ZAKŁAD FIZYKI RADIACYJNEJ
I DOZYMETRII - NZ63
Kierownik zakładu: prof. dr hab. Paweł Bilski
English   Język polski

Nowoodkryte zjawisko wysokodawkowej i wysokotemperaturowej emisji termoluminescencyjnej: badanie mechanizmu i zastosowanie do pomiarów wokół LHC


Projekt badawczy NCN SONATA 2013/09/D/ST2/03718

realizowany w latach 2014-2017

Kierownik projektu Barbara Obryk

Celem projektu było przeprowadzenie badań zjawiska wysokodawkowej i wysokotemperaturowej emisji termoluminescencyjnej fluorku litu domieszkowanego magnezem, miedzią i fosforem, które przybliżą poznanie jego mechanizmu i zweryfikowanie występowania tego zjawiska w innych materiałach TL, jak również efektywne zastosowanie metody pomiarowej opartej na tym zjawisku do pomiarów promieniowania jonizującego w ultra-szerokim zakresie dawek wokół LHC w CERN i innych akceleratorów wysokich energii i urządzeń jądrowych.


Detektory termoluminescencyjne LiF:Mg,Cu,P pozwalają mierzyć dawki promieniowania od kilkudziesięciu nanogrejów do kilku kilogrejów, kiedy następuje całkowite nasycenie sygnału tzw. głównego piku dozymetrycznego (z maks. dla ok. 220oC). W 2006 roku po raz pierwszy zaobserwowano w IFJ wysokotemperaturową emisję detektorów LiF:Mg,Cu,P, wygrzewanych do temperatury 600oC, po uprzedniej ekspozycji na dawki promieniowania w zakresie od 1 kGy do 1 MGy. W szczególności zaobserwowany został nowy pik w ich krzywej temperaturowej (nazwany pikiem B), pojawiający się powyżej 400oC, o własnościach stojących w sprzeczności z istniejącymi modelami termoluminescencji.


W ramach projektu zostały przeprowadzone kompleksowe badania własności detektorów TL o domieszkowaniu zróżnicowanym zarówno pod względem typu jak i koncentracji domieszek poddanych ekspozycjom na wysokie dawki promieniowania jonizującego gamma, elektronowego, protonowego i neutronowego. Zastosowane metody obejmowały badania termoluminescencyjnych emisyjnych krzywych temperaturowych, widm absorpcyjnych, widm emisyjnych, fotoluminescencji, widm EPR i innych właściwości. Przeprowadzone badania wykazały, że w występowaniu piku B w krzywych temperaturowych LiF kluczową rolę odgrywają domieszki, w szczególności korelacja koncentracji magnezu, miedzi i fosforu jest niezwykle ważna dla tego efektu.Wykazano, że istotną rolę w tym zjawisku odgrywają defekty generowane przez promieniowanie i ich oddziaływanie z defektami istniejącymi w detektorze.



graph


Krzywe świecenia detektorówLiF:Mg,Cu,Pz różną koncentracją magnezu i miedzi po ekspozycji dawkami: 1, 10, 100 kGy, and 1000 kGypromieniowania elektronowego (liczba przed literą C oznaczającą miedź lub M oznaczającą magnez oznacza krotność stężenia domieszki w stosunku do próbki referencyjnej Ref = 1C 1M 1P).


graph


Uśredniony całkowity sygnał TL (całkowany w zakresie 100-550oC dla detektorów o różnej zawartości domieszek po ekspozycji dawkami promieniowania elektronowego w zakresie 1 – 1000 kGy.


graph


Temperaturowa zależność współczynnika optycznej absorpcji dla centrów F i F2 w detektorach z różną koncentracją magnezu po ekspozycji dawką 500 kGy promieniowanie gamma.


Badany efekt oferuje bardzo obiecujące możliwości zastosowań do pomiaru wysokich i bardzo wysokich dawek promieniowania. Połączenie standardowej metody termoluminescencyjnej z nowoodkrytym efektem dało możliwość pomiaru za pomocą pojedynczego detektora dawek w zakresie od ok. 1 µGy do ok. 1 MGy, czyli w zakresie dwunastu rzędów wielkości. To podejście zostało zastosowane w komorach eksperymentalnych w CERN celem monitorowania dawki promieniowania.


Realizacja tego projektu pozwoliła na poszerzenie wiedzy w zakresie termicznie stymulowanej luminescencji oraz dozymetrii. Przeprowadzone przez nas badania pozwoliły na ustalenie własności badanych detektorów orazwpływu rodzaju i koncentracji zastosowanych domieszek na te własności. Analiza krzywych świecenia detektorów, widm emisyjnych i absorpcyjnych, widm EPR oraz fotoluminescencjipozwoliła scharakteryzować głębokości pułapek elektronowych biorących udział w procesach odpowiedzialnych za obserwowane zjawisko wysokodawkowej wysokotemperaturowej emisji termoluminescencyjnej. Jednocześnie lepsze poznanie własności i mechanizmów zachodzących w detektorach poddanych ekspozycjom wysokimi dawkami promieniowania jonizującego pozwoliło również na optymalizację zawartości domieszek pod kątem zastosowania do dozymetrii wysokodawkowej.


Przeprowadzone w ramach projektu badania pozwoliły z jednej strony na istotny postęp w rozwoju opracowanej metody dozymetrii TL w ultra-szerokim zakresie dawek, a z drugiej przyczyniły się do lepszego zrozumienia własności defektów w izolatorach, w szczególności ich oddziaływania z promieniowaniem jonizującym.



Szczegółowe wyniki można znaleźć w poniższych publikacjach:

Barbara Obryk, Helen J. Khoury, Vinicius S. de Barros, Pedro L. Guzzo, Paweł Bilski, On LiF:Mg,Cu,P and LiF:Mg,Ti phosphors high & ultra-high dosefeatures, Radiat. Meas. 71 (2014) 25-30; http://dx.doi.org/10.1016/j.radmeas.2014.02.002

K. Remy, S. Sholom, B. Obryk, S.W.S. McKeever, Optical absorption in LiF, LiF:Mg, LiF:Mg, Cu,P irradiated with high gamma and beta doses, Radiat. Meas. (2016); http://dx.doi.org/10.1016/j.radmeas.2016.11.007

Barbara Obryk, Mariusz Kłosowski, Patrycja Baran, Krzysztof Hodyr, Effect of dopants’ concentration on high-dose high-temperaturethermoluminescence of LiF:Mg,Cu,P detectors: Mg and Cu influence, Radiat. Meas. (2017); http://dx.doi.org/10.1016/j.radmeas.2017.03.003