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

Kryształy fluorku litu - wytwarzanie, optymalizacja oraz badanie luminescencji, dla innowacyjnej metody detekcji i mikro-obrazowania promieniowania jonizującego


Projekt badawczy NCN OPUS ST8 2015/17/B/ST8/02180

realizowany w latach 2016-2019

Kierownik projektu: Paweł Bilski

Celem projektu jest przeprowadzenie badań nad fotoluminescencją kryształów fluorku litu oraz prace nad wykorzystaniem tego zjawiska do obrazowania w skali mikroskopowej śladów pozostawionych przez promieniowanie jonizujące.

Fotoluminescencja (PL) polega na emisji światła przez daną substancję pod wpływem wzbudzenia światłem o niższej długości fali. W kryształach emisja zachodzi zazwyczaj wskutek przejść między stanami energetycznymi w ramach pojedynczego defektu sieci. Promieniowanie jonizujące (elektrony, protony, cząstki alfa, itd.) może generować takie defekty na swej drodze w krysztale. Jeżeli defekty te są stabilne, to oświetlając następnie kryształ światłem o określonej długości, możemy spowodować ich wzbudzenie i miejsca, w których nastąpiło oddziaływania promieniowania z atomami kryształu same zaczną emitować światło. Idea projektu opiera się na założeniu, że obserwując kryształ przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego, można będzie w ten sposób zobaczyć ślady pozostawione przez cząstki naładowane.

Głównymi problemami w wykorzystaniu fluorescencji kryształów do mikro-obrazowania jest niska z natury intensywność fotoluminescencji pojedynczych śladów cząstek jądrowych, jak i obecne zawsze silne tło fluorescencji nieradiacyjnej. Dlatego badania ukierunkowane są również na zgromadzenie poprzez prace eksperymentalne nowej i pogłębionej wiedzy na temat fotoluminescencji LiF, pozwalającej na optymalizację własności kryształów LiF oraz opracowanie optymalnej metody pomiarowej, prowadzące do uzyskania mikroskopowych obrazów fluorescencyjnych rozkładu dawki promieniowania o maksymalnej intensywności, kontraście i rozdzielczości.

Zasadniczą część projektu stanowi wzrost kryształów LiF prowadzony w różnych warunkach. Nasz zespół dysponuje unikalnym stanowiskiem do wzrostu monokryształów metodą mikrowyciągania (micro-pulling-down), jak również klasyczną metodą Czochralskiego. Podstawowe badania wytworzonych próbek krystalicznych obejmują pomiary fotoluminescencyjnych widm emisyjnych i ekscytacyjnych, widm absorpcyjnych, całkowitej intensywności fotoluminescencji, dla napromienienia różnymi dawkami i rodzajami promieniowania. Fluorescencyjne obrazy mikroskopowe są rejestrowane dla różnych zakresów ekscytacji i detekcji światła, jak również dla różnej temperatury. Dokonywane jest to przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego Nikon Ni-U z kamerą CCD DS-Qi2. Napromieniania są realizowane m. in. z wykorzystaniem cząstek alfa i neutronów ze źródeł izotopowych,wiązek protonów z akceleratorów pracujących w IFJ PAN, a także wysokoenergetycznych jonów z akceleratorów w Japonii i Niemczech.



graph

Ślady cząstek alfa ze źródła izotopowego Am-241 uzyskane poprzez pomiar fotoluminescencji kryształu LiF przy stymulacji światłem o długości 445 nm


graph

Ślady jonów węgla o energii początkowej 28 MeV/nukleon (akcelerator HIMAC, Chiba, Japonia), zatrzymujące się w krysztale LiF (fotoluminescencja przy ekscytacji światłem o długości 445 nm)


Szczegółowe wyniki można znaleźć w poniższych publikacjach:

P. Bilski, B. Marczewska, Fluorescent detection of single tracks of alpha particles using lithium fluoride crystals, Nucl. Instr. Meth. B 392 (2017) 41–45;

P. Bilski, B. Marczewska, Y. Zhydachevskii, Radiophotoluminescence spectra of lithium fluoride TLDs after exposures to different radiation modalities, Radiat. Meas. 97 (2017) 14-19;

P. Bilski, B. Marczewska, W. Gieszczyk, M. Kłosowski, T. Nowak, M. Naruszewicz, Lithium fluoride crystals as Fluorescent Nuclear Track Detectors Radiat. Prot. Dosim. 178 (2018) 337-340;

P. Bilski, B. Marczewska, M. Kłosowski, W. Gieszczyk, M. Naruszewicz, Detection of neutrons with LiF fluorescent nuclear track detectorsRadiat Meas. 116 (2018) 35-39;