Dualna metoda pomiaru dawek promieniowania jonizującego w czasie rzeczywistym w oparciu o wysokoczułe kryształy luminescencyjne

Celem projektu zatytułowanego „Dualna metoda pomiaru dawek promieniowania jonizującego w czasie rzeczywistym w oparciu o wysokoczułe kryształy luminescencyjne” było opracowanie metody zdalnego pomiaru dawki w czasie rzeczywistym przy wykorzystaniu zjawisk radioluminescencji (RL) oraz optycznie stymulowanej luminescencji (OSL) w oparciu o nowe wysokoczułe kryształy luminescencyjne, których właściwości były optymalizowane w trakcie postępu prac poprzez zmianę domieszkowania i warunków wytwarzania.

Projekt realizowany był w dwóch obszarach tematycznych. Pierwsza ścieżka badawcza dotyczyła wyboru rodzaju luminoforu, który mógłby zostać zastosowany jako detektor w pomiarach. Następnym krokiem była optymalizacja jego właściwości luminescencyjnych poprzez domieszkowanie różnymi pierwiastkami soli ziem rzadkich w celu uzyskania luminoforu o wysokiej czułości na promieniowanie jonizujące, zarówno pod względem radioluminescencji, jak i optycznie stymulowanej luminescencji, szybkim czasie nasycenia i dobrej powtarzalności sygnału. Zdjęcie kryształu fosforanu litowo-magnezowego domieszkowanego terbem (LiMgPO4:Tb) otrzymanego metodą mikro-wyciągania w dół (PMD) przedstawione jest na rysunku poniżej po prawej stronie. Zdjęcie przedstawia również plasterek kryształu luminoforu, który stanowi detektor stosowany w dalszych pomiarach.

Druga ścieżka badawcza dotyczyła zaprojektowania urządzenia pomiarowego do rejestracji sygnału radioluminescencji w czasie rzeczywistym podczas napromieniania luminoforu oraz pomiaru sygnału optycznie stymulowanej luminescencji zaraz po zakończeniu ekspozycji na promieniowanie dla wybranego luminoforu, czyli do dualnego pomiaru mocy dawki i dawki za pomocą jednego urządzenia z jednym detektorem. Na podstawie uzyskanych wstępnych wyników pomiarowych skonstruowany został przyrząd pomiarowy o małych rozmiarach do zdalnego badania sygnałów RL i OSL, dostosowany spektralnie do pomiarów z użyciem detektora LiMgPO4 (zdjęcie po lewej stronie rysunku). Przyrząd pomiarowy został nazwany PORTOS (portable RL/OSL). Składa się on z następujących elementów: detektora LMP o średnicy 3mm i grubości 1mm umieszczonego na końcu 15-metrowego światłowodu kwarcowego, który poprzez szereg komponentów optycznych z filtrami barwnymi łączy się z fotopowielaczem firmy Hamamatsu (typ H10682-210). W układzie zastosowano również zwierciadło dichroiczne w celu skierowania wiązki lasera na próbkę, przy równoczesnym blokowaniu długości fali lasera w świetle dochodzącym do fotopowielacza.

Zdjęcie urządzenia pomiarowego PORTOS oraz kryształu stosowanego jako detektor.

Urządzenie pomiarowe PORTOS zostało przetestowane w szerokim zakresie mocy dawek w polu promieniowania gamma zarówno na na źródle Cs-137, jak i na aparacie terapeutycznym Theratron E780 ze źródłem Co-60 oraz na wiązce protonowej generowanej przez cyklotron AIC-144 w IFJ PAN. Szczególnie interesujące okazało się zastosowanie urządzenia pomiarowego PORTOS do pomiarów struktury czasowej wiązki protonowej.  Ze względu na bardzo szybki czas reakcji detektora  oraz możliwość stosowania krótkiego czasu próbkowania  (mikrosekundy) możliwa była rejestracja struktury czasowej z wyodrębnieniem poszczególnych impulsów wiązki protonów o energii 60MeV.

Publikacje:

  1. W. Gieszczyk, B. Marczewska, M. Kłosowski, A. Mrozik, P. Bilski, A. Sas-Bieniarz, P. Goj, P. Stoch, Thermoluminescence enhancement of LiMgPO4 crystal host by Tb3+ and Tm3+ trivalent rare-earths ions co-doping, Materials 12 (2019) 2861;
  2. B. Marczewska, A. Sas-Bieniarz, P. Bilski, W. Gieszczyk, M. Kłosowski, M. Sądel, OSL and RL of LiMgPO4 crystals doped with rare earth elements, Radiat. Meas. 129 (2019) 106205;
  3. A. Sas-Bieniarz, B. Marczewska, M. Kłosowski, W. Gieszczyk, P. Bilski, TL, OSL and RL emission spectra of RE-doped LiMgPO4 crystals; J. of Luminescence 218 (2020) 116839;
  4. W. Gieszczyk, P. Bilski, A. Mrozik, M. Kłosowski, B. Marczewska, A. Sas-Bieniarz, Yu. Zorenko, Intrinsic and dopants-related luminescence of undoped and double doped lithium magnesium phosphate (LiMgPO4, LMP) crystals; Materials 13 (2020), 2032;
  5. A. Sas-Bieniarz, B. Marczewska, P. Bilski, W. Gieszczyk, M. Kłosowski, Study of radioluminescence in LiMgPO4 doped with Tb, B and Tm, Radiat. Meas. 136 (2020) 106408;
  6. B. Marczewska, W. Gieszczyk, M. Kłosowski, M. Książek, P. Bilski, Ł. Boroń. Uniformity of Thermoluminescence and Optically Stimulated Luminescence Signals Over the Length of Doped LiMgPO4 Crystal Rods Grown by Micro-Pulling-Down Method. Materials 14 (2021) 132;