6. Заключительные замечания

В завершение лекционного курса приведем несколько замечаний, касающихся исторических и современных тенденций развития сцинтилляционных и дозиметрических материалов.

Первое поколение сцинтилляционных детекторов стало активно разрабатываться сразу после окончания второй мировой войны. Детекторы предназначались для регистрации -лучей, для поглощения (и, следовательно, регистрации) которых были нужны кристаллы больших размеров, 10  10 10 cm³ и даже больше. Поэтому, естественно внимание привлекло семейство из 20 щелочногалоидных кристаллов, технология роста которых была уже достаточно хорошо разработана. Наиболее перспективным оказался кристалл NaI, легированный ртутеподобными ионами Tl⁺. В этом слегка гигроскопичном кристалле (проблемы закрыли использованием герметичной оболочки для детектора) энергия -кванта эффективно преобразуется в большое число e-h пар, подавляющая часть которых рекомбинируют около Tl⁺ (если их концентрация превышает 0,1mol%) с возбуждением примесной таллиевой люминесценции (  10^-7 s). NaI:Tl имел приемлемую радиационную стойкость и находился в эксплуатации почти полвека. Однако гигроскопичность материала и использование защитного покрытия препятствовали его использованию для регистрации -частиц (им не преодолеть защитный слой). Из ЩГК нашли применение и кристаллы CsI:Tl, спектр сцинтилляции которых, однако, не был оптимальным для используемых тогда ФЭУ. Для регистрации -частиц были разработаны негигроскопичные поверхностно-легированные кристаллы CsI:Na, достаточно быстрые и с более благоприятным спектром излучения.

После разработки достаточно эффективных сцинтилляторов для -спектроскопии встал вопрос об улучшении их временных характеристик, 10^-6-10^-7 s уже не удовлетворяло потребителей. Поэтому пришлось отказаться от систем, где в передаче энергии примесным центрам использовалась достаточно медленная прыжковая миграция автолокализованных дырок (V_K-центров), что приводило к существенному увеличению длительности сцинтилляции.

Новый этап был связан и использованием PbWO₄, где длительность очень эффективного собственного свечения (автолокализованных экситонов) при комнатной температуре была значительно укорочена за счет процесса частичного теплового тушения сцинтилляционного свечения, т.е. включения безызлучательных переходов между возбужденным и основным состояниями примесного центра люминесценции. Как уже отмечалось, этот материал с большой плотностью (а значит и меньшими необходимыми размерами) будет использован в детекторе для поиска бозонoв Хиггса (CERN).

В качестве альтернативного пути разработки быстрых сцинтилляторов рассматривается использование в качестве активатора ионов Ce³⁺, у которых излучательные полностью разрешенные переходы d  f имеют длительность ~ 3  10^9 s. В качестве матрицы используют стойкие к радиации окислы металлов, которые, к сожалению, содержат и некоторое число других примесей и дефектов, ответственных за более длительные компоненты свечения. Сейчас значительные усилия прилагаются к устранению этого недостатка, хотя хорошего результата можно достигнуть и при увеличении концентрации церия. В качестве сцинтилляционного свечения используется и кросслюминесценция (остовно-валентная, Auger free), связанная с ионизацией катионов. На практике используют, например, свечение 7,5 eV в BaF₂. Энергетическая эффективность этого собственного свечения мала, но длительность свечения  10^-9 s, и свечение можно регистрировать вплоть до 400-500 K. В качестве перспективного собственного свечения рассматривается и внутризонная люминесценция ( 10^-10 s). Выход этого свечения еще на порядок ниже, чем у кросслюминесценции, у него очень широкий спектр, нет тушения вплоть до очень высоких температур.

В качестве регистрирующей аппаратуры в последнее время ФЭУ заменены полупроводниковыми детекторами (интегральные схемы на базе, например, A^IIIB^V гетероструктур), позволившими осуществлять сложное числовое считывание сигнала при сканировании площади. Последнее особенно важно для медицинской томографии, исследований с использованием магнитных резонансов. В связи с этим, сцинтилляционное свечение должно быть в красном-инфракрасном спектральном диапазоне (для ФЭУ предпочтительнее были видимые-ультрафиолетовые свечения). Симбиоз сцинтилляционного материала и наноразмерных интегральных схем  это преимущественно техническая задача. В качестве физических задач сохраняет актуальность радиационная стойкость материалов. Отметим, что предпочтение отдается сцинтилляторам с большой концентрацией активатора, когда передача поглощенной матрицей энергии центру люминесценции идет преимущественно по электронно-дырочному механизму.

Теперь кратко рассмотрим основные тенденции развития индивидуальной дозиметрии. Первыми дозиметрическими материалами служили кристаллы и прессованные таблетки LiF. С их помощью регистрировались достаточно малые дозы -лучей, запасенная в кристалле энергия сохранялась месяцы и регистрировалась при прогреве LiF выше 450 K. Дополнительным плюсом было то, что LiF является тканеэквивалентным материалом (по плотности подобен человеческому телу). Исследования показали, что в LiF содержались сопутствующие примеси магния и титана. Оптимизация концентрации этих примесей позволила разработать достаточно дешевые стандартные детекторы -радиации (TLD-100). Основным недостатком дозиметра была не достаточно высокая чувствительность. Чувствительность удалось повысить заменой излучателя: трудно вводимый в LiF в значительных количествах (> 10 ppm) без побочных эффектов титан заменили на ионы Cu⁺.

К сожалению, используемые на атомных субмаринах в 60-е годы прошлого века дозиметры последнего типа корректно регистрировали дозы -радиации, но были не чувствительны к тепловым и особенно быстрым нейтронам. Результатом были массовые заболевания лучевой болезнью военных моряков США и СССР. Мы отмечали, быстрые нейтроны в 10-20 раз более вредны для человеческого организма, чем изодозное облучение -радиацией. В теле человека n_f преобразуются в протоны, дающие очень высокую плотность электронных возбуждений. В таком режиме облучения эффективно образуются стабильные дефекты (о вреде таких дефектов для диэлектрических материалов мы подробно говорили). LiF быстро приспособили и для регистрации тепловых (медленных) нейтронов n_s, которые наиболее эффективно взаимодействуют с легким изотопом лития Li⁶.

Но проблемы сохранились с наиболее вредными для человека быстрыми нейтронами, создающимися при делении ядер урана-235 и плутония-239 (E ~ 1-3 MeV). Для регистрации n_f пытались использовать водородосодержащие органические конверторы n_f  p, однако существенных успехов на LiF достичь не удалось. Во всем мире велся активный поиск материалов для регистрации n_f. В Тарту для разделения эффектов -радиации и быстрых нейтронов (а именно в таких смешанных полях приходится работать на практике) пытались использовать сложную кинетику e-h процессов, позволявшую изменить соотношение между запасенными светосуммами от разных типов радиации, нужно чтобы S()/S(n_f) << 1. Но система на базе узкощелевого ZnS (E_g = 3,75 eV) ограничивала регистрацию дозы радиации одними сутками (туннельный фединг!). Поиск материалов-матриц с более глубокими ловушками до сих пор не дал удовлетворительного результата (и по селективности, и по чувствительности). На CaS (E_g ~ 6 eV) достигли селективной регистрации воздействия n_f, но сохранять светосумму более 10-14 дней не получилось. Не удалось избавиться от туннельных рекомбинаций между электронами с достаточно глубоких ловушек и локализованными дырками, что приводило к значительному уменьшению светосуммы, запасенной в материале под действием радиации. Определенный успех с регистрацией n_f достигнут с помощью сложного считывания сигналов от быстрых нейтронов со всей площади экрана-детектора. Но таки системы фактически не приспособлены для массовой индивидуальной дозиметрии.

В реакциях синтеза легких ядер рождаются проникающие на большие расстояния n_f с E =14,1 MeV, т.е. со значительно большей энергией, чем при реакциях деления ядер урана и плутония (E ~ 1-3 MeV). До сих пор проблема индивидуальной дозиметрии быстрых нейтронов не решена. В самое последнее время предложена (но еще экспериментально не проверена) новая возможность регистрации 14,1-MeV-ных нейтронов. Оказалось, что ионы некоторых легких изотопов гадолиния (Gd³⁺) испытывают -распад под действием нейтронов с энергией, превышающей пороговое значение 4-5 MeV. Причем, такая реакция (n_f,) инерционна и идет в течение многих дней (когда ее и можно зарегистрировать после окончания процесса облучения). Поэтому после облучения материала в смешанных полях -радиации и быстрых нейтронов (как с под- так и надпороговыми энергиями) можно измерить суммарную светосумму ТСЛ как сразу после облучения, так и после определенной временной паузы. В последнем случае светосумма будет характеризовать только инерционную реакцию n_f,, вызванную в гадолинии нейтронами с E  4-5 MeV. Над этой новинкой сейчас активно работают.

В заключение отметим, что нужны дозиметрические материалы для очень разных применений для различных областей ВУФ-радиации, ультрамягких рентгеновских лучей, для ядерной физики и энергетики, медицины. Несомненно, что разработка дозиметров не возможна без фундаментальных знаний об элементарных процессах в материалах, чему и была посвящена существенная часть данного лекционного курса.

122