Технологія виробництва комбінованих детекторів іонізуючого випромінювання - Непокупна, Т. А. (ХНУРЕ, 2021)
У роботі вирішено науково-прикладне завдання підвищення чутливості реєстрації детекторів альфа-, бета-частинок і фотонів гамма-випромінювання, а також просторового розділення детекторів для реєстрації фотонів рентгенівських квантів (для візуалізації об’єктів) за рахунок розроблення технологічних процесів виготовлення комбінованих детекторів великої площі. У дисертаційній роботі проведено огляд та аналіз вимог до сучасних детекторів іонізуючого випромінювання, сформульовано вимоги до складових елементів комбінованих детекторів, а також встановлено технологічні операції їхнього виготовлення. Запропоновано технологію виробництва складових елементів комбінованих детекторів для реєстрації фотонів гамма-випромінювання з площею вхідної поверхні від 1000 см2 на основі матеріалів, що відрізняються за лінійними коефіцієнтами теплового розширення у 4,5 – 7 разів для роботи в інтервалі температур від –50ОС до +70ОС. Розроблено технологічний процес виробництва спектрометричних та лічильних комбінованих детекторів для реєстрації фотонів гамма-випромінювання з площею вхідної поверхні від 1000 см2 на основі монокристалічних пластин NaI:Tl, оптично з'єднаних з пластиною сцинтиляційного полістролу. Енергетичне розділення комбінованого детектора не перевищує 8,5% під час опромінення колімованим джерелом 137Cs (Еγ = 662 кеВ). Чутливість реєстрації фотонів гамма-квантів на 30% – 67% більше, ніж у детектора NaI:Tl (Еγ= 33 кеВ – 2600 кеВ). Вдосконалено технологічні операції виготовлення лічильних комбінованих детекторів для реєстрації фотонів гамма-випромінювання з площею вхідної поверхні від 1000 см2 на основі композиційного сцинтилятора СsI:Tl, оптично з'єднаного з пластиною сцинтиляційного полістролу. Детектори мають чутливість реєстрації фотонів гамма-квантів на 22% більше під час опромінення джерелом 137Cs та на 78% більше під час опромінення джерелом 241Am порівняно з детектором на основі сцинтиляційного полістиролу. Удосконалено та впроваджено у виробництво технологічний процес виготовлення спектрометричних комбінованих детекторів альфа- та бета-частинок з площею вхідної поверхні до 180 см2 на основі гетерогенного шару ZnSe:Al та світлопровідного шару з ПММА. Оптимальне поглинання альфа-частинок детектором забезпечується за рахунок альфа-чутливого підшару товщиною 0,05 –0,1 мм, що складається з гранул ZnSe:Al розміром 5–63 мкм та водорозчинного акрилатного лаку як основи. Для виготовлення бета-чутливого підшару комбінованого детектора використаний композитний сцинтилятор ZnSe:Al товщиною 0,7 мм з гранул розміром 100–140 мкм, що пропускає не менш ніж 11% світла та забезпечує відносну ефективність реєстрації бета-частинок ~30 %. Детектори мають чутливість реєстрації альфа- та бета-частинок 0,32 імп/с·Бк та 0,34 імп/с·Бк під час опромінення джерелами 239Pu та 90Sr-90Y, відповідно, що на 26% та 14% більше, ніж у детекторів на основі ZnS:Ag та сцинтиляційної пластмаси. У роботі удосконалено технологічні операції виготовлення комбінованих детекторів фотонів низькоенергетичного рентгенівського випромінювання (для візуалізації об’єктів) з площею вхідної поверхні до 400 см2 на основі композиційного сцинтиляційного шару товщиною 0,1 мм з гранул GAGG:Ce або CsI:Tl розміром 1–15 мкм, який з’єднаний з волоконно-оптичною пластиною. Удосконалено процес твердофазного синтезу гранул GAGG:Ce, в результаті чого визначено оптимальну концентрацію Ce3+, що забезпечує максимальний світловий вихід сцинтиляційного шару GAGG:Ce. Розроблені комбіновані детектори GAGG:Ce мають просторове розділення 5 пар ліній/мм, що на 25% краще, ніж у плоскопанельних детекторів з матрицею на тонкоплівкових транзисторах, виготовлених на основі екранів CsI:Tl або Gd2O2S:Tb. The scientific and applied problem of increasing of sensitivity of detectors of alpha and beta particles and gamma photons, as well as increasing of spatial resolution of low-energy X-ray photons detectors (for objects visualizing) was solved in the work by developing of technological processes of large area combined detectors manufacturing. The requirements for the elements of combined detectors were formulated. The technological process of production of elements of gamma radiation combined detectors with size of input window from 1000 cm2 based on materials which differ of coefficients of linear thermal expansion by 4.5 – 7 times for operation in the temperature range from -50OC to + 70OC was developed. The technological process of production of spectrometric gamma radiation combined detectors with size of input window from 1000 cm2 based on NaI:Tl single crystal plates and scintillation polysteryne was developed. The energy resolution was 8.5% when irradiated with collimated 137Cs source (Еγ = 662 keV) and sensitivity was higher than that of the NaI:Tl detector. The technological operations of production of counting gamma radiation combined detectors with size of input window from 1000 cm2 based on CsI:Tl composite scintillator and scintillation polysteryne were improved. Sensitivity of detectors was higher than that of detector based on scintillation polysteryne. The technological process of production of alpha-beta spectrometric combined detectors with size of input window up to 180 cm2 based on ZnSe:Al heterogeneous layers and PMMA light guide layer was imrpoved. Sensitivity of detectors was higher than that of detector basrd on ZnS:Ag and plastic scintillator. Technological operations of production of combined detectors of low energy X-ray radiation (for objects visualizing) with size of input window up to 400 cm2 were improved. Detectors based on composite scintillator made of GAGG:Ce granules obtained by solid-phase synthesis or CsI:Tl polished crystal granules and coupled with fiber-optic plate. The spatial resolution of detectors were better than that of X-ray flat panel detectors with a Thin- Film Transistor array based on CsI:Tl or Gd2O2S:Tb scintillation screens.
Keywords: іонізуюче випромінювання; комбіновані сцинтиляційні детектори; чутливість реєстрації; просторове розділення; технологічний процес; ionizing radiation; combined detector; sensitivity; spatial resolution; technological process