Разработка новых силиконовых сцинтилляторов

Неорганические сцинтилляторы широко используются в различных ядерно-физических экспериментах для обнаружения заряженных частиц. Так, например, сульфида цинка, активированный серебром, имеет один из наиболее высоких световыходов среди сцинтилляционных материалов, при этом наличие в нем нескольких времён высвечивания позволяет разделять сигналы от легких и от тяжелых частиц, что невозможно в пластиковых сцинтилляторах. Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц заключается в воздействии на сцинтилляционный материал ионизирующего излучения, с последующим преобразованием этого излучения в свет, который регистрируется с помощью фотоприемника. Помимо заряженных частиц, такими сцинтилляторами можно эффективно регистрировать и выделять нейтроны по продуктам их взаимодействия. Нейтроны являются нейтральными частицами и не могут напрямую создавать процесс ионизации в детекторе, поэтому механизм обнаружения нейтронов основан на косвенных методах. Во-первых, используется процесс упругого рассеяния, в котором свободный нейтрон рассеивается ядром, передавая ему часть своей кинетической энергии. Образующееся ядро отдачи ионизирует вещество детектора, но для практического применения эффективно только для лёгких ядер водорода и гелия, которым нейтрон передаст значительно больше энергии, чем тяжёлым ядрам. Этот подход позволяет регистрировать быстрые нейтроны без использования замедлителя. Второй метод основан на ядерных реакциях с ядрами материала с большим сечением поглощения замедленных тепловых нейтронов. Продукты этих реакций, такие как протоны, альфа-частицы, гамма-излучение и осколки деления могут быть использованы для регистрации. При этом именно сульфид цинка обладает наилучшей линейностью при регистрации тяжелых частиц среди всех известных сцинтилляторов. В экспериментах по изучению широких атмосферных ливней посредством регистрации вторичных тепловых нейтронов на высокогорных установках PRISMA-YBJ и ENDA-LHAASO в Китае используется неорганический сцинтиллятор-компаунд из сульфида цинка, активированного серебром, соединений изотопа литий-6, либо бор-10 и оптического силикона. Такой сцинтиллятор позволяет разделять по форме импульса сигналы от тепловых нейтронов, от быстрых заряженных частиц (электронов и атмосферных мюонов) и от гамма-квантов. Сотрудниками ИЯИ РАН было предложено использовать, вместо обогащённого, природный бор, в котором содержится около 20% изотопа бор-10. Совместно с ЗАО НПФ «Люминофор» (Ставрополь), был разработан уникальный сцинтиллятор из сплавленных зёрен сульфида цинка и оксида натурального бора, размером от 100 до 800 мкм, залитых оптическим силиконом. Таким образом получался дешёвый и эффективный детектор тепловых нейтронов, гибкий, вследствие использования силикона, и с возможностью придания ему абсолютно любой формы и толщины в процессе заливки в лабораторных условиях. Наличие шести атомов водорода в молекуле силикона позволяет использовать реакцию упругого рассеяния для регистрации быстрых нейтронов, что очень полезно для различных ускорительных и реакторных экспериментов. Кроме того, НПФ «Люминофор» производят различные вариаций порошков люминофора ZnS: с заданным размером зёрен (от нескольких микрон до сотен микрон), модификации под альфа-возбуждение, рентгеновское и бета-излучение. Мюоны с характерным энерговыделением при пробеге в среде около 2 МэВ на г/см^2 также можно регистрировать сцинтиллятором данного типа, повысив толщину заливки силикона и оптимизировав плотность засыпки зёрен сульфида цинка во избежание уменьшения световыхода детектора. Для эффективной регистрации гамма-излучения в состав сцинтиллятора можно будет добавить вещество с большим Z, например, соединения свинца, бария и т.д., что повысит сечение комптоновского рассеяния и фотоэффекта. Гибкий подход при лабораторном изготовлении сцинтиллятора на основе силикона позволит производить детекторы под конкретную задачу для широкого класса экспериментов по регистрации заряженных частиц, гамма-квантов и нейтронов.