Lithiumfluoridekristallen zijn recentelijk gebruikt om de sporen van kerndeeltjes te registreren. Natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau hebben zojuist aangetoond dat deze kristallen ook ideaal zijn voor het detecteren van sporen van hoogenergetische ionen van elementen, zelfs zo zwaar als ijzer.

Wanneer een nucleair deeltje een kristal binnengaat, het interageert met de atomen of moleculen in zijn kristalnetwerk. In bepaalde kristallen en onder de juiste omstandigheden, het resulterende defect kan een bron van zwak licht zijn - luminescentie. Aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau wordt al jaren onderzoek gedaan naar materialen die dit soort eigenschappen vertonen. Een daarvan is lithiumfluoride LiF. De kristallen zijn recentelijk gebruikt om laagenergetische deeltjes zoals alfadeeltjes (heliumkernen) te detecteren. In hun laatste publicatie in de Dagboek van Luminescentie , de in Krakau gevestigde natuurkundigen laten zien dat het toepassingsgebied van lithiumfluoride zich ook uitstrekt tot de detectie van deeltjes met aanzienlijke energieën en zelfs ionen van zware elementen zoals ijzer 56Fe omvat, volledig ontdaan van elektronen.

"Lithiumfluoride-spoordetectoren zijn gewoon kristallen. In tegenstelling tot detectieapparaten die bijna-realtime sporen van deeltjes volgen, het zijn passieve detectoren. Met andere woorden, ze werken als fotografische film. Zodra kristallen worden blootgesteld aan straling, we moeten een fluorescentiemicroscoop gebruiken om erachter te komen welke sporen we hebben opgenomen, " zegt prof. Pawel Bilski (IFJ PAN).

Fluorescerende nucleaire spoordetectoren zijn al ongeveer tien jaar bekend. Tot dusver, ze zijn alleen gemaakt van op de juiste manier gedoteerde Al ₂ O ₃ aluminiumoxidekristallen waarin, onder invloed van straling, permanente kleurcentra worden gecreëerd. dergelijke centra, wanneer geëxciteerd door licht van een geschikte golflengte, zenden fotonen uit (met lagere energieën) die het mogelijk maken om het spoor van een deeltje onder een microscoop te zien. In het geval van lithiumfluoride, de excitatie wordt uitgevoerd met blauw licht en de emissie van fotonen vindt plaats in het rode bereik.

"Detectors met gedoteerd aluminiumoxide vereisen een dure confocale microscoop met een laserstraal en scanning. Sporen in lithiumfluoridekristallen kunnen worden gezien met een veel goedkopere, standaard fluorescente microscoop, " zegt Prof. Bilski en benadrukt:"Sporen die in kristallen zijn opgenomen, geven zeer nauwkeurig het pad van een deeltje weer. andere detectoren, zoals de bekende Wilson-kamer, verbreden meestal de baan. In het geval van LiF-kristallen, de resolutie wordt alleen beperkt door de diffractielimiet."

Hoewel de onmogelijkheid om sporen van deeltjes in bijna realtime te observeren moeilijk een voordeel te noemen, het hoeft niet altijd een nadeel te zijn. Bijvoorbeeld, in persoonsdosimetrie, detectoren zijn nodig om de stralingsdosis te bepalen waaraan de gebruiker is blootgesteld. Deze apparaten moeten klein en gebruiksvriendelijk zijn. De millimetergrote kristallijne lithiumfluorideplaten voldoen perfect aan deze eis. Dit is een van de redenen waarom deze kristallen, geteeld volgens de Czochralski-methode in de IFJ PAN, is nu te vinden in de Europese Columbus-module van het internationale ruimtestation, tussen vele andere soorten passieve detectoren. Elke zes maanden vervangen binnen het DOSIS 3D-experiment, de detectoren maken het mogelijk om de ruimtelijke verdeling van de stralingsdosis binnen het station en de variabiliteit ervan in de tijd te bepalen.

Tijdens het laatste onderzoek kristallijne lithiumfluorideplaten werden blootgesteld aan hoogenergetische ionen. De bestraling is uitgevoerd in de HIMAC-versneller in de Japanse stad Chiba. Tijdens het bombardement met verschillende ionenstralen, de energieën van deeltjes varieerden van 150 megaelektronvolt per nucleon in het geval van 4He-heliumionen tot 500 MeV/nucleon in het geval van 56Fe-ijzerionen. De detectoren werden ook bestraald met 12C koolstofionen, 20Ne neon en 28Si siliconen balken.

"In de kristalplaten die loodrecht op de ionenbundel zijn geplaatst, we observeerden praktisch puntbronnen van licht met een grootte op de grens van de optische resolutie van een microscoop. Dit waren de plaatsen waar het hoogenergetische ion het kristal doorboorde, ", zegt prof. Bilski. "Als onderdeel van de tests, sommige platen werden ook evenwijdig aan de balk geplaatst. De kans op het registreren van een track was dan lager, maar toen het gebeurde, een lang fragment van het spoor van het deeltje was 'ingeprint' in het kristal."

De uitgevoerde tests bevestigen dat lithiumfluoride spoordetectoren ideaal zijn voor het registreren van de passage van zware ionen met hoge energieën. In aanvulling, het lijkt erop dat dit niet de enige mogelijkheden van LiF-kristallen zijn. Elk ander atoom in hun binnenste is lithium, die zeer goed interageert met neutronen. Lithiumfluoride detectoren, vooral die verrijkt met de lithium 6Li isotoop, zal waarschijnlijk een zeer effectieve registratie van laagenergetische neutronen mogelijk maken, en er is veel dat erop wijst dat ook die van een hogere energie. Als toekomstige studies deze veronderstelling bevestigen, het zal mogelijk zijn om persoonlijke neutronendosimeters te construeren. Het kleine formaat van LiF-kristallen zou ook interessante technische toepassingen mogelijk maken die tegenwoordig technologisch ontoegankelijk zijn. LiF-spoordetectoren kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om secundaire deeltjes te bestuderen die gevormd zijn rond de primaire protonenbundel die wordt geproduceerd door versnellers die in de geneeskunde worden gebruikt om kanker te bestrijden.