Композиційні сцинтилятори на основі мікропорошків ZnWO4:Me+, отриманих методом твердофазного синтезу

Анотація

У роботі розглянуто можливість поліпшення функціональних характеристик (світлового виходу та рівня післясвічення)
композиційних сцинтиляторів на основі синтезованого за твердофазною реакцією мікропорошку ZnWO4 методом
гетеровалентного легування. До суміші вихідних оксидів ZnO та WO3 додавали LiNO₃, Li₂SO4, Cs2SO₄, Rb2SO₄ у кількості 0,003
мас. %. Синтез проводили на повітрі за 950 °С протягом 30 годин. Дослідження морфології одержаних порошків проводили
методом скануючої електронної мікроскопії (СЕМ ). Показано, що на розмір зерен синтезованих порошків більшою мірою
впливає розмір катіона, який заміщує Zn₂₊, ніж наявність мінералізатору з низькою температурою плавлення. Досліджені
аніони не впливають на процес синтезу: так при додаванні ZnSO₄ розмір одержаних зерен подібний до номінально чистого
синтезованого ZnWO4. При легуванні Li+, який є меншим від Zn₂₊ на 20%, не залежно від аніонної складової, середній розмір
зерна збільшується у 4 рази. При легуванні Rb+ та Cs+, які майже вдвічі більше від Zn₂₊, спостерігається зростання зерен у
20 разів, що говорить про значне розпушення кристалічної ґратки утвореними нульмерними дефектами, що сприяє кращій
дифузії реагентів та прискоренню процесу синтезу. Дослідження рентгенолюмінесценції показало подібність спектрів
синтезованих порошків ZnWO₄:Me+ до спектру монокристала ZnWO4, що відповідає свіченню автолокалізованого екситона на
оксіаніонном комплексі WO6
6-. Інтенсивність полос зростає відповідно до збільшення катіонного радіусу легуючої домішки:
Li+ → Rb+ → Cs+. Максимальна інтенсивність рентгенолюминесценції спостерігається для мікропорошку ZnWO4:Cs+, яка
вдвічі перевищує інтенсивність нелегованого мікропорошка ZnWO₄. Це обумовлюється достатньо високим ступенем
деформації структури центру свічення WO6
6-, впливаючи тим самим на люмінесцентні властивості матеріалу. Композиційні
зразки на основі синтезованих порошків виготовляли з використанням в якості зв’язуючого оптичного синтетичного
каучуку СКТН в кількості 50 мас.%. Результати вимірювання відносного світлового виходу композиційних сцинтиляторів
на основі ZnWO4:Me+ корелюють з результатами вимірювань інтенсивності рентгенолюмінесценції синтезованих порошків
і зростають зі збільшенням радіуса легуючого катіона. Вимірювання рівня післясвічення показало, що застосування методу
гетеровалентного легування, а саме Me+, є дієвим шляхом покращення сцинтиляційних параметрів кристалічних матеріалів.
Композиційні сцинтилятори на основі ZnWO₄:Cs+ та ZnWO₄:Rb+ демонструють значення світлового виходу та післясвічення
на рівні композиту з розмеленого монокристалу ZnWO₄, та не гірше монокристалічного зразка ZnWO4. Отримані матеріали є
перспективними для застосування в сцинтиляційних детекторах комп’ютерної томографії та пристроїв цифрової радіографії.
Ключові слова: ZnWO4, ZnWO4:Ме+, світловий вихід, післясвічення, композиційний сцинтилятор, синтез ZnWO4,
рентгенолюмінесценція ZnWO4.