Litiumfluoridkristaller har nyligen använts för att registrera spåren av kärnpartiklar. Fysiker från Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademien i Krakow har just visat att dessa kristaller också är idealiska för att upptäcka spår av högenergjoner av element, till och med tunga som järn.

När en kärnpartikel kommer in i en kristall, den interagerar med atomerna eller molekylerna i sitt kristallnätverk. I vissa kristaller och under lämpliga förhållanden, den resulterande defekten kan vara en källa till svagt ljus - luminescens. Vid Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow har forskning bedrivits på material som visar denna typ av egenskaper under många år. En av dem är litiumfluorid LiF. Dess kristaller har nyligen använts för att detektera lågenergipartiklar som alfapartiklar (heliumkärnor). I deras senaste publikation i Journal of Luminescence , de krakowbaserade fysikerna visar att tillämpningsområdet för litiumfluorid också sträcker sig till detektering av partiklar med betydande energi och till och med inkluderar joner av sådana tunga element som järn 56Fe, helt avskalade elektroner.

"Litiumfluoridspårsdetektorer är helt enkelt kristaller. Till skillnad från detektionsanordningar som övervakar spår av partiklar i nästan realtid, de är passiva detektorer. Med andra ord, de fungerar som fotografisk film. När kristaller utsätts för strålning, vi måste använda ett fluorescensmikroskop för att ta reda på vilka spår vi har spelat in, "säger professor Pawel Bilski (IFJ PAN).

Fluorescerande kärnspårdetektorer har varit kända i ungefär ett decennium. Än så länge, de har endast tillverkats av lämpligt dopad Al ₂ O ₃ aluminiumoxidkristaller i vilka, under påverkan av strålning, permanenta färgcentra skapas. Sådana centra, när det exciteras av ljus med en lämplig våglängd, avger fotoner (med lägre energier) som gör det möjligt att se spåret av en partikel under ett mikroskop. För litiumfluorid, excitationen utförs med blått ljus och utsläpp av fotoner sker i det röda området.

"Detektorer med dopad aluminiumoxid kräver ett dyrt konfokalt mikroskop med laserstråle och skanning. Spår i litiumfluoridkristaller kan ses med mycket billigare, standard fluorescerande mikroskop, "säger prof. Bilski och betonar:" Spår som spelats in i kristaller återger mycket noggrant en partikels väg. Andra detektorer, såsom den välkända Wilson-kammaren, brukar vidga banan. När det gäller LiF -kristaller, upplösningen begränsas endast av diffraktionsgränsen. "

Även om det är svårt att säga en fördel är det omöjligt att observera spår av partiklar i nära realtid, det behöver inte alltid vara en nackdel. Till exempel, i personlig dosimetri, detektorer behövs för att bestämma den strålningsdos som användaren har utsatts för. Dessa enheter måste vara små och lätta att använda. De millimeterstora kristallina litiumfluoridplattorna uppfyller detta krav perfekt. Detta är en av anledningarna till att dessa kristaller, odlas med Czochralski -metoden i IFJ PAN, kan nu hittas i den europeiska Columbus -modulen på den internationella rymdstationen, bland många andra typer av passiva detektorer. Ersatt var sjätte månad inom DOSIS 3D-experiment, detektorerna gör det möjligt att bestämma den rumsliga fördelningen av strålningsdosen inom stationen och dess variation över tid.

Under den senaste forskningen, kristallina litiumfluoridplattor utsattes för joner med hög energi. Bestrålningen utfördes i HIMAC -acceleratorn i den japanska staden Chiba. Under bombardemanget med olika jonstrålar, partiklarnas energier varierade från 150 megaelektronvolts per nukleon för 4He heliumjoner till 500 MeV/nukleon för 56 Fe järnjoner. Detektorerna bestrålades också med 12C koljoner, 20Neon- och 28Si -kiselstrålar.

"I kristallplattorna placerade vinkelrätt mot jonstrålen, vi observerade praktiskt taget punktkällor av en storlek på gränsen för ett optiskt upplösning för ett mikroskop. Dessa var de platser där högenergjonen genomborrade kristallen, "säger professor Bilski." Som en del av testerna, några av plattorna placerades också parallellt med balken. Sannolikheten för att registrera ett spår var då lägre, men när det hände ett långt fragment av partikelns spår "präglades" i kristallen. "

De utförda testerna bekräftar att litiumfluoridspårsdetektorer är idealiska för registrering av tunga joner med hög energi. Dessutom, det verkar som om detta inte är de enda möjligheterna för LiF -kristaller. Varannan atom i deras inre är litium, som interagerar mycket bra med neutroner. Litiumfluoriddetektorer, särskilt de som är berikade med litium 6Li -isotopen, kommer sannolikt att möjliggöra mycket effektiv registrering av lågenergin neutroner, och det finns mycket som tyder på att även de med en högre energi. Om framtida studier bekräftar detta antagande, det kommer att vara möjligt att konstruera personliga neutrondosimetrar. Den lilla storleken på LiF -kristaller skulle också möjliggöra intressanta tekniska applikationer som är tekniskt otillgängliga idag. LiF spårdetektorer kan användas, till exempel, för att studera sekundära partiklar som bildas runt den primära protonstrålen som produceras av acceleratorer som används i medicin för att bekämpa cancer.