Projekt badawczy NCN PRELUDIUM nr 2020/37/N/ST5/01975
Okres realizacji: 2021-2023
Zespół badawczy:
mgr inż. Małgorzata Sankowska (kierownik projektu)
Prof. dr hab. Paweł Bilski (opiekun naukowy)
Celem projektu jest optymalizacja własności fotoluminescencyjnych kryształów fluorku litu (LiF) pod kątem wykorzystania ich jako detektory promieniowania jonizującego, a także w celu lepszego zrozumienia aspektów temperaturowych fizyki centrów barwnych.
Wraz z gwałtownym rozwojem technologii, promieniowanie jonizujące staje się coraz bardziej powszechne w życiu człowieka. Daje to motywację do wprowadzania nowych, i ulepszania już istniejących, metod wykrywania, mierzenia i obrazowania promieniowania jonizującego, które mogłyby być wykorzystywane w różnych dziedzinach działalności człowieka, np. w medycynie, ochronie radiologicznej, przemyśle oraz badaniach naukowych. Metoda fluoroscencyjnej detekcji śladów cząstek jądrowych (FNTD) jest jedną z najbardziej rewolucyjnych technik rozwijanych w ostatnich latach w dziedzinie dozymetrii promieniowania.
Metoda FNTD wykorzystuje fotoluminescencję (PL) defektów sieci krystalicznej, generowanych przez promieniowanie jonizujące, zwanych centrami barwnymi (CC). Centra te, po wzbudzeniu ich światłem o odpowiedniej długości fali, emitują fotony, co pozwala na obserwację śladów cząstek przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego. Dzięki detektorom śladowym z fluorku litu (LiF) możliwe jest obrazowanie śladów ciężkich jonów takich jak hel, węgiel, neon, krzem i żelazo. Detektory te mogą także być używane do detekcji i pomiarów dawek promieniowania neutronowego lub do określenia energii cząstek alfa oddziałujących z kryształem. Kryształy fluorku litu zostały także wykorzystane do zarejestrowania śladów promieniowania kosmicznego na orbicie Ziemi.
Chociaż ta technika niewątpliwie ma ogromny potencjał, jej ogromnym problemem jest niski stosunek sygnału do szumu. Zwiększenie go, a także intensywności fotoluminescencji jest niezwykle ważne, ponieważ mogłoby umożliwić obrazowanie śladów dotychczas niewidocznych, co pozwoliłoby na rozwinięcie nowych zastosowań tej techniki. Wydaje się, że najbardziej osiągalnym sposobem na poprawę stosunku sygnału do szumu jest obróbka termiczna kryształów LiF.
Mimo iż LiF jest bardzo dobrze znanym materiałem luminescencyjnym i optycznym badanym przez kilka dziesięcioleci, nadal istnieją pewne luki w naszej wiedzy na jego temat. Jedną z nich jest wpływ obróbki termicznej na centra barwne i ich fotoluminescencję. Na koncentracje różnych centrów barwnych w LiF znaczący wpływ ma temperatura. Pod wpływem obróbki termicznej, niektóre centra barwne rozpadają się, podczas gdy inne oddziałują ze sobą tworząc nowe rodzaje. Wszystko to wpływa na kształt widma PL oraz na intensywność fotoluminescencji. Chociaż wiadomym jest, że takie zależności występują, wyniki przeprowadzonych dotychczas badań są często sprzeczne lub niekompletne. Naszym celem jest wobec tego zgromadzenie brakujących informacji na temat.
W ramach projektu planujemy zbadać wpływ temperatury na każdym etapie procesu napromieniania i odczytu (przed napromienieniem, podczas napromieniania, po napromienianiu i podczas pomiarów PL). Zamierzamy zmierzyć widma absorpcyjne, widma emisyjne PL i widma ekscytacyjne PL, a także zarejestrować i zanalizować mikroskopowe obrazy śladów cząstek jądrowych w różnych oknach spektralnych. We wszystkich eksperymentach zmieniane będą, nie tylko temperatura, ale także czas trwania obróbki termicznej oraz szybkość grzania i chłodzenia. Zamierzamy także sprawdzić, czy obserwowane efekty są uniwersalne, czy zależą od specyficznych właściwości kryształów.
Wyniki projektu były prezentowane do tej pory w postaci posterów na konferencjach: 11th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation, International Conference on Individual Monitoring of Ionising Radiation (IM2022) and Neutron and Ion Dosimetry Symposium (NEUDOS-14), 9th International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications & 14th Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials, and The 7th International Workshop on Advanced Spectroscopy and Optical Materials (IWASOM). Poster otrzymał nagrodę „Best Poster Award”. Wyniki zostały opublikowane w czasopismach Radiation Measurements oraz Materials