Ученые из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И. В. Тананаева Кольского научного центра и НИИ физики Южного федерального университета изучили процесс получения полупрозрачной люминесцентной керамики различными методами и сравнили характеристики полученных материалов. Найденные базовые параметры получения полупрозрачной и высокопрочной люминесцентной керамики ниобата иттрия позволяют существенно расширить область ее применения, удешевить, ускорить и сделать более предсказуемым производство сцинтилляционных детекторов.
Микроструктура и распределение по размерам керамических образцов, полученных методами сверхвысокого давления (а–е) и традиционным спеканием (f). Под цифрами указаны температуры спекания исходных порошков и режим спекания керамики /©Пресс-служба КНЦ РАН
Результаты исследования и принципы найденной оптимальной технологии опубликованы в июльском номере международного журнала Optical Materials. Высокая эффективность сцинтилляторов (сцинтилляция — кратковременная люминесценция) позволяет применять их не только для исследования ионизирующего излучения в космосе, в ядерной физике и геологии, но и в биологии, медицине, для радиационного мониторинга территорий, контроля за радиоактивными выбросами и захоронениями ядерных отходов, на таможенном контроле и в строительстве.
Важный параметр сцинтилляционного материала — это его оптическая прозрачность. Она определяет эффективность светоотдачи сцинтилляций и люминесценции оптического материала. Следовательно, возможность надежного измерения выходного сигнала в значительной степени зависит от прозрачности.
Наиболее чувствительными и прочными являются неорганические сцинтилляторы, например, ниобаты редкоземельных элементов с общей формулой RENbO4 (где RE – это гадолиний, лантан, иттрий и так далее) и моноклинной структурой. Они прочны и химически стабильны, демонстрируют очень хорошие люминесцентные и сцинтилляционные характеристики.
Применение легирующих добавок (как правило, редкоземельных элементов) изменяет длину волны испускаемого света, что позволяет использовать разные фотодетекторы. Такие материалы могут применяться также в компьютерной рентгенографии или томографии, разведке природных ресурсов, оценке радиационного воздействия в космосе. По мере расширения областей применения сцинтилляционных материалов постоянно усложняются условия их эксплуатации. Агрессивные химические среды, высокая температура и влажность, механические воздействия и перегрузки повышают требования к химической стойкости и механическим характеристикам материалов, которые определяют не только срок службы таких изделий, но и, в известной степени, их оптические свойства.
Ниобаты редкоземельных элементов используют в качестве сцинтилляторов преимущественно в виде монокристаллов. Монокристаллы имеют высокую прозрачность, оптически и структурно совершенны, что позволяет достигать высоких сцинтилляционных характеристик. Однако при получении монокристаллов нужного размера расходуется слишком много ресурсов и энергии, кроме того, эта технология не гарантирует стабильного качества продукта, да и выбор составов при ее использовании ограничен термодинамическими характеристиками химической системы, из которой выращивается кристалл.
Намного более экономичным методом является изготовление сцинтилляционной керамики. Состав таких материалов варьируется в очень широких пределах, придавать им требуемую форму намного проще. Кроме того, они способны значительно удешевить производство.
В создании технологии любого нового материала полно компромиссов. Важно сбалансировать стоимость технологии, доступность исходных компонентов, возможность достижения желаемых характеристик, найти оптимальные параметры многостадийной технологии. Сегодня для получения прозрачной керамики используют два основных подхода и их комбинации: введение спекающих добавок и горячее изостатическое прессование.
При первом подходе спекающие добавки (обычно оксиды магния или кремния) могут подавлять люминесцентные и сцинтилляционные свойства прозрачной керамики, что является серьезным препятствием технологии. Второй подход достаточно дорог из-за очень сложного и энергоемкого оборудования и требует применения крайне высоких (свыше 1300 ◦C) температур. Поэтому химики и технологи всего мира продолжают искать баланс в получении наиболее доступных и качественных керамических сцинтилляторов.
Основной целью исследования стали изучение и оптимизация получения керамики YNbO4 без использования горячего изостатического прессования и спекающих добавок для достижения сравнительно высокой пропускной способности (полупрозрачности), отличных механических и люминесцентных характеристик. Методом «золь-гель» исследователи получили ультратонкие кристаллические порошки, после чего спекали их по традиционной керамической технологии или методом одноосного горячего прессования и изучали свойства получившихся керамических образцов. После сравнения морфологических особенностей микроструктуры, механических и фотолюминесцентных характеристик в видимом диапазоне был выбран наиболее оптимальный режим для получения полупрозрачной керамики YNbO4 методом одноосного горячего прессования.
Разработанный исследователями способ получения люминесцентной керамики заключается в сочетании использования исходных ультрадисперсных порошков, синтезированных золь-гель методом, и спекания их сравнительно дешевым и доступным методом одноосного горячего прессования. Благодаря отработанной и сбалансированной технологии получения ультрадисперсные порошки ниобата иттрия имеют практически одинаковый размер зерен, не превышающий нескольких десятков нанометров, спекаются достаточно равномерно и с малым светорассеянием на границах зерен.
Кроме того, увеличение текучести ультрадисперсной смеси способствует получению низкопористых керамических материалов, поскольку сила поверхностного натяжения добавляется к силе давления формования. При этом процесс спекания под давлением значительно ускоряется и сокращается. Образование плотной изотропной мелкокристаллической структуры при спекании обычно приводит к созданию достаточно прозрачной, твердой и прочной керамики.
Найденные учеными базовые параметры получения полупрозрачной и высокопрочной люминесцентной керамики ниобата иттрия позволяют при возможности дополнительного легирования редкоземельными элементами существенно расширить область ее применения, удешевить, ускорить и сделать более предсказуемым производство сцинтилляционных детекторов.
