Рентгенолюминесценция иттрий-алюмоборатных стекол, соактивированных ионами редких земель Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 666.1.001.5, 666.223.1

М. З. Зиятдинова*1, Н. В. Голубев1, Г. Е. Малашкевич2, В. Н. Сигаев1, А. В. Масалов3, А. Г. Турьянский3, С. С. Гижа3, И. В. Пиршин3

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, 20

2Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь, 220072, Минск, пр. Независимости, 68

3Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия, 119991 ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д. 53

* e-mail: [email protected]

РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ИТТРИЙ-АЛЮМОБОРАТНЫХ СТЕКОЛ, СОАКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ РЕДКИХ ЗЕМЕЛЬ

Аннотация

Синтезированы стекла близкие по составу к кристаллу YAl3(BO3)4 с частичной заменой оксида иттрия на оксиды тербия и церия, а также стекла, дополнительно содержащие оксиды бария и гадолиния. Обнаружено, что эти стекла люминесцируют при возбуждении рентгеновским излучением. При этом максимальная энергетическая эффективность конверсии рентгеновского излучения в световое составила приблизительно 10% по отношению к стандартному экрану ZnSCdS(Ag).

Ключевые слова: рентгенолюминесценция, редкоземельные активаторы, алюмоборатные стекла, сцинтилляторы.

Создание материалов, люминесцирующих под воздействием ионизирующего излучения, и исследование их свойств началось с открытия рентгеновского излучения. В сравнении с другими сцинтилляционный метод выявления ионизирующего излучения более эффективен, чувствителен и универсален для регистрации проникающего излучения, поскольку меняя детекторы, можно выявлять все виды ионизирующего излучения [1]. Для практического использования сцинтилляторы должны обладать высокими световым выходом, временным и пространственным разрешением, а спектр светимости иметь максимум в зелено-синей области, так как существующие на сегодняшний день приемники, выполненные, например, на базе ПЗС-матриц, обладают наибольшей чувствительностью именно в этом диапазоне [2, 3]. В зависимости от области применения, указанные характеристики могут играть как более важную, так и менее существенную роль. -Например, для исследований в области физики высоких энергий, ядерной физики и астрофизики может быть достаточным световой выход в размере 0,08% [4]. Преимуществами стекол в качестве сцинтилляторов являются относительная дешевизна изготовления, прозрачность в видимом диапазоне, возможность получения разных размеров и форм, в том числе в виде волокна, а также высокие показатели химической стойкости и механической устойчивости [2, 4, 5]. Вместе с тем стекла обладают и такими существенными недостатками как низкие эффективность рентгенолюминесценции и радиационно-оптическая устойчивость [2, 6]. Первый недостаток может быть частично преодолен путём повышения плотности стекла за счёт увеличения атомного номера элементов и снижения свободного объёма, что приводит к увеличению коэффициента поглощения рентгеновского излучения, а второй -введением в состав стекла оксида церия.

1

1-'Л!

1-1 II

Рис. 1. Блок-схема измерительного устройства. 1 -источник рентгеновского излучения, 2 - коллиматор, 3 -рентгеновская диафрагма, 4 - светозащитный колпак из А1-фольги, 5 - образец, 6 - ФЭУ, 7 - цифровой измеритель

тока

Объектом исследования настоящей работы являлись иттрий-алюмоборатные стекла системы (TbxCeyGdzYl-x-y-z)2Oз-Al2Oз-B2Oз (х=0-0,2,

у=0,1-0,9, z=0-0,6). Интерес к этим стеклам обусловлен возможностью введения высокого содержания редкоземельных элементов без их заметной сегрегации [7]. В качестве исходных компонентов для варки стекол использовали ТЬ407 (осч), Се02 (осч), ва20з (осч), У20з (осч), А1(ОН)з (чда), НзВОз (хч), БЬ2Оз (осч). Компоненты шихты взвешивали на аналитических весах с точностью 0,001 г и перемешивали в корундовой ступке. Каждую порцию шихты рассчитывали на 20 г стекла. Стекла варили в платиновых тиглях объёмом ~45 смз в окислительных условиях (на воздухе) при температуре 1480°С в течение 60 минут. После этого расплав выливали из тигля на металлическую плиту и прессовали другой плитой до толщины 1,5-2 мм, а затем отжигали при температуре вблизи ТЁ. Для изучения рентгенолюминесценции стекол была собрана установка, включающая источник рентгеновского излучения, держатель образцов и детектор на базе ФЭУ (рис. 1). Все измерения проводили при двух режимах рентгеновского аппарата - 30 кВ/7,5 мА и 40 кВ/7,5 мА. Расстояние источник - детектор составляло 60 см.

При облучении рентгеновским излучением иттрий-алюмоборатные стекла, соактивированные Сез+ и ТЬз+, люминесцировали в зеленой области

4 5 _ 6

спектра с максимальной интенсивностью люминесценции при ~545 нм. На рис. 2 приведен типичный спектр люминесценции изученных стекол. Для увеличения их плотности и, соответственно, поглощающей способности в состав этих стекол были введены тяжелые элементы в виде оксида бария и гадолиния. Стоит отметить, что ионы последнего, аналогично Се3+, выступают в роли сенсибилизатора люминесценции ТЬ3+. Как и ожидалось, интегральная интенсивность люминесценции увеличивалась с ростом содержания оксида тербия и при введении оксида гадолиния. При этом максимальный энергетический выход, оцененный по отношению сигнала к поликристаллическому экрану ZnS•CdS(Ag) составил 10%. Изученные стекла, следует отметить, оказались довольно стойки к рентгеновскому излучению, что обусловлено, очевидно, присутствием в их составе оксида церия. Об этом свидетельствуют отсутствие изменений как в окраске образцов, так и в спектрах поглощения стекол до и после облучения рентгеновским излучением (30 кВ/30 мА) в течение 15 мин.

Для практических применений необходимо достигнуть энергетической эффективности конверсии рентгеновского излучения в световое >50% по отношению к кристаллу CdWO4, который

широко применяется в медицинской технике и интроскопии. Однако уже полученные результаты позволяют с уверенностью полагать, что такое значение вполне достижимо при дальнейшей оптимизации состава стекла, перспективного для создания двухкоординатных устройств визуализации радиационных изображений в дефектоскопии и медицинской диагностике.

350 4 00 ДБ О SDO SSO бОО ESO TÜO 7S0 BOO

Wavelength

Рис. 2. Типичный спектр рентгенолюминесценции изученных стекол

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (гранты МК-1398.2014.3 и 14.Z50.31.0009).

Зиятдинова Мариям Зиннуровна аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Голубев Никита Владиславович к.х.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Малашкевич Георгий Ефимович д.ф.-м.н., заведующий лабораторией фотофизики активированных материалов ГНУ «Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси», Белоруссия, Минск

Сигаев Владимир Николаевич д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Масалов Анатолий Викторович д.ф.-м.н., руководитель Отделения оптики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Россия, Москва

Турьянский Александр Георгиевич д.ф.-м.н., заведующий лабораторией рентгеновских методов диагностики наноструктур Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Россия, Москва

Гижа Сергей Сергеевич научный сотрудник лаборатории рентгеновских методов диагностики наноструктур Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Россия, Москва

Пиршин Игорь Владимирович, научный сотрудник лаборатории рентгеновских методов диагностики наноструктур Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Россия, Москва

Литература

1. Цирлин Ю. А., Дайч А. Р., Радыванюк А. М. Сцинтилляционные блоки детектирования - М.: Атомиздат, 1978 - 124 с.

2. Weber M. J. Inorganic scintillators: today and tomorrow // Journal of Luminescence - 2002. Vol. 100. - Р. 3545.

3. Горбачёв А. А., Коротаев В. В., Ярышев С. Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. - СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - 98 с.

4. Blasse G. Scintillator materials // Chemistry of Materials-1994. Vol. 6. - P. 1465-1475.

5. Wang J. Local Structure of Rare-Earth Ions in Glasses: The Crystal-Chemistry Approach / Wang J., Brocklesby W. S., Lincoln J. R., Townsend J. E., Payne D. N. // Journal of Non-Crystalline Solids - 1993. Vol. 163. - P. 261-267.

6. Арбузов В. И. Основы радиационного оптического материаловедения. Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 284 с.

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_

7. Малашкевич Г. Е. Оксидное стекло с минимальным расстоянием 0,67 нм между редкоземельными активаторами / Малашкевич Г. Е., Голубев Н. В., Мамаджанова Е. Х., Зиятдинова М. З., Сигаев В. Н., Суходола А. А., Хотченкова Т. Г., Прусова И. В., Сергеев И. И. // Стекло и керамика - 2013. №. 4. - с. 33-34.

Ziyatdinova Mariyam Zinnurovna1, Golubev Nikita Vladislavovich1, Malashkevich Georgy Yefimovich2, Sigaev Vladimir Nikolayevich1, Masalov Anatoly Viktorovich3, Turyanskiy Aleksander Georgiyevich3, Gizha Sergey Sergeyevich3, Pirshin Igor Vladimirovich3

1D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. 2B.I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus. 3P.N. Lebedev Physical Institute, LPI, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

X-RAY LUMINESCENCE OF YTTRIA-ALUMINOBORATE GLASSES CODOPED WITH RARE EARTH IONS

Abstract

A huntite-like yttria-aluminoborate glasses doped with Ce3+ and Tb3+ as well as the glasses containing barium and gadolinium oxides have been investigated. It is found that these glasses exhibit luminescence under X-ray excitation. Maximum energy efficiency of X-ray radiation conversion into the light is about 10% of that for the standard ZnS'CdS(Ag) screen.

Key words: X-ray luminescence, rare earths, aluminoborate glasses, scintillators.