Fluorescencyjna detekcja śladów cząstek jądrowych przy użyciu kryształów fluorku litu Paweł Bilski Zakład Fizyki Radiacyjnej i Dozymetrii (NZ63) IFJ PAN
Fluorescenscent Nuclear Track Detectors (FNTD) pierwsza publikacja: 2006
Materiał detektora: Al 2 O 3 :C,Mg Akselrod et al., 2006
Radiofotoluminescencja (RPL) o Promieniowanie jonizujące wytwarza w kryształach Al 2 O 3 :C,Mg centra barwne F 2+ (2Mg) o Wzbudzenie tych centrów światłem o długości ok. 620 nm wywołuje emisję fluorescencyjną z maksimum dla ok. 750 nm o Pomiar RPL jest nieniszczący - można go powtarzać wielokrotnie (w przeciwieństwie do termoluminescencji)
Akselrod et al., 2006
Przykłady obrazów fluorescencyjnych Al 2 O 3 :C,Mg 313 MeV/n 84 Kr 367 MeV/n 20 Ne 143 MeV/n 4 He 65 MeV protony Akselrod et al., 2006
Przykłady obrazów fluorescencyjnych Al 2 O 3 :C,Mg Osinga et al. 2012 Przez 10 lat nie udało się zrealizować metody FNTD na żadnym innym materiale poza Al 2 O 3
nie tylko Al 2 O 3 wykazuje radiofotoluminescencję RPL fluorku litu (LiF) emission Radiofotoluminescencja LiF związana jest z defektami samoistnymi excitation F 2 F 2 F 3 + F 3 + F 2 : 2 luki anionowe + 2 elektrony F 3 + : 3 luki anionowe + 2 elektrony 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Wavelength [nm]
Kryształy LiF od 2014 roku hodowane w IFJ metodą Czochralskiego
lata 2014-2015: próby uzyskania obrazów fluorescencyjnych protonów i cząstek alfa przy pomocy różnych mikroskopów fluorescencyjnych Dla dużych dawek promieniowania intensywność RPL w LiF wystarczająca do obserwacji świecenia gołym okiem 10 mm Protony 50 MeV AIC-144 ale czy wystarczająca by zobaczyć ślady pojedynczych cząstek?
2016: projekt badawczy NCN OPUS "Kryształy fluorku litu - wytwarzanie, optymalizacja oraz badanie luminescencji, dla innowacyjnej metody detekcji i mikro-obrazowania promieniowania jonizującego" Zakup mikroskopu fluorescencyjnego Nikon Eclipse Ni-U z wysokoczułą kamerą CCD
4.0 3.0 Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm LiF steel 0.1 Am-241
4.0 3.0 4.0 3.0 Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm LiF steel 0.1 Am-241 niskie powiększenie 5x 0.1 LiF steel Am-241 duża fluencja cząstek Co można będzie zobaczyć przy małej fluencji cząstek i dużym powiększeniu? Fluencja: 7 x 10 6 mm -2 2 x 10 7 mm -2 5 x 10 6 mm -2
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm Powiększenie 100x Fluencja ~ 10 5 mm -2
Cząstki alfa Optyka mikroskopu ma bardzo małą głębię ostrości => możliwość skanowania w głąb 10 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 1 µm
Cząstki alfa napromienianie pod małym katem do powierzchni
Cząstki alfa (nie skolimowane) złożenie 21 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 0.5 µm (max intensity projection)
Cząstki alfa (nie skolimowane) 21 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 0.5 µm
Cząstki alfa rozmiar śladów Teoretyczna rozdzielczość mikroskopu: 420 nm Obiektyw 100x, NA=0.80
60 x 60 µm Cząstki alfa Fluencja: ~7 x 10 3 mm -2 x 2 x 10 x 20 x 40 x 120 ~ 10 6 mm -2
60 x 60 µm Total light intensity [arb. units] Cząstki alfa When tracks start to overlap, the integral light output may be used 10000 Fluencja: ~7 x 10 3 mm -2 x 2 x 10 1000 100 10 10 5 10 6 10 7 10 8 Particle fluence [mm -2 ] x 20 x 40 x 120 ~ 10 6 mm -2
Neutrony 6 Li bardzo duży przekrój czynny na reakcję (n,α) z neutronami termicznymi Produkty reakcji: Cząstka alfa, Jądro trytu 3 H, Eα =2.05 MeV E T =2.73 MeV Naturalny lit zawiera 7.5% 6 Li Napromienianie: Źródło Pu-Be, moderator 10 cm PE
Neutrony termiczne Szacowana fluencja neutronów termicznych ~ 10 6 n/cm 2
6 Li(n,α) 3 H α particle 4 He, E α =2.05 MeV, zasięg w LiF 6.05 µm Triton 3 H, E T =2.73 MeV, zasięg w LiF 33.5 µm 4 He 6 µm 3 H 33 µm
Neutrony termiczne 10 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 1 µm
Neutrony termiczne + tło promieniowania gamma D gamma =0 D gamma =50 mgy D gamma =1 Gy
Neutrony prędkie w Al 2 O 3 detekcja poprzez protony odrzuty konwerter z polietylenu Sykora & Akselrod 2006
Neutrony prędkie Źródło Pu-Be (bez moderatora)
Energia jądra odrzutu: E r = 4A A + 1 2 E ncos 2 θ E max ( 7 Li) = 0.44 E n Widmo energetyczne źródła Pu-Be En [MeV] E Li-7 [MeV] Zasięg w LiF [µm) 3 1.3 3.2 5 2.2 4.5 8 3.5 6.4 11 4.8 8.6
Energia jądra odrzutu: E r = 4A A + 1 2 E ncos 2 θ E max ( 7 Li) = 0.44 E n En [MeV] E Li-7 [MeV] Zasięg w LiF [µm) 3 1.3 3.2 5 2.2 4.5 8 3.5 6.4 11 4.8 8.6
Protony Mniejsza gęstość jonizacji: 150 MeV ~0.5 kev/µm, 60 MeV ~1 kev/µm, 25 MeV ~2 kev/µm (a np. cząstka alfa 5 MeV ~100 kev/µm) Protony penetrują cały kryształ dużo światła spoza płaszczyzny ogniskowania wysokie tło ok. 15-20 MeV AIC -144
Cięższe jony Akcelerator HIMAC (Chiba, Japonia), jony Fe, 426 MeV/n, 198 kev/µm wiązka prostopadła wiązka równoległa Planowane eksperymenty: He 150 MeV/n, C 290 MeV/n, 400 MeV/n październik 2017 Fe 500 MeV/n, Ne 400 MeV/n, Ar 500 MeV/n styczeń 2018
Promieniowanie rentgenowskie, 9 kev, 150 mgy
Promieniowanie rentgenowskie, 9 kev, 150 mgy Promieniowanie gamma, Cs-137, 662 kev, 200 mgy elektrony wtórne widzimy prawdopodobnie końcową część toru
Zespół NZ63 zaangażowany w badania: Paweł Bilski \ Barbara Marczewska Wojciech Gieszczyk Mariusz Kłosowski Michał Naruszewicz Tomasz Nowak (CCB) Dziękuję za uwagę!