Композитные материалы на основе квантовых точек и полимерных матриц для регистрации гамма-излучения в сцинтилляционных детекторах нового поколения

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. В настоящее время разработка новых сцинтилляционных материалов на основе флуоресцентных нанокристаллов со структурой перовскита состава CsPbBr3 и квантовых точек CdSe/ZnS является актуальной темой и развивается многими научными группами [1–4]. Оба указанных материала обладают высоким потенциалом для применения в этой роли, поскольку являются отличными флуорофорами с квантовым выходом люминесценции около 100%, но кроме того обладают и высокими значениями эффективного атомного номера Zeff. Сечение фотоэффекта зависит от Zeff как (Zeff)5, а величина поглощения рентгеновских лучей зависит от Zeff как (Zeff)4/(AЕ3), где A — атомная масса вещества, поглощающего γ-квант, а E — энергия рентгеновского фотона [5].

Цель — разработать методику изготовления сцинтилляторов на основе квантовых точек и полимерных матриц, обладающих высокой степенью прозрачности, высокой временной стабильностью квантового выхода люминесценции и короткими временами затухания люминесценции (время высвечивания или среднее время жизни вещества в возбуждённом состоянии) для регистрации гамма-излучения.

Материалы и методы. Для регистрации сцинтилляционных сигналов использовался фотоэлектронный умножитель HAMAMATSU R7400U-6. В качестве источника ионизирующего излучения использовался источник 137Cs с энергией γ-кванта 661,7 кэВ.

Результаты. При облучении γ-квантами изотопа 137Cs образцов на основе матрицы поли(пара-метилстирола), сшитого молекулами дивинилбензола (10% масс), активированных нафталином (10%, первичный акцептор), антраценом (1%) и квантовыми точками/перовскитными нанокристаллами (0,1–1,0%, переизлучатель) в энергетическом спектре проявлялось эффективное комптоновское рассеяние гамма-квантов в веществе на атомах, входящих в состав квантовых точек/перовскитных нанокристаллов.

В результате исследования было обнаружено, что для образцов, не содержащих неорганические элементы — квантовые точки и перовскитные нанокристаллы, — комптон-эффект для гамма-квантов отсутствует. Дополнительно показано, что матрица параметилстирола позволяет защитить перовскитные нанокристаллы от воздействия внешней среды, при этом значение квантового выхода фотолюминесценции объёмных композитных материалов на основе перовскитных нанокристаллов состава CsPbBr3 и поли(параметилстирола) длительное время остаётся постоянным в пределах погрешности.

Заключение. Экспериментально подтверждено, что квантовые точки и перовскитные нанокристаллы, инкапсулированные в различные полимерные матрицы, проявляют свойства сцинтилляторов под воздействием ионизирующего излучения. Изготовленные образцы перовскитных нанокристаллов/квантовых точек и различных полимеров можно считать наиболее перспективными для использования в качестве сцинтилляционного материала для регистрации рентгеновского и гамма-излучения.

Полный текст

Обоснование. В настоящее время разработка новых сцинтилляционных материалов на основе флуоресцентных нанокристаллов со структурой перовскита состава CsPbBr3 и квантовых точек CdSe/ZnS является актуальной темой и развивается многими научными группами [1–4]. Оба указанных материала обладают высоким потенциалом для применения в этой роли, поскольку являются отличными флуорофорами с квантовым выходом люминесценции около 100%, но кроме того обладают и высокими значениями эффективного атомного номера Zeff. Сечение фотоэффекта зависит от Zeff как (Zeff)5, а величина поглощения рентгеновских лучей зависит от Zeff как (Zeff)4/(AЕ3), где A — атомная масса вещества, поглощающего γ-квант, а E — энергия рентгеновского фотона [5].

Цель — разработать методику изготовления сцинтилляторов на основе квантовых точек и полимерных матриц, обладающих высокой степенью прозрачности, высокой временной стабильностью квантового выхода люминесценции и короткими временами затухания люминесценции (время высвечивания или среднее время жизни вещества в возбуждённом состоянии) для регистрации гамма-излучения.

Материалы и методы. Для регистрации сцинтилляционных сигналов использовался фотоэлектронный умножитель HAMAMATSU R7400U-6. В качестве источника ионизирующего излучения использовался источник 137Cs с энергией γ-кванта 661,7 кэВ.

Результаты. При облучении γ-квантами изотопа 137Cs образцов на основе матрицы поли(пара-метилстирола), сшитого молекулами дивинилбензола (10% масс), активированных нафталином (10%, первичный акцептор), антраценом (1%) и квантовыми точками/перовскитными нанокристаллами (0,1–1,0%, переизлучатель) в энергетическом спектре проявлялось эффективное комптоновское рассеяние гамма-квантов в веществе на атомах, входящих в состав квантовых точек/перовскитных нанокристаллов.

В результате исследования было обнаружено, что для образцов, не содержащих неорганические элементы — квантовые точки и перовскитные нанокристаллы, — комптон-эффект для гамма-квантов отсутствует. Дополнительно показано, что матрица параметилстирола позволяет защитить перовскитные нанокристаллы от воздействия внешней среды, при этом значение квантового выхода фотолюминесценции объёмных композитных материалов на основе перовскитных нанокристаллов состава CsPbBr3 и поли(параметилстирола) длительное время остаётся постоянным в пределах погрешности.

Заключение. Экспериментально подтверждено, что квантовые точки и перовскитные нанокристаллы, инкапсулированные в различные полимерные матрицы, проявляют свойства сцинтилляторов под воздействием ионизирующего излучения. Изготовленные образцы перовскитных нанокристаллов/квантовых точек и различных полимеров можно считать наиболее перспективными для использования в качестве сцинтилляционного материала для регистрации рентгеновского и гамма-излучения.

×

Об авторах

Александр Александрович Кныш

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: knyshkikai@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-6219-7568
SPIN-код: 1736-5666
Россия, Москва

Валерий Витальевич Сосновцев

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Email: vvsosnovtsev@mephi.ru
ORCID iD: 0000-0001-6465-8280
SPIN-код: 9104-7190
Россия, Москва

Игорь Руфаилович Набиев

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ; Реймсский университет Шампань — Арденны

Email: igor.nabiev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8391-040X
SPIN-код: 4223-0270
Россия, Москва; Реймс, Франция

Павел Сергеевич Самохвалов

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Email: p.samokhvalov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2878-8376
SPIN-код: 1627-3857
Россия, Москва

Список литературы

  1. Chen Q., Wu J., Ou X., et al. All-Inorganic Perovskite Nanocrystal Scintillators // Nature. 2018. Vol. 561, N 7721. P. 88–93. doi: 10.1038/s41586-018-0451-1
  2. Liu C., Li Z., Hajagos T.J., et al. Transparent Ultra-High-Loading Quantum Dot/Polymer Nanocomposite Monolith for Gamma Scintillation // ACS Nano. 2017. Vol. 11, N 6. P. 6422–6430. doi: 10.1021/acsnano.7b02923
  3. Lee C.H., Son J., Kim T.-H., Kim Y.K. Characteristics of Plastic Scintillators Fabricated by a Polymerization Reaction // Nuclear Engineering and Technology. 2017. Vol. 49, N 3. P. 592–597. doi: 10.1016/j.net.2016.10.001
  4. Létant S.E., Wang T.F. Semiconductor Quantum Dot Scintillation under γ-Ray Irradiation // Nano Lett. Vol. 6, N 12. P. 2877–2880. doi: 10.1021/nl0620942
  5. Nikl M., Yoshikawa A. Recent R&D Trends in Inorganic Single-Crystal Scintillator Materials for Radiation Detection // Advanced Optical Materials. 2015. Vol. 3, N 4. P. 463–481. doi: 10.1002/adom.201400571

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Эко-вектор, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 79539 от 09 ноября 2020 г.