Гнучкі композиційні сцинтилятори на основі мікро- та нанопорошків ZnWO4
Анотація
Для отримання матеріалів, придатних для використання в сучасних сцинтиляційних детекторах (для неруйнівного контролю, цифрової радіографії і рентгенографії, a-, b-, g- та нейтронної реєстрації), ведуться пошуки ефективних технологічних методів. Одним з перспективних напрямків досліджень в цій області є створення композиційних сцинтиляторів на основі мікро- і нанорозмірних кристалічних порошків. Властивості таких сцинтиляійних порошків істотно залежать від розміру складових їхніх частинок і морфології, отже, керуючи цими параметрами, можна створити сцинтиляційні детектори з високими сцинтиляційними характеристиками.
Вольфрамат цинку (ZnWO4) — це перспективний матеріал, який завдяки унікальній комбінації властивостей може стати успішною заміною ZnWO4, що містить токсичний кадмій. У даній роботі проведені дослідження, спрямовані на пошук ефективного способу отримання порошку ZnWO4 для розробки гнучких композиційних сцинтиляторів з високими функціональними характеристиками, такими як світловий вихід і рівень післясвітіння.
Досліджували порошки вольфрамату цинку (ZnWO4), синтезовані трьома способами: гідротермальним з мікрохвильовим нагрівом, розчин-розплавним методом і методом твердофазового синтезу. Отримані нано- та мікропорошки слугували наповнювачем для створення гнучких композиційних сцинтиляторів. Як сполучне був використаний силіконовий каучук. Морфологію зразків вивчали за допомогою трансмісійної та скануючої електронної мікроскопії. Досліджено люмінесцентні характеристики і сцинтиляційні параметри отриманих композитів. Продемонстровано залежність сцинтиляційних параметрів композитів від морфологічних особливостей нано- та мікрокристалітів ZnWO4.
Світловий вихід композиту з порошку, виготовленого з подрібненого об'ємного кристалу ZnWO4, становить 84—280% від світлового виходу монокристалла ZnWO4 і залежить від умов збору світла. Композиційні зразки з нанорозмірних порошків ZnWO4, отриманих гідротермально-мікрохвильовим і розчин-розплавним методами, за своїми сцинтиляційними характеристиками поступаються композиту з подрібненого кристала. Твердофазовий метод синтезу з використанням мінералізатора на основі нітрату літію дозволяє отримувати мікронний порошок ZnWO4 з високим значенням світлового виходу, минаючи стадію вирощування монокристалу. Параметри композитів на основі такого порошку близькі до параметрів монокристала вольфрамату кадмію.
Посилання
Buchele P., Richter M., Tedde S.А. et al. X-ray imag-ing with scintillator-sensitized hybrid organic photodetectors. Nature Photonic, 2015, no. 9, pp. 846–848. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2015.216
Amouzegar Z., Naghizadeh R., Rezaie H.R. et al. Microwave engineering of ZnWO4 nanostructures: Towards morphologically favorable structures for photocatalytic activ-ity. Ceramics International, 2015, no. 41, pp. 8352–8359. http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.03.020
Hojamberdiev M., Zhub G., Xua Y. Template-free synthesis of ZnWO4 powders via hydrothermal process in a wide pH range. Materials Research Bulletin, 2010, no. 45, pp.1934–1940. http://doi.org/10.1016/j.mater-resbull.2010.08.015
Wang Y., Liping L., Li G. Solvothermal synthesis, characterization and photocatalytic performance of Zn-rich ZnWO4 nanocrystals. Applied Surface Science, 2017, no. 393, pp. 159–167. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.10.001
Klassen N.V., Kurlov V.N., Rossolenko S.N. et al. Scintillation fibers and nanoscintillators for improvement the spatial, spectrometric and time resolution of radiation detec-tors. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2009, no. 73, pp. 1451–1456.
Reithmaier J.P., Sęk G., Lӧffler A. et al. Strong coupling in a single quantum dot—semiconductor microcav-ity system. Nature, 2004, no. 432, pp. 197–200. http://doi.org/10.1038/nature02969
Zhmurin P.N., Malyukin Yu.V. Spectroscopy of the rare-earth ions in the bulk and nanoscale crystals. Kharkiv, Institute for single crystal, 2007, 160 p.
Nagornaya L.L., Grinyov B.V., Dubovik A.M. et al. Large volume ZnWO4 crystal scintillators with excellent energy resolution and low background. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2009, no. 56, pp. 994–1001.
Rodriguez-Carvajal J., Roisnel T. FullProf.98 and WinPLOTR: New Windows95/NT applications for diffrac-tion. Commission for Powder Diffraction, International Union of Crystallography, Newsletter nо. 20, 1998
Nagornaya L., Onyshchenko G., Pirogov E. et al. Production of the high-quality CdWO4 single crystals for application in CT and radiometric monitoring. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A, 2005, no. 537, pp.163–165. https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.07.258
Lisitsyn V.M., Valiev D.T., Tupitsyna I.A. et al. Effect of particle size and morphology on the properties of luminescence in ZnWO4. Journal of Luminescence, 2014, no. 153, pp. 130–136. http://doi.org/10.1016/j.jlu-min.2014.03.024
Ryzhikov V.D., Grinyov B.V., Boyarintsev A.Yu. et al. Multi-layered composite detectors for neutron detection. Functional Materials, 2018, no. 1, pp. 172–179. https://doi.org/10.15407/fm25.01.172
Liao H.W., Wang Y.F., Lui X.M. et al. Hydrothermal preparation and characterization of luminescent CdWO4 nano-rods. Chemistry of Materials, 2000, no. 12, pp. 2819–2821. http://doi.org/10.1021/cm000096w
Yakubovskaya A.G., Tupitsina I., Sofronov D. et al. Microwave hydrothermal synthesis and luminescent properties of ZnWO4 nanoparticles. Functional Materials, 2013, no. 20, pp. 523–527. http://dx.doi.org/10.15407/fm20.04.523
JCDPS PDF-1 File, International Committee for Diffraction Data, PA, USA, 1994.
Nagirnyi V., Feldbach E., Jonsson L. et al. Energy trans-fer in ZnWO4 and CdWO4 scintillators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A, 2002, no. 486, pp. 395–398. http://doi.org/10.1016/S0168-9002(02)00740-4
Krutyak N., Mikhailik V., Vasil’ev A. et al. The features of energy transfer to the emission centers in ZnWO4 and ZnWO4:Mo. Journal of Luminescence, 2013, no. 144, pp. 105–111. http://10.1016/j.jlumin.2013.06.039
Vistovskyy V., Chornodolskyy Ya., Gloskovskii A. et al. Modeling of X-ray excited luminescence intensity de-pendence on the nanoparticle size. Radiation Measurements, 2016, vol. 90, pp. 174–177. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2015.12.010
Wang Y., Ma J., Tao J. et al. Hydrothermal synthe-sis and characterization of CdWO4 nanorods. Journal of the American Ceramic Society, 2006, vol. 89, iss. 9, pp. 2980–2982. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01171.x
Tupitsyna I.A., Maksimchuk P.O., Yakubovskaya A.G. et al. X-ray and photo-exited luminescence of ZnWO4 nanoparticles with different size and morphology. Functional Materials, 2016, no. 23, pp. 535–539. http://doi.org/10.15407/fm23.04.357
Jan B., Lei F. Molten salt synthesis, characterization and luminescence of ZnWO4:Eu3+ nanophosphors. Journal of Alloys and Compounds, 2010, vol. 507, iss. 2, pp. 460–465. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.07.203
Yakubovskaya A.G., Katrunov K.A., Tupitsina I.A. et al. Nanocrystalline zinc and cadmium tungstates: Morphology, luminescent and scintillation properties. Functional Materials, 2011, no. 18, pp. 446–451.
Chen L., Fleming P., Morris V. et al. Size-related lattice parameter changes and surface defects in ceria nano-crystals. The Journal of Physical Chemistry C, 2010, no. 114, pp. 12909–12919. http://doi.org/10.1021/jp1031465
Vedda A., Moretti F., Fasoli M. et al. Intrinsic trap-ping and recombination centers in CdWO4 investigated using thermally stimulated luminescence. Physical Review B, 2009, vol. 80, iss. 4, pp. 045104-1-7. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.045104
Gorshkov V.S., Saveliev V.G., Fedorov N.F. Fizicheskaya Khimiya Silikatov i Drugikh Tugoplavkikh Soedineni [Physical Chemistry of Silicates and Other Refractory Compounds]. Moscow, Vysshaya shkola, 1988, 203 p. (Rus)
Budnikov P.P., Gistling A.M. Reaktsii v Smesyakh Tverdykh Veshchestv [Reactions in Mixtures of Solid Substances], Moskow, Stroiizdat, 1971, 311 p. (Rus)
Авторське право (c) 2019 Тінькова В. С., Якубовська Г. Г., Тупіцина І. А., Абашин С. Л., Пузан Г. Н., Третьяк С. О.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
