Kryształy fluorku litu „widzą” ciężkie jony o dużych energiach

fluorek_litu

IFJ PAN

Do rejestrowania śladów cząstek jądrowych od niedawna używa się kryształów fluorku litu. Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie właśnie wykazali, że kryształy te świetnie nadają się również do detekcji przelotów wysokoenergetycznych jonów pierwiastków nawet tak ciężkich jak żelazo.
Gdy cząstka jądrowa wpada do wnętrza kryształu, oddziałuje z atomami bądź cząsteczkami jego sieci krystalicznej. W pewnych kryształach i w odpowiednich warunkach powstałe uszkodzenia mogą być źródłem słabego światła – luminescencji. W Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie od lat prowadzi się badania nad materiałami wykazującymi tego typu właściwości. Jednym z nich jest fluorek litu LiF. Jego kryształy zostały niedawno użyte do detekcji niskoenergetycznych cząstek, takich jak cząstki alfa (jądra helu). W swojej najnowszej publikacji na   łamach   czasopisma   „Journal   of   Luminescence”   krakowscy   fizycy   wykazują,   że   obszar zastosowań fluorku litu rozciąga się także na detekcję cząstek o znacznych energiach i obejmuje nawet całkowicie odarte z elektronów jony tak ciężkich pierwiastków jak żelazo  56 Fe. „Detektory z fluorku litu to po  prostu kryształy.  W  przeciwieństwie  do  urządzeń  detekcyjnych
pozwalających   monitorować   ślady   cząstek   w   czasie   zbliżonym   do   rzeczywistego,   są   one detektorami pasywnymi. Innymi słowy, działają jak klisze fotograficzne. Po wystawieniu kryształów na promieniowanie musimy użyć mikroskopu fluorescencyjnego by się dowiedzieć, jakie ślady udało się zarejestrować”, mówi prof. dr hab. Paweł Bilski (IFJ PAN).
Fluorescencyjne   detektory   śladów   cząstek   jądrowych   są   znane   mniej   więcej   od   dekady. Wykonywano je jak dotąd jedynie z odpowiednio domieszkowanych kryształów tlenku glinu Al 2 O 3 ,w których pod wpływem promieniowania dochodziło do utworzenia trwałych centrów barwnych. Tak powstałe   centra   po   wzbudzeniu światłem   o   odpowiedniej   długości   emitują   fotony   o   niższych energiach,   pozwalające   zobaczyć   pod   mikroskopem   ślad   cząstki.   W   przypadku   fluorku   litu wzbudzenia dokonuje się światłem niebieskim, a emisja fotonów zachodzi w zakresie czerwonym.
„Detektory   z   domieszkowanego   tlenku   glinu   wymagają   drogiego   mikroskopu   konfokalnego, z wiązką laserową i skanowaniem. Ślady w kryształach fluorku litu można zobaczyć za pomocą znacznie tańszego, zwykłego mikroskopu fluorescencyjnego”, mówi prof. Bilski i podkreśla: „Ślady zarejestrowane   w   kryształach   bardzo   dokładnie   odwzorowują   tor   lotu   cząstki.   W   innych
detektorach, takich jak choćby znana wszystkim komora Wilsona, dochodzi do poszerzenia śladu.
W przypadku kryształów LiF granicą rozdzielczości jest jedynie limit wynikający z dyfrakcji”.
O ile brak możliwości obserwacji śladów cząstek w czasie zbliżonym do rzeczywistego trudno nazwać zaletą, o tyle nie zawsze musi być wadą. Na przykład w dozymetrii osobistej potrzebne są detektory pozwalające stwierdzić, na jaką dawkę promieniowania został narażony ich użytkownik.
Urządzenia   te   muszą   być   przede   wszystkim   małe   i   niekłopotliwe   w   użyciu.   Milimetrowych rozmiarów krystaliczne płytki fluorku litu spełniają ten wymóg wręcz znakomicie. Między innymi z tego powodu kryształy te, wyhodowane w IFJ PAN metodą Czochralskiego, można dziś znaleźć w europejskim module Columbus Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pośród wielu innych rodzajów detektorów pasywnych. Wymieniane co pół roku w ramach eksperymentu DOSIS 3D, detektory te umożliwiają   określanie   przestrzennego   rozkładu   dawki   promieniowania   w   obrębie   stacji i jej zmienności w czasie.
W trakcie najnowszych badań krystaliczne płytki fluorku litu wystawiono na działanie jonów o dużych energiach. Naświetlenia przeprowadzono w akceleratorze HIMAC w japońskim mieście Chiba. W trakcie ostrzału różnymi wiązkami jonów energie poszczególnych cząstek sięgały od 150 megaelektronowoltów na nukleon w przypadku jonów helu   4 He do 500 MeV/nukleon w jonach żelaza  56 Fe. Detektory ostrzelano także wiązkami jonów węgla  12 C, neonu  20 Ne i krzemu  28 Si.
„W płytkach kryształów ustawionych prostopadle do wiązki jonów zaobserwowaliśmy praktycznie punktowe źródła światła, o rozmiarach na granicy rozdzielczości optycznej mikroskopu. Były to te miejsca, w  których  wysokoenergetyczny  jon   przebił   się   przez   kryształ”,   mówi   prof.   Bilski.   „W ramach testów część płytek została także ustawiona równolegle do wiązki. Prawdopodobieństwo
zarejestrowania śladu było wtedy mniejsze, ale gdy już do tego doszło, w krysztale ‘odciskał’ się długi fragment toru lotu cząstki”.
Przeprowadzone testy potwierdzają, że detektory śladowe z fluorku litu świetnie nadają się do rejestrowania przelotów ciężkich jonów o dużych energiach. Wydaje się przy tym, że to wcale nie koniec możliwości kryształów LiF. Co drugi atom w ich wnętrzu to przecież lit, który znakomicie oddziałuje   z   neutronami.   Detektory   z   fluorku   litu,   zwłaszcza   wzbogacone   w   izotop   litu   6 Li, prawdopodobnie będą pozwalały bardzo skutecznie rejestrować neutrony niskoenergetyczne, a wiele   wskazuje,   że   także   wysokoenergetyczne.   Jeśli   przyszłe   badania   potwierdzą   to przypuszczenie, możliwe stanie się skonstruowanie osobistych dawkomierzy neutronowych. Małe rozmiary   kryształków   LiF   pozwalałyby   także   na   ciekawe,   dziś   technologicznie   niedostępne
zastosowania techniczne. Śladowe detektory LiF można byłoby użyć na przykład do badania wiązek   wtórnych   formujących   się   wokół   pierwotnej   wiązki   protonów   wytwarzanych   przez akceleratory używane w medycynie do zwalczania nowotworów.

Zaloguj się Logowanie

Komentuj