Борис Гриньов, завідувач кафедри фізики кристалів фізичного факультету ХНУ імені В.Н. Каразіна, директор Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України, академік НАН України, доктор технічних наук, професор
Матінка-природа розпорядилася укласти кристали в різноманітні творіння. Серед них кристали солі у сталактитових печерах або кристалів гіпсу на глибині 300 м, кристали льоду - сніжинки, окаменілі — в скелетах коралів, білкові — у сплетіннях павутини, а також рідкі кристали оболонок людських нервових клітин чи у екранах гаджетів, навіть кожна піщинка на пляжі — також кристал, часто ми зустрічаємося із кристалами дома на кухні: сіль, цукор, лимонна кислота.
Робота науковців полягає у визначенні, поясненні та змозі відтворити те, що зробила природа, задля поліпшення людського життя. Так само, як скульптор ретельно відтворює певний образ, вкладаючи у статую частинку свого унікального творчого потенціалу для досягнення еталона краси і загального задоволення, так і матеріалознавці створюють за законами природи нові матеріали, що мають своєрідну красу у повсякденному житті, яку треба не тільки побачити, а й відтворити як дещо нове та корисне.
Печера кристалів гіпсу, розташовану на глибині 300 метрів в руднику Найка, виявили в 2000 році. Фото: SPL/EAST NEWS
Вочевидь кожен із нас неодноразово спостерігав веселку. Але хіба хтось замислювався над тим, що під час утворення веселки відбувається процес заломлення й відбиття світла у краплях води, які містяться в повітрі? Краплі, через які проходить світло, по-різному заломлюють різні кольори, відтак біле світло розкладається на спектр, який ми і бачимо. Проте це лише видима частина оптичного спектра, вона мізерна на шкалі електромагнітного спектра.
Шкала електромагнітних хвиль
А як щодо невидимої для нашого ока частини? Наприклад, іонізуюче випромінювання. Чи можемо ми його побачити? Якщо так, тоді як саме? Відповідь на питання: так, це можливо, але не прямо, а опосередковано. Для цього знадобиться речовина, яка зможе поглинати енергію від іонізуючого випромінювання та перетворювати її на світло. Багато хто чув, а хтось і бачив полярне сяйво. Це явище — наочний приклад такого перетворення у природі. Заряджені частинки потрапляють в атмосферу з космосу і під дією магнітного поля Землі прямують до магнітних полюсів, де входять у верхні шари атмосфери, зіштовхуються з її молекулами або атомами газів, збуджують їх і зрештою змушують випромінювати видиме світло. Червоно-зелена гама полярного сяйва створюється через переважне випромінювання ліній атомарного кисню та молекулярного азоту. (Світіння кисню обумовлено випромінюванням збуджених атомів в метастабільних станах з довжинами хвиль 557,7 нм (зелена лінія, час життя 0,74 с) і дублетом 630 і 636,4 нм (червона область, час життя 110 с). )
Людству притаманна допитливість, тому нас завжди цікавило щось нове та непізнане. Заряджені частинки і радіація не стали винятком. Одним із перших пристроїв для реєстрації слідів заряджених частинок стала камера Вільсона. Вона була заповнена насиченими парами води, спирту або ефіру. Заряджена частинка, проходячи крізь камеру, залишає на своєму шляху ланцюжок іонів, після цього перенасичений пар конденсується на іони, роблячи видимим слід частинки. Але це не єдиний спосіб побачити заряджені частинки.
Скажімо, чи знали ви, що існують такі кристали, які дають змогу побачити іонізуюче випромінювання і заряджені частинки завдяки світловому спалаху, що виникає? Такі матеріали називають сцинтиляторами. Перший сцинтиляційний детектор був у вигляді екрана, покритого шаром ZnS. Спалахи, що виникали під час проходження через нього заряджених частинок, фіксували за допомогою мікроскопа. Згодом світлові спалахи від сцинтиляторів почали реєструвати фотоелектронними помножувачами та фотодіодами. Сполучення цих первинних перетворювачів і стало найважливішим критичним принципом роботи приладів з реєстрації іонізуючих випромінювань.
Нині сцинтиляційні матеріали слугують невід’ємною частиною великого адронного колайдера (ВАК), про який так багато пишуть у сучасній науковій літературі. Саме за допомогою сцинтиляційних детекторів вдалося відкрити й уперше зареєструвати екзотичні частинки. Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України відіграв важливу роль у створенні сцинтиляторів для ВАК. У масштабах міжнародних проєктів необхідні сцинтиляційні детектори можуть перевищувати декілька тонн.
Для ВАК за лічені роки розроблено методики з вирощування великогабаритних кристалів PbWO4 та зроблено поставки в необхідній кількості. У найближчому майбутньому планується модернізація та розширення комплексу ВАК, відтак посилення діючих елементів приладів для нових експериментів. Тому необхідні нові радіаційно-стійкіші сцинтиляційні кристали, витонченіші вдосконалення приладів.
Перехід від лабораторного вирощування та дослідництва до масового застосування можливий лише за спонсорської підтримки та цілеспрямованого розподілу трудових ресурсів на конкретні задачі, що під силу тільки найбільшим міжнародним дослідним організаціям. Проте існує потреба у приладах, здатних реєструвати іонізуюче випромінювання в інших галузях діяльності людини, скажімо, в медицині, геологорозвідці, системі безпеки тощо. Для кожної задачі необхідні особливі кристали з унікальними механічними, оптичними та сцинтиляційними властивостями. Наприклад, для медичних сканерів, у контрасті до потреб для ВАК, насамперед важлива ефективність, яка забезпечить зниження дози опромінення пацієнта, тобто для позитрон-емісійних томографів необхідні кристали з найвищим світловим виходом та найкращим енергетичним розділенням, а не підвищена радіаційна стійкість. Нині щороку з’являється дедалі більше напрямів і можливостей застосування сцинтиляторів окремо від традиційних напрямів, пов’язаних із розробкою та вдосконаленням пристроїв — складних багатокомпонентних детекторів іонізуючих випромінювань. На відміну від досліджень до 2000-х, нині існує сформульований прагматичний підхід до створення приладів для найважливіших задач, що сприяє закріпленню позицій національного матеріалознавства на сучасному планетарному рівні науки.
Упродовж останніх десятиліть пошук нових сцинтиляційних матеріалів не втрачає своєї актуальності. Розроблення сучасних та оновлення існуючих детекторів у фізиці високих енергій у зв’язку зі збільшенням світимості в прискорювачах елементарних часток, розвиток техніки візуалізації від екранів до медицини та розширення галузі використання реєструючих систем потребує створення сцинтиляційних матеріалів із поліпшеними характеристиками. Особливе місце серед таких матеріалів посідають неорганічні оксидні сцинтиляційні кристали, що леговані додатковими елементами. Завдяки своїм фізичним властивостям оксиди металів третьої групи технічно досить перспективні системі. Тому багато уваги приділяють як створенню нових сцинтиляційних систем (монокристалів, композиційних матеріалів, тонких плівок), так і їх дослідженню, адже необхідно не лише мати матеріал, а й добре розуміти його властивості.
Молодим ученим Харкова та Львова (Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України, Львівський національний університет імені Івана Франка) вдалось не лише розробити методики створення нових унікальних матеріалів, а й усебічно дослідити й експериментально довести їхні покращені експлуатаційні характеристики: надвисоку радіаційну стійкість (понад 500 Мрад), надчутливість сцинтиляційних матеріалів, поліпшену просторову рівномірність реєстрації катодолюмінесценції (з використанням екранів, що побудовані на спеціально розроблених наночастинках) тощо. Вони вперше отримали рівномірні тонкі плівки Y2O3:Eu (від 16 до 353 нм), створили нові об’ємні монокристали та монокристалічні волокна, розробили радіаційно-стійкі композиційні сцинтилятори. Розроблені новітні функціональні матеріали закладають підґрунтя для конструювання детектуючих приладів нового покоління.
Продукція Інституту сцинтиляційних матеріалів
Джерело: https://ukurier.gov.ua/uk/articles/kristalichna-planeta/
