​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) и Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН разработали и испытали прототип детектора на основе нанокомпозитного материала. 

 
Он создан по уникальной технологии, которая открывает новые возможности в детектировании рентгеновского излучения. По расчетам ученых, детектор, созданный с помощью новой технологии, будет иметь высокое пространственное разрешение (20 микрон или лучше) и высокую чувствительность. Первый прототип продемонстрировал способность детектировать рентгеновское излучение. На следующем этапе планируется разделить чувствительный объём детектора на пикселы, что позволит добиться высоких показателей в пространственном разрешении. Результаты работы представлены на конференции Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR-2020).
 
 
Рентгеновское излучение имеет широкий спектр применения, его используют в медицине, биологии, геологии и археологии, изучении космоса, промышленности и прикладных научных исследованиях. Для каждого класса задач применяются разные методы регистрации, при этом важные параметры работы детектора – чувствительность, то есть способность формировать отклик на поглощённый квант рентгеновского излучения, и пространственное разрешение получаемого изображения. Хотя на данный момент методы детектирования хорошо развиты, ученые работают над совершенствованием существующих технологий, чтобы «увидеть» с помощью рентгена самые мельчайшие объекты. 

 
«При повышении чувствительности детектора и улучшении пространственного разрешения, – поясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Владимир Назьмов, – спектр задач, которые он способен решать, существенно расширяется. Возрастает интерес в медицине, например, более детальному изучению развития рака молочной железы, различным видам опухоли головного мозга. Рентгеновская оптика с высоким разрешением позволяет, например, получить изображения динозавра, ещё не вылупившегося из яйца. Детектор позволит упростить дефектоскопию габаритных объектов, например, турбин ГЭС, лопаток самолётов и пр. С помощью такого устройства можно будет просвечивать грузы, а также использовать его в научных целях – в качестве детектора на источниках синхротронного излучения, в первую очередь, я, конечно, имею в виду неспециализированные источники синхротронного излучения нашего института – ВЭПП-3 и ВЭПП-4». 

 
Детекторы на основе полупроводниковых матриц позволяют получить высокое пространственное разрешение, но их чувствительный слой относительно тонкий поэтому они не очень эффективно поглощают рентген. Для того чтобы улучшить этот параметр, на поверхность наносят специальный слой – люминофор или сцинтиллятор – который поглощает рентген и превращает его в видимый свет. Люминофор должен быть достаточно толстым, чтобы поглощать рентген, но это портит пространственное разрешение. Найти консенсус между ними можно, разделив люминофор на отдельные «пиксели». 

 
В этой связи в качестве сцинтиллятора привлекательно использовать полиметилметакрилат (ПММА), или оргстекло. Этот полимер хорошо подходит для обработки при помощи LIGA-технологии, которая позволяет с субмикронной точностью воспроизводить микроструктуры при участии луча синхротронного излучения. Однако оргстекло не очень хорошо поглощает рентген, а вдобавок спектр его высвечивания не соответствует спектральному поглощению обычных кремниевых матриц. 

 
Для решения этой проблемы ученые всего мира модифицируют его свойства с помощью добавления различных примесей. Мы избрали путь – добавление вольфрама. Атомы вольфрама прекрасно поглощают рентгеновские кванты, поэтому для целей детектирования нами исследуются нанокомпозиты на базе наночастиц, содержащих вольфрам. Оказалось, что фрагментация материала на наночастицы также позволяет изменить спектр свечения ПММА, сдвинуть его в красную область, которая хорошо регистрируется кремниевыми матрицами. Причём этот сдвиг зависит от размера наночастиц. 

 
Чем меньше размер частиц наполнителя, тем в большей степени могут быть изменены свойства исходной полимерной матрицы. На данный момент в химии используются различные способы диспергирования наполнителя, например, измельчение в шаровых мельницах, воздействие электрическим разрядом, наконец, взрыв. В результате получается масса наночастиц, величина которых лежит в широком диапазоне размеров, и требуется продолжительное время дальнейшей дообработки или сепарации по размерам. Это трудоемкий и не всегда удобный процесс. 

 
«Мы предложили новый способ получения нанокомпозита, который, по нашему мнению, быстрее обеспечит нужный результат, – комментирует Владимир Назьмов. – Способ заключается в испарении гексакарбонила вольфрама в замкнутом объёме, где находится ПММА. Варьируя температуру гексакарбонила вольфрама, можно менять размеры кластеров, покидающих его поверхность, одновременно быстро перемешивая преполимерную массу, чтобы усреднить распределение адсорбированных из паровой фазы молекул в объёме форполимера. Одновременно протекает реакция полимеризации органического прекурсора, по завершении которой образуется полимерный нанокомпозит. В предложенном методе важно, что можно контролировать размер испаряемых кластеров управляя температурой вольфрамсодержащего прекурсора, вплоть до одной молекулы. Детектор, выполненный на базе однокомпонентного нанокомпозита, продемонстрировал чувствительность к рентгеновскому излучению, причём с конверсией спектра исходного ПММА, и это является целью первого этапа работы по разработке детектора». 

 
Следует отметить, что для формирования полимера используется ПММА, предварительно сшитый посредством пучка быстрых электронов из ускорителя ИЛУ, также являющегося результатом разработки ИЯФ СО РАН. Этот метод обеспечивает химическую чистоту реагентов и гомогенность протекания реакции в объёме реактора. 

 
На последующем этапе планируется разделить чувствительный объём детектора на пикселы, опять же с использованием технологии глубокой рентгенолитографии, что позволит формировать сигнал с детектора в зависимости от положения объекта в пространстве, т.е. изображение последнего.​

 
На фото: Схема детектора. Предоставлено В. Назьмовым 
Пресс-служба ИЯФ СО РАН



Источники

В ИЯФ СО РАН испытали прототип сверхчувствительного детектора для научных, медицинских и промышленных применений
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 17/12/2020
В Новосибирске разработали и испытали сверхчувствительный рентгеновский детектор
Inline.ru, 17/12/2020
Новосибирские ученые разработали и испытали сверхчувствительный рентгеновский детектор
Seldon.News (news.myseldon.com), 17/12/2020
Испытан прототип сверхчувствительного детектора для научных, медицинских и промышленных применений
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 17/12/2020
Новосибирские ученые испытан прототип сверхчувствительного детектора
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 17/12/2020
Испытан прототип сверхчувствительного детектора
Научная Россия (scientificrussia.ru), 17/12/2020
Испытан прототип сверхчувствительного детектора для научных, медицинских и промышленных применений
Наука в Сибири (sbras.info), 18/12/2020
Успешные испытания
Академгородок (academcity.org), 21/12/2020
Новосибирские ученые работают над созданием сверхчувствительного рентгеновского детектора
RU24.pro, 23/12/2020
Новосибирские ученые работают над созданием сверхчувствительного рентгеновского детектора
Большой Новосибирск (polit-center.org), 23/12/2020
Новосибирские ученые работают над созданием сверхчувствительного рентгеновского детектора
ГТРК Новосибирск, 23/12/2020

Похожие новости

  • 11/01/2021

    Достижения и открытия большой науки

    — Специалисты Института ядерной физики имени Г. И. Будкера, Института химии твердого тела и механохимии, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН разработали и испытали прототип детектора на основе нанокомпозитного материала.
    498
  • 01/02/2021

    ИК СО РАН запустил еженедельный онлайн-семинар для будущих пользователей ЦКП «СКИФ»

    Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования (ЛПСМИ) Института катализа СО РАН провела первую серию семинаров для объединения потенциальных отечественных пользователей ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и обмена опытом по использованию синхротронного излучения (СИ) в различных областях науки.
    1039
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    5261
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    5657
  • 08/07/2021

    Минобрнауки России опубликовало список заявок, допущенных к конкурсу в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 - 2027 годы

     Опубликован Протокол № 2021-951-ФП5-2 первого этапа экспертизы заявок на участие в конкурсе на реализацию отдельных мероприятий Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 - 2027 годы.
    292
  • 19/09/2019

    НГУ и ИЯФ СО РАН представили на форуме «Технопром» инновационную методику лечения рака

    ​​C 18 сентября в рамках VII Международного форума технологического развития «Технопром» Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера представят стенд, посвященный совместной работе центра бор-нейрозахватной терапии онкологических заболеваний.
    1729
  • 22/04/2021

    «Машина времени»: модернизированная установка позволит заглянуть в прошлое на миллионы лет

    Ускорительная масс-спектрометрия (УМС) – сверхчувствительный метод изотопного анализа, при котором производится тщательная селекция атомов вещества с подсчётом интересующих нас изотопов. Метод позволяет с высокой точностью датировать археологические находки и геологические породы, изучать состав атмосферы и ткани живых организмов разных исторических периодов.
    675
  • 09/07/2021

    Минобрнауки России опубликовало список получателей грантов в форме субсидий из федерального бюджета в целях обновления приборной базы

    ​​Опубликован Протокол от 6 июля 2021 г. № АМ/58-пр заседания комиссии по проведению отбора заявок на участие в конкурсе грантов в целях в целях обновления приборной базы. В список получателей грантов в 2021 году, в том числе вошли (среди 199 организаций): Институт археологии и этнографии СО РАН, Институт геохимии им.
    691
  • 03/02/2018

    Ученые новосибирского Академгородка представили новейшие достижения СО РАН

    ​​Перед Днем российской науки-2018 три крупнейших института СО РАН – Институт ядерной физики им. Будкера, Институт химической биологии и фундаментальной медицины и Институт гидродинамики им. Лаврентьева  – открыли свои двери для посетителей.
    4674
  • 24/05/2021

    Испытание установки для лечения сложных видов рака хотят начать в Новосибирске в 2023 году

    Институт ядерной физики СО РАН планирует в 2023 году начать клинические испытания установки для лечения рака по перспективному методу бор-нейтронозахватной терапии, ее финансирование поручил предусмотреть премьер-министр РФ Михаил Мишустин.
    648