Kryształy fluorku litu - funkcje i potencjalne zastosowania

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.

Przebieg reakcji

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 56Fe.

- 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 Al2O3, 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 niebieskiem, 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.

Funkcjonalność metody

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 4He do 500 MeV/nukleon w jonach żelaza 56Fe. Detektory ostrzelano także wiązkami jonów węgla 12C, neonu 20Ne i krzemu 28Si.

- 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 6Li, 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.

ip

fot. 1 - Kryształ fluorku litu z zarejestrowanymi śladami ciężkich jonów podczas oglądania pod mikroskopem fluorescencyjnym. (Źródło: IFJ PAN)

fot. 2 - Ślady ciężkich jonów „odciśnięte” w kryształach fluorku litu. U góry punktowe ślady zaobserwowane pod mikroskopem fluorescencyjnym w płytkach ustawionych prostopadle do wiązki ciężkich jonów. Na dole ścieżka przelotu jonu w płytce zorientowanej równolegle (rozmycie obu końców śladu to artefakt głębi ostrości mikroskopu). Kolory sztuczne. (Źródło: IFJ PAN)