КРИСТАЛЛЫ БЛИЗКОГО БУДУЩЕГО

Доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией сцинтилляционных материалов Института физических исследований (ИФИ) НАН РА Ашот ПЕТРОСЯН занимается выращиванием кристаллов из расплава еще со времени учебы в аспирантуре. Сфера применения искусственных кристаллов очень широкая, это научное и медицинское оборудование, авиационная и космическая промышленность (датчики разного назначения), физикa высоких энергий, ювелирное производство и т.д.

 ВПОЛНЕ ЕСТЕСТВЕННО ВОЗНИКАЕТ ВОПРОС: стоит ли выращивать искусственные кристаллы, если существуют природные? Однако искусственные кристаллы имеют ряд существенных преимуществ - это возможность регулирования свойств в соответствии с требованиями их конкретного практического применения и значительно большая скорость их формирования по сравнению с природными. К тому же спрос на кристаллы с теми или иными свойствами постоянно растет и использование природных кристаллов не в состоянии его обеспечить. Более того, ученым удалось получить кристаллы, которых в природе не существует, а их свойства соответствуют созданию на их основе устройств для решения тех или иных практических задач. Но все же именно изучение состава, кристаллической структуры и свойств природных кристаллов подсказывает ученым наиболее перспективные пути создания искусственных материалов и новые области их применения.

 В начале своей исследовательской деятельности Ашот Петросян занимался выращиванием и исследованием свойств кристаллов со структурами граната и перовскита, которые благодаря введению в качестве примесей некоторых редкоземельных элементов и обладая высоким оптическим качеством успешно использовались в качестве активных элементов в твердотельных лазерах. А в 90-е годы, несмотря на колоссальные трудности, которые в очередной раз переживала наша страна, начал заниматься и сцинтилляционными кристаллами, что в дальнейшем стало сферой его первостепенных научных интересов.

Сцинтилляция – очень кратковременное свечение, которое длится от нано- до микросекунд и возникает в результате взаимодействия кристалла с жестким ионизирующим излучением (гамма квантами, электронами, альфа-частицaми и др.). Основные области применения этих кристаллов – физика высоких энергий и ядерная медицина, в частности, эмиссионно-позитронная томография. Требования к сцинтилляторам определяются сферой их применения. Очень важными характеристиками сцинтилляторов являются световыход – количество излучаемого света при поглощении определенного количества энергии и время высвечивания. Причем, чем выше световыход, тем чувствительнее сцинтиллятор, поэтому усилия ученых направлены на поиск сцинтилляторов с большим световыходом. Другое важное требование к кристаллам - радиационная стойкость, то есть способность материала сохранять свои характеристики при длительном использовании в сильных радиационных полях.

Исследуя радиационную стойкость материалов, ученые пытаются обнаружить основные причины, вызывающие радиационное повреждение. Для каждого конкретного материала рассматриваются его структурные особенности, примесные и собственные дефекты. Например, в случае, когда в основу кристалла входит тяжелый редкоземельный металл лютеций, причиной радиационного повреждения становится расположенный рядом в таблице Менделеева элемент иттербий, присутствие которого даже в самых незначительных количествах крайне нежелательно. Причем очистить исходные компоненты от иттербия очень сложно, и эту проблему удалось решить лишь частично.

Кроме снижения радиационной стойкости дефекты влияют и на физические характеристики кристаллов. Эта проблема является одной из основных в области физики сцинтилляционных и лазерных кристаллов, ею серьезно занимается лаборатория, которой руководит Ашот Петросян. Решение этой проблемы обеспечит получение материалов с оптимизированными функциональными характеристиками для практического использования в устройствах различного назначения.

Высокотемпературные кристаллы выращиваются в специальных камерах, в атмосфере особо чистых газов при определенных температурных условиях и скоростях с использованием высокочистых исходных компонентов. Даже получение кристаллов с низкой плотностью микровключений, двойников, микротрещин, с низкой концентрацией посторонних примесей и имеющих высокую прозрачность в области излучения не гарантирует достижение высоких параметров. Исключить формирование в кристаллической решетке других типов дефектов (кислородные и катионные вакансии) практически невозможно, поэтому ученые работают над тем, чтобы не только выявить эти дефекты, но и найти методы их устранения или снижения их функциональной роли.

 СОТРУДНИКАМИ ЛАБОРАТОРИИ, КОТОРОЙ РУКОВОДИТ А. ПЕТРОСЯН, исследован целый ряд соединений и предложена стратегия введения специальных нетипичных для них дополнительных примесей, способных снизить функциональную роль дефектов. Найдены материалы, в которых эти примеси не замещают узлы кристаллической решетки, а располагаются в междоузлиях, частично компенсируя концентрацию вакансий. Результатом является повышение прозрачности кристаллов в ультрафиолетовой области спектра, что важно для некоторых практических применений и повышения их радиационной стойкости. В ряде случаев была использована не одна примесь, а две, одна из которых меняет валентность излучающего иона, а другая подавляет дефекты, тем самым значительно повышая эффективность первой примеси.

За последние десять лет сотрудниками лаборатории исследован целый ряд перспективных материалов и существенно улучшены их характеристики для применения в сцинтилляционных детекторах для ядерной медицины и физики высоких энергий, а также в лазерах. В 2018 году за серию научных статей, посвященных этим исследованиям, Ашот Петросян с группой сотрудников лаборатории был удостоен Президентской премии Республики Армении по физике.

В течение долгих лет наука Армении испытывала колоссальные трудности, не хватало современной аппаратуры, что существенно затрудняло экспериментальные исследования. Однако несмотря множество проблем в эти годы были установлены широкие профессиональные контакты и налажены связи с передовыми зарубежными научными центрами, в которых сотрудники лаборатории получали доступ к современной аппаратуре для проведения необходимых экспериментов. В числе этих научных центров Лионский университет (Франция), ЦЕРН – Европейский центр ядерных исследований и др. Однако, хотя сравнивать техническое оснащение ИФИ и передовых зарубежных научных центров явно не стоит, армянским ученым все же удавалось получать научные результаты в области выращивания и исследования кристаллов на современном уровне, что было подтверждено публикациями статей в престижных зарубежных научных журналах.

На основе работ последних лет в рамках конкурса «Содействие ведущим исследованиям» Комитету по науке РА был представлен проект, который получил мегагрант.

- Мы надеемся, что в результате дальнейших исследований нам удастся еще более улучшить временные характеристики сцинтилляторов и их радиационную стойкость, что будет иметь важное научное и практическое значение, - говорит Ашот Петросян. - Планируется исследовать несколько типов кристаллов, имеющих разную структуру и различные активаторные примеси. Работы будут проводиться совместно с нашими основными коллабораторами из Лионского университета. Это сотрудничество длится давно и подтвердило свою перспективность. Получение нового гранта принципиально изменит наши исследовательские возможности. Мы сможем приобрести современный спектрофотометр и аппаратуру для термообработки кристаллов и особо чистые материалы для выращивания кристаллов. Наиболее распространенные в мире методы выращивания кристаллов в лаборатории есть, правда для них используется советское оборудование 80-х годов, но оно сохранено в рабочем состоянии благодаря усилиям ученых высокого уровня и квалифицированного технического персонала. И что еще очень важно – появилась возможность существенно повысить зарплаты сотрудников лаборатории и привлечь молодые кадры. Правда, до приобретения современного оборудования для выращивания кристаллов еще далеко, поскольку оно дорогое - порядка 500 тысяч долларов и выше, но получение гранта принципиально изменило наши исследовательские возможности. Есть уверенность, что нам удастся успешно выполнить поставленные в проекте задачи и получить кристаллы для использования не только в традиционных, но и в новых сферах. Пожалуй, самой серьезной проблемой остается дефицит научных кадров, что связано с состоянием системы образования и со статусом ученого в нашем обществе. К сожалению, в течение последних десятилетий наука в Армении стала самой непрестижной и низкооплачиваемой сферой деятельности, что резко снизило приток в нее молодых одаренных людей. Будем надеяться, что отношение государства к науке изменится, а реальные шаги в этом направлении предпринимаются, и нам удастся решить и эту проблему, - сказал Ашот Петросян.