Projekt badawczy MNiSW Iuventus Plus IP2014 011973
Realizowany w latach 2015-2017
Zespół realizujący projekt:
Wojciech Gieszczyk – kierownik projektu
Mariusz Kłosowski
Dagmara Kulig
Promieniowanie jonizujące często kojarzy się z szeroko rozumianym zagrożeniem dla ludzi i środowiska. Wrażenie to wiąże się z awarią elektrowni w Czarnobylu, obawą przed użyciem broni atomowej, czy problemami ze składowaniem odpadów radioaktywnych. Dla praktycznego wykorzystania promieniowania jonizującego zwykle konieczny jest pomiar ilości energii zdeponowanej przez to promieniowanie w jednostce masy absorbentu, czyli pomiar dawki promieniowania, ponieważ skutki jego oddziaływania w znacznej mierze zależą od wielkości pochłoniętej dawki. Taka sytuacja stymuluje potrzebę doskonalenia istniejących metod dozymetrycznych oraz opracowania prostych i tanich dawkomierzy mierzących coraz niższe dawki w szerokim zakresie energetycznym. W chwili obecnej powszechnie stosuje się pasywne dawkomierze oparte na zjawisku luminescencji stymulowanej termicznie (TL), a ostatnio również optycznie (OSL). Poszukuje się jednak nowych technik i materiałów, które pozwolą udoskonalić istniejące metody pomiaru dawek, zwłaszcza w dziedzinie OSL, gdzie efektywnie stosowany jest tylko jeden materiał luminescencyjny, Al2O3:C. Badania prowadzone w ciągu ostatnich lat pokazały, że interesujący pod względem własności dozymetrycznych jest również fosforan litowo-magnezowy LiMgPO4.
Monokryształy tlenku glinu powszechnie wytwarza się metodą Czochralskiego. Istnieją jednak alternatywne metody produkcji monokryształów pozwalające na otrzymywanie monokryształów o porównywalnych własnościach. Taką metodą jest z pewnością Micro Pulling Down (MPD). Relatywnie wysokie prędkości wyciągania monokryształów powodują, że technikę MPD można wykorzystywać do szybkiej i taniej produkcji monokryształów na potrzeby badań laboratoryjnych. Innym atutem jest możliwość szybkiej oceny zmian własności wytworzonych monokryształów poprzez badanie wpływu modyfikacji warunków panujących podczas procesu krystalizacji. Prekursorem metody MPD w Polsce jest Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie, natomiast od 2011 roku stanowisko MPD dostępne jest również w IFJ PAN w Krakowie.
Celem naukowym niniejszego projektu jest opracowanie metody wytwarzania wysokoczułych luminescencyjnych detektorów promieniowania jonizującego na bazie fosforanu litowo-magnezowego metodą MPD. Realizacja projektu będzie polegała na optymalizacji parametrów procesu wytwarzania nowego materiału luminescencyjnego techniką Micro Pulling Down oraz scharakteryzowaniu jego własności pod kątem zastosowań dozymetrycznych. Głównym kierunkiem badań będzie różnie domieszkowany fosforan litowo-magnezowy (LiMgPO4), ze względu na wysoką czułość oraz interesujące własności OSL. Bezpośrednią motywacją do podjęcia się tej tematyki jest uruchomienie w Zakładzie Fizyki Radiacyjnej i Dozymetrii IFJ PAN w Krakowie unikalnej aparatury do wzrostu kryształów techniką MPD, wieloletnie doświadczenie Wnioskodawcy w wytwarzaniu i badaniu pasywnych detektorów promieniowania jonizującego na bazie fluorku litu (LiF) oraz posiadanie szerokiej bazy aparaturowej. Wysoka efektywność metody MPD umożliwia również podjęcie prac nad szeregiem innych związków.
Postawione cele będą realizowane dwuetapowo. Pierwszym etapem będzie optymalizacja parametrów procesu wytwarzania monokryształów na stanowisku MPD w IFJ PAN. Relatywnie wysokie prędkości wyciągania monokryształów dostępne techniką MPD powodują, że można ją wykorzystywać do szybkiej i taniej produkcji monokryształów do badań laboratoryjnych. Drugim etapem realizacji projektu będzie charakterystyka własności dozymetrycznych kryształów otrzymanych przy różnych parametrach i warunkach krystalizacji. IFJ PAN posiada bogate zaplecze aparaturowe dedykowane do pomiarów stymulowanej luminescencji. Wymienić tu można m. in. automatyczny czytnik TL/OSL, trzy manualne czytniki TL, dwa manualne czytniki OSL, dwa manualne czytniki powierzchniowe dedykowane do obrazowania jednorodności sygnału TL emitowanego z powierzchni próbki, piece anilacyjne. Ponadto, Wnioskodawca dysponuje szeregiem źródeł promieniowania gamma (137Cs, 60Co), beta (90Sr/90Y), alfa (241Am), neutronów (źródła Pu-Be, Am-Be) oraz wiązkami protonów o energii 60 MeV (cyklotronAIC-144) i 230 MeV (cyklotron Proteus-235).
Systematyczna analiza wpływu parametrów i warunków krystalizacji na własności luminescencyjne różnego rodzaju materiałów złożonych przyczyni się do lepszego poznania i zrozumienia techniki MPD. Wymiernym efektem będzie opracowanie nowego materiału luminescencyjnego, którego własności dozymetryczne pozwolą konkurować z komercyjnymi detektorami na bazie Al2O3:C. Fakt posiadania przez IFJ PAN w Krakowie unikalnej aparatury do hodowli monokryształów techniką MPD oraz szerokiego spektrum aparatury do napromieniania próbek i badania stymulowanej luminescencji stwarza idealne warunki do przeprowadzenia kompleksowych badań w opisanej tematyce. Oprócz wspomnianego aspektu poznawczego, opracowane detektory będą mogły znaleźć zastosowanie w rutynowych pomiarach dozymetrycznych.
Wybrane wyniki:
Kulig, D., Gieszczyk, W., Bilski, P., Marczewska, B., Kłosowski, M., 2016. Thermoluminescence and optically stimulated luminescence studies on LiMgPO4 crystallized by micro pulling down technique. Radiat. Meas. 85, 88-92
Kulig, D., Gieszczyk, W., Bilski, P., Marczewska, B., Kłosowski, M., 2016. New OSL detectors based on the LiMgPO4 crystals grown by micro pulling down method. Dosimetric properties vs. growth parameters. Radiat. Meas. 90, 303-307
Gieszczyk, W., Kulig, D., Bilski, P., Marczewska, B., Kłosowski, M., 2017. Analysis of TL and OSL kinetics in lithium magnesium phosphate crystals. Radiat. Meas. xxx, 1-7
Kulig, D., Gieszczyk, W., Marczewska, B., Bilski, P., Kłosowski, M., Malthez, A.M.L.C., 2017. Compartive studies on OSL properties of LiMgPO4 powders and crystals. Radiat. Meas. xxx, 1-6