Застосування гамма- та мас-спектрометрії для контролю процесу виробництва кристалів ZnSe

 

С. С. Нагорний^1,2, Дж. В. Біман³, Ф. Беліні^4,5, Л. Кардані^4,5, Н. Казалі^2,6, І. Дафіней⁴, С. Ді Доміціо⁷, М. Л. Ді Вакрі², Ф.Фероні^4,5,  Л. Жіроні^8,9, М. Лаубенштейн², С. Нісі², Ф. Оріо⁴, Л. Патавіна², Ж. Песіна⁹, Ж. Піперно^4,5, С. Піро⁹, К. Русконі⁹, К. Томей⁴, М. Віньяті⁴

 

¹Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, Україна

²НІЯФ – Підземна лабораторія Гран Сассо, Ассерджі, Італія

³Лоуренсівська національна лабораторія Берклі, Берклі, Каліфорнія, США

⁴НІЯФ – відділення Риму І, Рим, Італія

⁵Фізичний факультет – Римський університет «Ла Сепієнса», Рим, Італія

⁶Фізтико-хімічний факультет Університету Л‘Аквіли, Копіто, Італія

⁷Фізичний факультет Університету Генуї та НІЯФ – Генуезьке відділення, Генуя, Італія

⁸Фізичний факультет Університету Мілану, Мілан, Італія

⁹НІЯФ – відділення Мілан-Бікока, Мілан, Італія

 

Для виготовлення радіаційно-чистих кристалів ZnSe, які будуть використовуватися у експериментах з пошуку подвійного бета-розпаду нового покоління, радіаційна чистота вихідних компонентів (гранули Zn та Se) і синтезованого з'єднання ZnSe було перевірено в підземній лабораторії Гран Сассо у вимірюваннях за допомогою низькофонового HPGe детектора, і мас-спектрометра з індуктивно-зв‘язанною плазмою. Всі досліджені зразки виявилися відносно «чистими» по відношенню до дочірніх нуклідів U/Th рядів, і були встановлені лише обмеження на їх активності на рівні десятків-сотень мБк/кг. Водночас, в цих зразках (гранули Zn та Se, шихта ZnSe) були виявлені радіонукліди, народжені під впливом космічних променів. Наприклад, у зразку Se гранул було виявлено присутність ⁷⁵Se на рівні 7.5(6) мБк/кг, тоді як у зразку Zn гранул тільки слабка активність ізотопів ⁵⁶Со, ⁵⁸Co, ⁶⁵Zn була визначена на рівні 0.3(1) мБк/кг, 0.4(2) мБк/кг та 8(1) мБк/кг, відповідно. У шихті ZnSe, яка використовується для росту кристалів ZnSe, виявлено слабку активність ізотопів  ⁷⁵Se (4(1) мБк/кг) і ⁶⁵Zn (2(1) мБк/кг), а також активність ¹³⁷Cs на рівні 3(1) мБк/кг.

Мас-спектрометричні вимірювання показали, що синтезована шихта ZnSe неоднорідна за своїм хімічним складом, та містить включення зі значною концентрацією (до 30Ч10^-6 г/г) свинцю та елементів групи заліза, що призводить до значного погіршення якості кристалів ZnSe. Показано, що вимірювання ізотопного складу цинку та селену дозволяють визначити джерело походження елементарних цинку та селену, що були використані для синтезу шихти ZnSe. Використання гама-спектрометрії в поєднанні з мас-спектрометрією показало, що технологічний ланцюжок з виготовлення шихти ZnSe повинен ретельно контролюватися на кожному етапі.

Також, довготривалі вимірювання зразків гранул Zn та Se, що проводилися за допомогою низькофонового HPGe детектора в підземній лабораторії Гран Сассо були використанні для встановлення нових експериментальних обмежень на різні моди подвійного бета-розпаду ізотопів ⁶⁴Zn, ⁷⁴Se і ⁸²Se на перший збудженний рівень дочірніх ядер на рівні 10¹⁹-10²¹ років.