика не требует сложного оборудования и подходит даже для небольших лабораторий, что делает ее применимой в промышленных условиях на территории страны. Работа опубликована в журнале Physics of Particles and Nuclei.

Что такое сцинтилляционное стекло и зачем оно нужно?
Сцинтилляционное стекло — это материал, в котором при попадании ионизирующих частиц (таких как гамма-кванты, альфа- и бета-частицы) возникают световые вспышки — сцинтилляции. Эти вспышки улавливаются детекторами, что позволяет регистрировать частицы и измерять их энергию. В новой разработке ключевую роль играет изотоп лития-6, способный эффективно поглощать нейтроны и превращать их в заряженные частицы — именно они вызывают световые сигналы в стекле.
Главное преимущество предложенного метода — его технологическая доступность. Стекло можно выплавлять без высокотемпературных печей и специализированного оборудования. Это стало возможным благодаря использованию микроволнового (СВЧ) излучения: в эксперименте энергия поглощается не только специальным тиглем, но и самим расплавом, обеспечивая быстрый и равномерный нагрев. Вся процедура занимает около двух часов и проводится в обычной воздушной среде.
Ученые также оптимизировали состав порошковой смеси — шихты — из которой готовится стекло. Особое внимание уделялось содержанию ионов церия в двух степенях окисления (Ce³⁺ и Ce⁴⁺), от соотношения которых зависит яркость и прозрачность материала.

«Сцинтилляция в стекле — тонкий и чувствительный процесс. Даже небольшое отклонение в составе может серьезно снизить световой отклик. Особенно важно контролировать содержание изотопа лития-6 — он напрямую влияет на эффективность регистрации нейтронов», — поясняет Игорь Кресло, ведущий научный сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий МФТИ.

Характеристики и неожиданные источники церия
По результатам экспериментов, световыход нового стекла составил 3900 ± 280 фотонов на один нейтрон, а эффективность регистрации тепловых нейтронов (при толщине 1,05 мм) — 5,25 ± 1,06 %. Эти показатели сопоставимы с характеристиками одного из лучших зарубежных образцов — стекла GS20.

Разработка не обошлась без курьёзов. В начале исследований ученые столкнулись с дефицитом высокочистого трифторида церия. Тогда они неожиданно нашли источник редкоземельного элемента… в старых кремнях для зажигалок:

«Мы вспомнили, что классические кремни содержат церий и лантан, и решили попробовать. Из нескольких десятков кремней мы выделили церий, синтезировали трифторид — и у нас получилось вполне приличное сцинтилляционное стекло!» — рассказывает Игорь Кресло.

Что дальше?
В будущем исследователи планируют увеличить содержание лития-6 для повышения чувствительности стекла к нейтронам. Также рассматривается возможность создания парных стекол — на основе лития-6 и лития-7, чтобы обеспечить избирательность к нейтронному излучению и снизить влияние фоновой гамма-радиации. Такая комбинация позволит еще точнее различать типы излучения в сложных экспериментальных условиях.

Источник: Ученые разработали доступную методику создания сцинтилляционного стекла для регистрации нейтронов — За науку