SCINTILLATION MATERIALS

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Введение

Я начну с коротких исторических замечаний. В 1951 г. ректором университета стал академик Эстонской Академии наук Федор Клемент, 100-летие которого в мае 2003 г. отметил Тартуский университет. Профессор Клемент был одним из пионеров зарождавшейся в тридцатые-сороковые годы в Европе (и, в частности, в нынешнем Санкт-Петербурге, где в то время работал Клемент) области физики, связанной с явлениями люминесценции твердотельных материалов. В наше время эти явления широко изучаются во всем мире и находят широкое и разнообразное применение: дома – это люминесцирующие под действием электронного пучка экраны цветных телевизоров, на улицах – разного типа люминесцентные лампы, эффективность которых в несколько раз превосходит обычные лампы накаливания. В физике высоких энергий многие фундаментальные явления были открыты и детально изучены благодаря использованию для регистрации частиц твердотельных люминесцентных экранов: именно на этих экранах возникают вспышки свечения (сцинтилляции) при попадании на них отдельных электронов, протонов, нейтронов, ‑частиц, -квантов и т.д. На заре ХХ века выдающийся физик Резерфорд сделал важный вывод, что почти вся масса атома сконцентрирована в его крошечном ядре, именно наблюдая в темноте одиночные вспышки свечения, которые возникали при попадании на экран из сернистого цинка (ZnS) -частиц, рассеянных под разными углами. В шестидесятые годы ХХ века в гигантской индустриальной установке, использующей столкновение встречных пучков частиц огромной энергии, американские ученые обнаружили антипротон опять с помощью сцинтилляционных детекторов. Конечно, в этом случае вспышки свечения регистрировались не глазом, а сложными фотоэлектронными системами.

Как вы знаете, в наши дни широкое распространение получила ядерная энергетика и в таких странах как Япония, Франция, США, Россия, Германия значительная часть электрической энергии получается именно на атомных станциях. По-видимому, еще при вашей жизни, когда невосполнимые нефтяные и газовые запасы Земли сильно поубавятся, ядерная энергетика (использующая энергию, выделяемую при делении тяжелых ядер), а возможно и термоядерная энергетика (где используется энергия, выделяющаяся при синтезе легких ядер) будет играть определяющую роль в мировой энергетике. А это в свою очередь означает, что будет расти потребность и в самых разнообразных приборах контроля за радиационной безопасностью обслуживающего атомные станции персонала, да и всего населения Земли. Для измерения доз радиации, которая поглощена человеком, уже широко используются люминесцирующие материалы в виде небольших таблеток, способные во время облучения запасать полученную энергию, а затем при специальном прогреве или дополнительной подсветке лампой или лазером эта запасенная энергия выделяется в виде люминесценции. Эту люминесценцию регистрируют с помощью фотоэлектрической аппаратуры и таким образом определяют дозу радиации, попавшую в область таблетки, расположенной на теле человека.

Медицинские исследования давно показали, что одинаковые дозы энергии, поглощенные человеком при разных видах радиационного воздействия, очень по-разному вредят жизнедеятельности человека. Например, поглощенная доза облучения протонами или нейтронами примерно в 20 раз вреднее, чем такая же поглощенная человеком доза при облучении - или рентгеновскими лучами. После 2^ой мировой войны, в течение длительного времени в массовой персональной дозиметрии использовали люминесцирующие дозиметрические материалы, которые при попадании на них слабых смешанных потоков -лучей и нейтронов давали явно заниженные данные о величине радиационного повреждения человека, так как практически не учитывали очень вредного влияния нейтронов. Теперь, конечно, ситуация не такая, но и сейчас постоянно возникают потребности в улучшении существующих и разработке новых дозиметрических материалов селективного действия. Конечно, нельзя исключить и проблемы, возникающие в нестационарных условиях (локальные военные действия, террористические акции), в результате которых наблюдается сильное кратковременное или более длительное и слабое радиационное облучение.

В Институте физики Тартуского университета, как я уже сказал, более полувека ведутся научные и научно-прикладные исследования физических явлений в твердотельных материалах. В течение длительного времени TÜ FI имеет научные контакты со многими научно-прикладными институтами России, а в последние 15 лет и с институтами Швеции, Финляндии, Германии, Чехии, Италии, США, Японии, не говоря уже о ближайших наших соседях – Латвии. Кажется, самые сложные для науки годы уже пройдены.

В этом году я несколько обновил курс, так как за последние годы радиационная физика материалов, которая лежит в основе курса, продолжила свое развитие. Принято решение о строительстве во Франции международного термоядерного экспериментального реактора ITER. Затем предстоит разработать и существенно более мощные промышленные реакторы, где энергия выделяется при синтезе изотопов водорода. Последняя задача трудна не только для ученых, занимающихся устойчивой термоядерной плазмой (там достигли значительных успехов), но и для нас с вами – материаловедов. По мнению многих специалистов, "ахиллесовой пятой" мощной термоядерной энергетики является недостаточная радиационная стойкость конструкционных материалов для таких реакторов. В процессе длительной эксплуатации и в металлах, и в лучших диэлектрических материалах (о которых я и буду говорить в курсе) под воздействием быстрых нейтронов, ионов и разных видов коротковолновой радиации создаются дефекты – сначала наноразмерные, а затем и микро- и макроразмерные. В результате, материал выходит из строя. Проблема радиационной стойкости материалов очень масштабная, не исключено, что именно вашему поколению и удастся ее решить. Хочу отметить, что эстонские физики готовы участвовать в решении этой задачи, в нашей лаборатории уже напрямую занимаются поиском путей повышения радиационной стойкости диэлектрических материалов.

Я надеюсь, что коротко пояснил, почему и для чего будет прочтен курс лекций по дозиметрическим и сцинтиляционным материалам. К великому сожалению, я не могу рекомендовать вам ни одного специального печатного издания по курсу на эстонском языке. Имеются книги и обзоры в журналах на английском и русских языках, их много, но они в основном посвящены важным, но специальным аспектам проблемы. Поэтому их самостоятельное использование затруднено. Кроме того, для глубокого усвоения курса нужны базовые данные по физике твердого тела, радиационной физике, материаловедению и даже по медицине и биофизике. Поэтому читать этот курс мне будет трудно. Советую конспектировать лекции, я же постараюсь раздавать вам к лекции иллюстративный материал и давать ссылки на книги, близкие по содержанию к той или иной моей лекции.

Общий план курса перед вами. Сначала я рассмотрю современные базовые представления об основных физических процессах в твердых телах, связанных с излучением (в основном, люминесценцией) твердых тел и поглощением твердыми телами электромагнитных колебаний (см. Программу курса).