Paweł Bilski

Zakład Fizyki Radiacyjnej i Dozymetrii (NZ63) IFJ PAN

Fluorescencyjna detekcja

śladów cząstek jądrowych przy

użyciu kryształów fluorku litu

Fluorescenscent Nuclear Track Detectors (FNTD)

pierwsza publikacja: 2006

Materiał detektora: Al2O3:C,Mg

Akselrod et al., 2006

o Promieniowanie jonizujące wytwarza w kryształach Al2O3:C,Mg centra barwne F2

+(2Mg)

o Wzbudzenie tych centrów światłem o długości ok. 620 nm wywołuje emisję fluorescencyjną z maksimum dla ok. 750 nm

Radiofotoluminescencja (RPL)

o Pomiar RPL jest ’nieniszczący’ - można go powtarzać wielokrotnie (w przeciwieństwie do termoluminescencji)

Akselrod et al., 2006

313 MeV/n 84Kr 367 MeV/n 20Ne

143 MeV/n 4He 65 MeV protony

Akselrod et al., 2006

Przykłady obrazów fluorescencyjnych Al2O3:C,Mg

Osinga et al. 2012

Przykłady obrazów fluorescencyjnych Al2O3:C,Mg

Przez 10 lat nie udało się zrealizować metody FNTD na żadnym innym materiale poza Al2O3

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

F2

emission

Wavelength [nm]

excitation

F3

+

F2 : 2 luki anionowe + 2 elektrony

F3+ : 3 luki anionowe

+ 2 elektrony

Radiofotoluminescencja LiF związana jest z defektami

samoistnymi

nie tylko Al2O3 wykazuje radiofotoluminescencję

RPL fluorku litu (LiF)

F2 F3+

Kryształy LiF od 2014 roku hodowane w IFJ metodą Czochralskiego

Protony 50 MeV

AIC-144

10 mm

Dla dużych dawek promieniowania intensywność RPL w LiF wystarczająca do obserwacji świecenia „gołym okiem”

…ale czy wystarczająca by zobaczyć ślady pojedynczych cząstek?

lata 2014-2015: próby uzyskania obrazów fluorescencyjnych protonów i cząstek alfa przy pomocy różnych mikroskopów fluorescencyjnych

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

3.0

0.1

LiF

Am-241

4.0

steel

Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm

3.0

0.1

LiF

Am-241

4.0

steel

Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm

7 x 106 mm-2 2 x 107 mm-2 5 x 106 mm-2

• niskie powiększenie 5x

Fluencja:

• duża fluencja cząstek

Co można będzie zobaczyć przy małej fluencji cząstek i dużym powiększeniu?

3.0

0.1

LiF

Am-241

4.0

steel

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 ~ 105 mm-2

Cząstki alfa

10 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 1 µm

Optyka mikroskopu ma bardzo małą głębię ostrości => możliwość skanowania w głąb

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

~ 106 mm-2

Fluencja: ~7 x 103 mm-2 x 2 x 10

x 20

Cząstki alfa

x 40 x 120

60

x 6

0 µ

m

~ 106 mm-2

Fluencja: ~7 x 103 mm-2 x 2 x 10

x 20

Cząstki alfa

x 40 x 120

When tracks start to overlap, the integral light output may be used

105

106

107

108

10

100

1000

10000

Tota

l lig

ht in

tensity [arb

. units]

Particle fluence [mm-2]

60

x 6

0 µ

m

Neutrony 6Li – bardzo duży przekrój czynny na reakcję (n,α) z neutronami termicznymi

Produkty reakcji: Cząstka alfa, Eα=2.05 MeV Jądro trytu 3H, ET=2.73 MeV

Napromienianie: Źródło Pu-Be, moderator 10 cm PE

Naturalny lit zawiera 7.5% 6Li

Neutrony termiczne Szacowana fluencja neutronów termicznych ~ 106 n/cm2

6 µm

33 µm

α particle 4He, Eα=2.05 MeV, zasięg w LiF 6.05 µm 6Li(n,α)3H

Triton 3H, ET=2.73 MeV, zasięg w LiF 33.5 µm

3H

4He

10 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 1 µm

Neutrony termiczne

Neutrony termiczne + tło promieniowania gamma

Dgamma=0 Dgamma=50 mGy Dgamma=1 Gy

Neutrony prędkie

Sykora & Akselrod 2006

w Al2O3 detekcja poprzez protony odrzuty – konwerter z polietylenu

Neutrony prędkie

Źródło Pu-Be (bez moderatora)

𝐸𝑟 =4𝐴

𝐴 + 1 2𝐸𝑛𝑐𝑜𝑠

2𝜃 Emax( 7Li) = 0.44 En

En [MeV]

ELi-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

Widmo energetyczne źródła Pu-Be

Energia jądra odrzutu:

𝐸𝑟 =4𝐴

𝐴 + 1 2𝐸𝑛𝑐𝑜𝑠

2𝜃 Emax( 7Li) = 0.44 En

En [MeV]

ELi-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:

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!