Lithiumfluoridkrystaller ser tunge ioner med høj energi

Lithiumfluoridkrystaller er for nylig blevet brugt til at registrere sporene af nukleare partikler. Fysikere fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi i Krakow har netop demonstreret, at disse krystaller også er ideelle til at detektere spor af højenergi-ioner af grundstoffer, selv så tunge som jern.

Når en nuklear partikel trænger ind i en krystal, det interagerer med atomerne eller molekylerne i sit krystalnetværk. I visse krystaller og under passende forhold, den resulterende defekt kan være en kilde til svagt lys - luminescens. På Instituttet for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow har der i mange år været udført forskning i materialer, der viser denne type egenskaber. En af dem er lithiumfluorid LiF. Dens krystaller er for nylig blevet brugt til at detektere lavenergipartikler såsom alfapartikler (heliumkerner). I deres seneste publikation i Journal of Luminescence , de Krakow-baserede fysikere viser, at anvendelsesområdet for lithiumfluorid også strækker sig til påvisning af partikler med betydelig energi og endda inkluderer ioner af så tunge grundstoffer som jern 56Fe, fuldstændig strippet for elektroner.

"Lithiumfluorid-spordetektorer er simpelthen krystaller. I modsætning til detekteringsenheder, der overvåger spor i næsten realtid af partikler, de er passive detektorer. Med andre ord, de fungerer som fotografisk film. Når krystaller er udsat for stråling, vi skal bruge et fluorescensmikroskop for at finde ud af, hvilke spor vi har optaget, " siger prof. Pawel Bilski (IFJ PAN).

Fluorescerende nukleare spordetektorer har været kendt i omkring et årti. Indtil nu, de er kun lavet af passende dopet Al ₂ O ₃ aluminiumoxidkrystaller, hvori under påvirkning af stråling, permanente farvecentre oprettes. Sådanne centre, når det exciteres af lys med en passende bølgelængde, udsender fotoner (med lavere energier), som gør det muligt at se sporet af en partikel under et mikroskop. I tilfælde af lithiumfluorid, excitationen udføres med blåt lys, og emissionen af ​​fotoner foregår i det røde område.

"Detektorer med doteret aluminiumoxid kræver et dyrt konfokalmikroskop med laserstråle og scanning. Spor i lithiumfluoridkrystaller kan ses med en meget billigere, standard fluorescerende mikroskop, " siger prof. Bilski og understreger:"Spor optaget i krystaller gengiver meget nøjagtigt en partikels vej. Andre detektorer, såsom det velkendte Wilson-kammer, normalt udvide sporet. I tilfælde af LiF-krystaller, opløsningen er kun begrænset af diffraktionsgrænsen."

Mens umuligheden af ​​at observere spor af partikler i næsten realtid er vanskelig at kalde en fordel, det behøver ikke altid være en ulempe. For eksempel, i personlig dosimetri, detektorer er nødvendige for at bestemme den strålingsdosis, som brugeren har været udsat for. Disse enheder skal være små og nemme at bruge. De millimeterstore krystallinske lithiumfluoridplader opfylder dette krav perfekt. Dette er en af ​​grundene til, at disse krystaller, dyrket ved Czochralski-metoden i IFJ PAN, kan nu findes i det europæiske Columbus-modul på den internationale rumstation, blandt mange andre typer passive detektorer. Udskiftes hver sjette måned inden for DOSIS 3-D eksperimentet, Detektorerne gør det muligt at bestemme den rumlige fordeling af strålingsdosis inden for stationen og dens variabilitet over tid.

Under den seneste forskning, krystallinske lithiumfluoridplader blev udsat for højenergiioner. Bestrålingen blev udført i HIMAC-acceleratoren i den japanske by Chiba. Under bombardementet med forskellige ionstråler, partiklernes energier varierede fra 150 megaelektronvolt pr. nukleon i tilfælde af 4He heliumioner til 500 MeV/nukleon i tilfælde af 56Fe jernioner. Detektorerne blev også bestrålet med 12C carbonioner, 20Ne neon og 28Si silicium bjælker.

"I krystalpladerne placeret vinkelret på ionstrålen, vi observerede praktisk talt punktlyskilder af en størrelse på grænsen til den optiske opløsning af et mikroskop. Det var de steder, hvor højenergi-ionen gennemborede krystallen, " siger prof. Bilski. "Som en del af testene, nogle af pladerne var også placeret parallelt med bjælken. Sandsynligheden for at registrere et spor var så lavere, men da det skete, et langt fragment af partiklens spor var 'indprentet' i krystallen."

De udførte test bekræfter, at lithiumfluorid spordetektorer er ideelle til at registrere passage af tunge ioner med høj energi. Ud over, det ser ud til, at dette ikke er de eneste muligheder for LiF-krystaller. Hvert andet atom i deres indre er lithium, som interagerer meget godt med neutroner. Lithium fluorid detektorer, især dem, der er beriget med lithium 6Li isotopen, vil sandsynligvis give mulighed for meget effektiv registrering af lavenergineutroner, og der er meget, der tyder på, at også dem med en højere energi. Hvis fremtidige undersøgelser bekræfter denne antagelse, det vil være muligt at konstruere personlige neutrondosimetre. Den lille størrelse af LiF-krystaller ville også give mulighed for interessante tekniske applikationer, som er teknologisk utilgængelige i dag. LiF spordetektorer kunne bruges, for eksempel, at studere sekundære partikler dannet omkring den primære protonstråle produceret af acceleratorer, der bruges i medicin til at bekæmpe kræft.