Ученые разработали безопасные материалы для рентгеновских аппаратов и датчиков ионизирующего излучения

Ученые создали новые соединения, которые эффективно преобразуют рентгеновское излучение в видимый свет. Материалы с такими свойствами используются в рентгеновских аппаратах, просвечивающих устройствах в аэропортах, а также датчиках ионизирующего излучения. Соединения эффективнее аналогов, кроме того, они просты в получении, дешевы и нетоксичны. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dalton Transactions.

Материалы, которые испускают свет видимого диапазона при попадании на них рентгеновского или другого ионизирующего излучения, называют сцинтилляторами. Их широко используют в медицине и технике: в рентгеновских аппаратах, досмотровых лентах в аэропортах, а также в устройствах для проверки качества самых разных материалов. Одними из наиболее перспективных сцинтилляторов считаются гибридные галогениды марганца — соединения галогенидов марганца с галогенидами органических аминов. Они хороши тем, что способны поглощать и испускать свет в широком диапазоне длин волн, благодаря чему одно и то же вещество можно использовать во многих устройствах для разных целей. Кроме того, эти материалы дешевы в производстве и нетоксичны. Однако большинство изученных на сегодняшний день гибридных галогенидов марганца содержат объемные органические молекулы, которые снижают плотность материала и, следовательно, его способность поглощать и преобразовывать рентгеновское излучение. Из-за этого приходится использовать толстые слои, что увеличивает габариты устройств и не позволяет добиваться высокого разрешения.

Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) синтезировали четыре соединения марганца с бромом и компактными органическими остатками. Для этого авторы на несколько дней поместили кристаллы бромида марганца в органические растворители изопропанол и диоксан, нагрев до температуры 70°C. В результате из раствора в осадок выпали кристаллы искомых соединений.

Авторы исследовали спектры их свечения под действием излучения рентгеновского или ультрафиолетового диапазона. Эксперименты показали, что два вещества светятся в красном диапазоне, а другие два — в зеленом. При этом сравнение с существующими на сегодняшний день гибридными галогенидами марганца показало, что новые материалы значительно эффективнее преобразуют падающее на них высокоэнергетическое излучение в свет видимого диапазона. Так, например, материалы с объемными органическими молекулами обладают 100% поглощением, только если их толщина составляет несколько миллиметров. В случае новых молекул для аналогичного результата достаточно субмиллиметрового слоя, а значит, их можно будет использовать в миниатюрных датчиках ионизирующего излучения и медицинских приборах.

«В отличие от большинства аналогичных материалов, синтезированные нами образцы имеют относительно высокую плотность благодаря тому, что органические компоненты структуры в них занимают небольшую долю объема. Это позволяет им эффективнее улавливать рентгеновское и видимое излучение, а затем преобразовывать его», — пояснил участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Фатеев, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова.

«В дальнейшем мы планируем исследовать системы с другими органическими молекулами и галогенами для поиска материалов, наиболее эффективных при создании тонкопленочных оптоэлектронных устройств для детектирования ионизирующего излучения. В нашей работе мы стремимся разработать эффективные прототипы рентгеновских детекторов и визуализационных экранов, применяемых в медицине и научных исследованиях», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ.