Композитные материалы на основе квантовых точек и полимерных матриц для регистрации гамма-излучения в сцинтилляционных детекторах нового поколения

Обоснование. В настоящее время разработка новых сцинтилляционных материалов на основе флуоресцентных нанокристаллов со структурой перовскита состава CsPbBr3 и квантовых точек CdSe/ZnS является актуальной темой и развивается многими научными группами [1–4]. Оба указанных материала обладают высоким потенциалом для применения в этой роли, поскольку являются отличными флуорофорами с квантовым выходом люминесценции около 100%, но кроме того обладают и высокими значениями эффективного атомного номера Zeff. Сечение фотоэффекта зависит от Zeff как (Zeff)5, а величина поглощения рентгеновских лучей зависит от Zeff как (Zeff)4/(AЕ3), где A — атомная масса вещества, поглощающего γ-квант, а E — энергия рентгеновского фотона [5].

Цель — разработать методику изготовления сцинтилляторов на основе квантовых точек и полимерных матриц, обладающих высокой степенью прозрачности, высокой временной стабильностью квантового выхода люминесценции и короткими временами затухания люминесценции (время высвечивания или среднее время жизни вещества в возбуждённом состоянии) для регистрации гамма-излучения.

Материалы и методы. Для регистрации сцинтилляционных сигналов использовался фотоэлектронный умножитель HAMAMATSU R7400U-6. В качестве источника ионизирующего излучения использовался источник 137Cs с энергией γ-кванта 661,7 кэВ.

Результаты. При облучении γ-квантами изотопа 137Cs образцов на основе матрицы поли(пара-метилстирола), сшитого молекулами дивинилбензола (10% масс), активированных нафталином (10%, первичный акцептор), антраценом (1%) и квантовыми точками/перовскитными нанокристаллами (0,1–1,0%, переизлучатель) в энергетическом спектре проявлялось эффективное комптоновское рассеяние гамма-квантов в веществе на атомах, входящих в состав квантовых точек/перовскитных нанокристаллов.

В результате исследования было обнаружено, что для образцов, не содержащих неорганические элементы — квантовые точки и перовскитные нанокристаллы, — комптон-эффект для гамма-квантов отсутствует. Дополнительно показано, что матрица параметилстирола позволяет защитить перовскитные нанокристаллы от воздействия внешней среды, при этом значение квантового выхода фотолюминесценции объёмных композитных материалов на основе перовскитных нанокристаллов состава CsPbBr3 и поли(параметилстирола) длительное время остаётся постоянным в пределах погрешности.

Заключение. Экспериментально подтверждено, что квантовые точки и перовскитные нанокристаллы, инкапсулированные в различные полимерные матрицы, проявляют свойства сцинтилляторов под воздействием ионизирующего излучения. Изготовленные образцы перовскитных нанокристаллов/квантовых точек и различных полимеров можно считать наиболее перспективными для использования в качестве сцинтилляционного материала для регистрации рентгеновского и гамма-излучения.