Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Paweł Bilski
Zakład Fizyki Radiacyjnej i Dozymetrii (NZ63) IFJ PAN
Fluorescencyjna detekcja
śladów cząstek jądrowych przy
użyciu kryształów fluorku litu
Fluorescenscent Nuclear Track Detectors (FNTD)
pierwsza publikacja: 2006
Materiał detektora: Al2O3:C,Mg
Akselrod et al., 2006
o Promieniowanie jonizujące wytwarza w kryształach Al2O3:C,Mg centra barwne F2
+(2Mg)
o Wzbudzenie tych centrów światłem o długości ok. 620 nm wywołuje emisję fluorescencyjną z maksimum dla ok. 750 nm
Radiofotoluminescencja (RPL)
o Pomiar RPL jest ’nieniszczący’ - można go powtarzać wielokrotnie (w przeciwieństwie do termoluminescencji)
Akselrod et al., 2006
313 MeV/n 84Kr 367 MeV/n 20Ne
143 MeV/n 4He 65 MeV protony
Akselrod et al., 2006
Przykłady obrazów fluorescencyjnych Al2O3:C,Mg
Osinga et al. 2012
Przykłady obrazów fluorescencyjnych Al2O3:C,Mg
Przez 10 lat nie udało się zrealizować metody FNTD na żadnym innym materiale poza Al2O3
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
F2
emission
Wavelength [nm]
excitation
F3
+
F2 : 2 luki anionowe + 2 elektrony
F3+ : 3 luki anionowe
+ 2 elektrony
Radiofotoluminescencja LiF związana jest z defektami
samoistnymi
nie tylko Al2O3 wykazuje radiofotoluminescencję
RPL fluorku litu (LiF)
F2 F3+
Kryształy LiF od 2014 roku hodowane w IFJ metodą Czochralskiego
Protony 50 MeV
AIC-144
10 mm
Dla dużych dawek promieniowania intensywność RPL w LiF wystarczająca do obserwacji świecenia „gołym okiem”
…ale czy wystarczająca by zobaczyć ślady pojedynczych cząstek?
lata 2014-2015: próby uzyskania obrazów fluorescencyjnych protonów i cząstek alfa przy pomocy różnych mikroskopów fluorescencyjnych
2016: projekt badawczy NCN OPUS "Kryształy fluorku litu - wytwarzanie, optymalizacja oraz badanie luminescencji, dla innowacyjnej metody detekcji i mikro-obrazowania promieniowania jonizującego"
Zakup mikroskopu fluorescencyjnego Nikon Eclipse Ni-U z wysokoczułą kamerą CCD
3.0
0.1
LiF
Am-241
4.0
steel
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm
3.0
0.1
LiF
Am-241
4.0
steel
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm
7 x 106 mm-2 2 x 107 mm-2 5 x 106 mm-2
• niskie powiększenie 5x
Fluencja:
• duża fluencja cząstek
Co można będzie zobaczyć przy małej fluencji cząstek i dużym powiększeniu?
3.0
0.1
LiF
Am-241
4.0
steel
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm
Pierwsze testy: cząstki alfa, Am-241 kryształ LiF napromieniany przez szczelinę 100 µm z odległości 4 mm
• Powiększenie 100x
• Fluencja ~ 105 mm-2
Cząstki alfa
10 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 1 µm
Optyka mikroskopu ma bardzo małą głębię ostrości => możliwość skanowania w głąb
Cząstki alfa – napromienianie pod małym katem do powierzchni
Cząstki alfa (nie skolimowane) złożenie 21 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 0.5 µm (max intensity projection)
Cząstki alfa (nie skolimowane) 21 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 0.5 µm
Cząstki alfa – rozmiar śladów
Teoretyczna rozdzielczość mikroskopu: 420 nm
Obiektyw 100x, NA=0.80
~ 106 mm-2
Fluencja: ~7 x 103 mm-2 x 2 x 10
x 20
Cząstki alfa
x 40 x 120
60
x 6
0 µ
m
~ 106 mm-2
Fluencja: ~7 x 103 mm-2 x 2 x 10
x 20
Cząstki alfa
x 40 x 120
When tracks start to overlap, the integral light output may be used
105
106
107
108
10
100
1000
10000
Tota
l lig
ht in
tensity [arb
. units]
Particle fluence [mm-2]
60
x 6
0 µ
m
Neutrony 6Li – bardzo duży przekrój czynny na reakcję (n,α) z neutronami termicznymi
Produkty reakcji: Cząstka alfa, Eα=2.05 MeV Jądro trytu 3H, ET=2.73 MeV
Napromienianie: Źródło Pu-Be, moderator 10 cm PE
Naturalny lit zawiera 7.5% 6Li
Neutrony termiczne Szacowana fluencja neutronów termicznych ~ 106 n/cm2
6 µm
33 µm
α particle 4He, Eα=2.05 MeV, zasięg w LiF 6.05 µm 6Li(n,α)3H
Triton 3H, ET=2.73 MeV, zasięg w LiF 33.5 µm
3H
4He
10 obrazów zarejestrowanych na różnej głębokości z krokiem 1 µm
Neutrony termiczne
Neutrony termiczne + tło promieniowania gamma
Dgamma=0 Dgamma=50 mGy Dgamma=1 Gy
Neutrony prędkie
Sykora & Akselrod 2006
w Al2O3 detekcja poprzez protony odrzuty – konwerter z polietylenu
Neutrony prędkie
Źródło Pu-Be (bez moderatora)
𝐸𝑟 =4𝐴
𝐴 + 1 2𝐸𝑛𝑐𝑜𝑠
2𝜃 Emax( 7Li) = 0.44 En
En [MeV]
ELi-7
[MeV] Zasięg w LiF [µm)
3 1.3 3.2
5 2.2 4.5
8 3.5 6.4
11 4.8 8.6
Widmo energetyczne źródła Pu-Be
Energia jądra odrzutu:
𝐸𝑟 =4𝐴
𝐴 + 1 2𝐸𝑛𝑐𝑜𝑠
2𝜃 Emax( 7Li) = 0.44 En
En [MeV]
ELi-7
[MeV] Zasięg w LiF [µm)
3 1.3 3.2
5 2.2 4.5
8 3.5 6.4
11 4.8 8.6
Energia jądra odrzutu:
Protony • Mniejsza gęstość jonizacji: 150 MeV ~0.5 keV/µm, 60 MeV ~1 keV/µm, 25 MeV ~2 keV/µm
(a np. cząstka alfa 5 MeV ~100 keV/µm)
• Protony penetrują cały kryształ dużo światła spoza płaszczyzny ogniskowania wysokie tło
ok. 15-20 MeV AIC -144
Cięższe jony
Akcelerator HIMAC (Chiba, Japonia), jony Fe , 426 MeV/n, 198 keV/µm
wiązka prostopadła wiązka równoległa
Planowane eksperymenty: He 150 MeV/n, C 290 MeV/n, 400 MeV/n – październik 2017
Fe 500 MeV/n, Ne 400 MeV/n, Ar 500 MeV/n – styczeń 2018
Promieniowanie rentgenowskie, 9 keV, 150 mGy
Promieniowanie rentgenowskie, 9 keV, 150 mGy Promieniowanie gamma, Cs-137, 662 keV, 200 mGy
elektrony wtórne widzimy prawdopodobnie końcową część toru
Zespół NZ63 zaangażowany w badania:
Paweł Bilski \
Barbara Marczewska
Wojciech Gieszczyk
Mariusz Kłosowski
Michał Naruszewicz
Tomasz Nowak (CCB)
Dziękuję za uwagę!