Flexible composite scintillators based on ZnWO₄ micro- and nanopowders

Nano-sized and micro-sized ZnWO₄ powders were obtained by different methods: hydrothermal synthesis with microwave heating, molten salt method, solid-state synthesis and сrushing of bulk crystals. Their morphological features were studied using transmission electron microscope and scanning electron microscope. The obtained nano- and micro-sized powders were used as fillers for flexible composite scintillators. The silicon rubber was used as a binder. The luminescent characteristics and scintillation performance of composite scintillators were measured. The dependence of scintillation performance of flexible scintillators on the morphological features of ZnWO₄ nanocrystallites was demonstrated. The flexible composite scintillator based on zinc tungstate obtained by solid-state synthesis with lithium nitrate addition was obtained and investigated. Its scintillation performance was close to that of a ZnWO₄ single crystal.В настоящей работе проведены исследования, направленные на поиск эффективного способа получения порошка ZnWO₄ для разработки гибких композиционных сцинтилляторов с высокими функциональными характеристиками, такими как световой выход и уровень послесвечения.У даній роботі проведені дослідження, спрямовані на пошук ефективного способу отримання порошку ZnWO₄ для розробки гнучких композиційних сцинтиляторів з високими функціональними характеристиками, такими як світловий вихід і рівень післясвітіння

Cryogenic Detectors for Rare Alpha Decay Search: A New Approach

The detection of $$^{148}$$ Sm alpha decay with a precise measured half-life of $$\left( {6.4_{-1.3}^{+1.2} }\right) \times 10^{15}y$$ and a Q-value of 1987.3 $$\pm$$ 0.5 keV was achieved by a new experimental approach, where a conventional ZnWO $$_{4}$$ scintillating crystal doped with enriched $$^{148}$$ Sm isotope is operated as a cryogenic scintillating bolometer (phonon and light channel) at mK-temperatures

ᵃʳᶜʰPbWO₄ with improved optical parameters from archaeological lead

Technological principles of manufacturing a lead tungstate crystal from archaeological lead for use in low-background experiments to search for rare events are presented. The influence of the conditions for obtaining single crystals of ᵃʳᶜʰPbWO₄ on the photochromic effect in single crystals is investigated. By minimizing deviations from the stoichiometric composition, it was possible to improve the optical parameters of the lead tungstate single crystal. Single crystals with improved optical parameters have been obtained using double crystallization and the introduction of an excess of ᵃʳᶜʰPbO, which makes it possible to consistently influence various defects in crystals of ᵃʳᶜʰPbWO₄.Наведено технологічні основи виготовлення кристала вольфрамату свинцю з археологічного свинцю для застосування в низькофонових експериментах із пошуку рідкісних подій. Досліджено вплив умов одержання монокристалів ᵃʳᶜʰPbWO₄ на фотохромний ефект у монокристалах. Шляхом мінімізації відхилень від стехіометричного складу вдалося поліпшити оптичні параметри монокристала вольфрамату свинцю. Одержані монокристали із застосуванням подвійної кристалізації та введенням надлишку ᵃʳᶜʰPbO дозволяють послідовно впливати на різні дефекти в кристалах ᵃʳᶜʰPbWO₄ з покращеними характеристиками.Приведены технологические основы изготовления кристалла вольфрамата свинца из археологического свинца для применения в низкофоновых экспериментах по поиску редких событий. Исследовано влияние условий получения монокристаллов ᵃʳᶜʰPbWO₄ на фотохромный эффект в монокристаллах. Путем минимизации отклонений от стехиометрического состава удалось улучшить оптические параметры монокристалла вольфрамата свинца. Полученные монокристаллы с применением двойной кристаллизации и введением избытка ᵃʳᶜʰPbO позволяют последовательно влиять на различные дефекты в кристаллах ᵃʳᶜʰPbWO₄ с улучшенными характеристиками

Mass-spectrometric studies of the charge for CdWO₄ crystal growth

The cadmium tungstate charge has been tested by mass-spectrometry. The charge criterion quality is the absence of ammonia-containing impurities that form ammonia and hydroxide under decomposition. The preliminary heat treatment in air at 700°C favors the removal of organic impurities, ammonium salts, and hydroxides.Проведено тестування шихти вольфрамату кадмію мас-спектрометричним методом. Критерієм якості шихти є відсутність домішок амонієвих сполук, які розкладаються з утворенням аміаку та гідроксидів. Попередня термічна обробка шихти в атмосфері повітря при температурі 700°С сприяє видаленню органічних домішок, амонієвих сполук та гідроксидів.Проведено тестирование шихты вольфрамата кадмия масс-спектрометрическим методом. Критерием качества шихты является отсутствие аммониевых примесей, разлагающихся с образованием аммиака и гидроксидов. Предварительная термическая обработка шихты в атмосфере воздуха при температуре 700°С способствует удалению органических примесей, аммониевых солей и гидроксидов

X-ray and photo-excited luminescence of ZnWO₄ nanoparticles with different size and morphology

X-ray and photoluminescence of ZnWO₄ nanocrystals with controlled size and morphology: grains with diameter of 10-20 nm; rods with diameter of 10-20 nm and length of 200-250 nm produced by microwave hydrothermal method were studied. Red luminescence with λmax = 700 nm was found in the samples. The intensity of the red luminescence increases with decreasing of the ZnWO₄ nanoparticles size due to increase of concentration of oxygen vacancies and creation of distorted WO₆ centers. It was shown that reduction in the X-ray luminescence intensity with decrease of the ZnWO₄ nanoparticles size is due to creation of the distorted WO₆ centers which are the nonradiative relaxation channel competing with the self-trapped excitons

Research and development of alkali earth tungstate and molybdate crystal scintillators for search for rare events

Large volume ZnWO₄ scintillator with improved performance characteristics have been obtained. Due to its favorable light yield values at low temperatures and extremely low intrinsic radioactivity, zinc tungstate is a material of very good prospects for cryogenic double beta-decay and dark matter experiments. The ZnMoO₄ single crystals were produced for the first time using Czochralski technique. The suitability of this material for cryogenic rare event search experiments has been studied and identified the ways to improve the scintillation properties of the crystal have been outlined. The manufacturing methods of MgWO₄ crystals have been investigated and the manufacturing possibility by pulling from the solution-melt on a seed has been established. The experimental MgWO₄ single crystals of ca. 1 cm³ volume have been prepared for the first time and the luminescence and scintillation characteristics thereof have been measured.Отримано сцинтилятори ZnWO₄ великого об'єму з поліпшеними характеристиками. Хороші параметри світлового виходу в області низьких температур і виключно низька власна радіоактивність роблять вольфрамат цинку одним з найперспективніших матеріалів для кріогенних експериментів з пошуку подвійного бета-розпаду і темної матерії. Вперше отримано монокристали ZnMoO₄ методом Чохральського. Досліджено можливість використання цього матеріала для кріогенних експериментів з пошуку рідкісних подій та намічено шляхи поліпшення сцинтиляційних характеристик. Досліджено методи отримання кристалів MgWO₄, встановлено принципову можливість вирощування об'ємних кристалів методом витягування з розчину у розплаві на затравку. Вперше отримано експериментальні зразки монокристалів MgWO₄ об'ємом ~1 см³ і виміряно їх люмінесцентні та сцинтиляційні характеристики.Получены сцинтилляторы ZnWO₄ большого объема с улучшенными характеристиками. Хорошие параметры светового выхода в области низких температур и исключительно низкая собственная радиоактивность делают вольфрамат цинка одним из самых перспективных материалов для криогенных экспериментов по поиску двойного бетараспада и темной материи. Впервые получены монокристаллы ZnMoO₄ методом Чохральского. Исследована возможность использования этого материала для криогенных экспериментов по поиску редких событий и намечены пути улучшения сцинтилляционных характеристик. Исследованы методы получения кристаллов MgWO₄, естановлена принципиальная возможность выращивания объемных кристаллов методом вытягивания из раствора в расплаве на затравку. Впервые получены экспериментальные образцы монокристаллов MgWO₄ объемом ~1 см³ и измерены их люминесцентные и сцинтилляционные характеристики

Luminescence of CWO single crystals containing various defects

Influence of dopant-induced defects on luminescence and performance characteristics of CWO crystals has been studied. Мо and Fe have been shown to give rise to a specific "red" emission component with decay time of several hundreds of microseconds or more, while trivalent dopants cause formation of deep charge carrier traps responsible for the millisecond range afterglow. These defects give rise also to the color centers causing absorption in the intrinsic emission band, thus deteriorating the crystal scintillation parameters. The studies performed allowed to develop a technology of large high-quality CWO crystals. The tomographic elements manufactured from those crystals showed an afterglow of less than 100 ppm after 20 ms and the light yield of about 20,000 photons per MeV.Исследовано влияние примесных дефектов на люминесцентные и функциональные характеристики кристаллов CWO. Показано, что Мо и Fe образуют в кристаллах специфические "красные" компоненты свечения с временами высвечивания несколько сотен и более микросекунд, трехвалентные примеси приводят к образованию глубоких ловушек носителей заряда, ответственных за послесвечение в миллисекундном диапазоне. Эти дефекты также ответственны за образование центров окраски, поглощающих в области собственного свечения, что ухудшает сцинтилляционные характеристики кристаллов. Проведенные нами исследования позволили разработать технологический процесс получения крупногабаритных кристаллов CWO улучшенного качества. Томографические элементы, изготовленные из этих кристаллов, имели послесвечение менее 100 ppm через 20 мс, световой выход - 20000 фотон/МэВ.Вивчено вплив домiшкових дефектiв на люмiнесцентнi i функцiональнi характеристики кристалiв CWO. Показано, що Мо i Fe утворюють в кристалах CWO специфiчнi "червонi" компоненти свiчення з часами висвiчення декiлька сотень i бiльше мiкросекунд, тривалентнi домiшки приводять до утворення глибоких пасток носiiв заряду, вiдповiдальних за пiслясвiчення у мiлiсекундному дiапазонi. Цi дефекти також вiдповiдальнi за утворення центрiв забарвлення, поглинаючих в областi власного свiчення, що погiршує сцинтиляцiйнi характеристики кристалiв. Проведенi нами дослiдження дозволили розробити технологiчний процес отримання великогабаритних кристалiв CWO полiпшеної якостi. Томографiчнi елементи, виготовленi з цих кристалiв, мали пiслясвiчення менше 100 ppm через 20 мс, свiтловий вихiд - 20000 фотон/МеВ

Multi-layered composite detectors for neutron detection

The paper considers the influence of manufacturing technological features of composite scintillator with optimal scintillation characteristics based on heavy-oxide crushed single crystals for making ZEBRA-detectors for fast neutrons registration. It has been shown that registration efficiency of fast neutrons by multi-layered ZEBRA-detectors based on crushed Bi₄Ge₃O₁₂, Gd₂SiO₅:Ce and ZnWO₄ crystals achieved the value about 50 %. Sensitivity of ZEBRA-detectors with size of 100×100×41 mm³ is comparable to sensitivity of 3He counter with moderator. ZnWO4 powder obtained by solid state synthesis is proposed as an alternative filler to crushed crystal powders for scintillation composite. Results of measurements of technical detection efficiency and sensitivity for fast neutrons (sources Pu-Be and ²⁵²Cf) showed that detection efficiency of ZEBRA-detector based on synthesized scintillation ZnWO₄ powder is comparable with detector based on crushed ZnWO₄ single crystal of the same size. Qualitative explanations are presented for abnormal high sensitivity of multi-layered composite detectors. ZEBRA-detector is promising for application in the field of homeland security and nuclear safeguards