Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Kryształy fluorku litu "widzą" ciężkie jony o dużych energiach

Recommended Posts

Do rejestrowania śladów cząstek jądrowych od niedawna używa się kryształów fluorku litu. Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie właśnie wykazali, że kryształy te świetnie nadają się również do detekcji przelotów wysokoenergetycznych jonów pierwiastków nawet tak ciężkich jak żelazo.

Gdy cząstka jądrowa wpada do wnętrza kryształu, oddziałuje z atomami bądź cząsteczkami jego sieci krystalicznej. W pewnych kryształach i w odpowiednich warunkach powstałe uszkodzenia mogą być źródłem słabego światła – luminescencji. W Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie od lat prowadzi się badania nad materiałami wykazującymi tego typu właściwości. Jednym z nich jest fluorek litu LiF. Jego kryształy zostały niedawno użyte do detekcji niskoenergetycznych cząstek, takich jak cząstki alfa (jądra helu). W swojej najnowszej publikacji na łamach czasopisma Journal of Luminescence krakowscy fizycy wykazują, że obszar zastosowań fluorku litu rozciąga się także na detekcję cząstek o znacznych energiach i obejmuje nawet całkowicie odarte z elektronów jony tak ciężkich pierwiastków jak żelazo 56Fe.

Detektory z fluorku litu to po prostu kryształy. W przeciwieństwie do urządzeń detekcyjnych pozwalających monitorować ślady cząstek w czasie zbliżonym do rzeczywistego, są one detektorami pasywnymi. Innymi słowy, działają jak klisze fotograficzne. Po wystawieniu kryształów na promieniowanie musimy użyć mikroskopu fluorescencyjnego by się dowiedzieć, jakie ślady udało się zarejestrować - mówi prof. dr hab. Paweł Bilski (IFJ PAN).

Fluorescencyjne detektory śladów cząstek jądrowych są znane mniej więcej od dekady. Wykonywano je jak dotąd jedynie z odpowiednio domieszkowanych kryształów tlenku glinu Al2O3, w których pod wpływem promieniowania dochodziło do utworzenia trwałych centrów barwnych. Tak powstałe centra po wzbudzeniu światłem o odpowiedniej długości emitują fotony o niższych energiach, pozwalające zobaczyć pod mikroskopem ślad cząstki. W przypadku fluorku litu wzbudzenia dokonuje się światłem niebieskim, a emisja fotonów zachodzi w zakresie czerwonym.

Detektory z domieszkowanego tlenku glinu wymagają drogiego mikroskopu konfokalnego, z wiązką laserową i skanowaniem. Ślady w kryształach fluorku litu można zobaczyć za pomocą znacznie tańszego, zwykłego mikroskopu fluorescencyjnego - mówi prof. Bilski i podkreśla: Ślady zarejestrowane w kryształach bardzo dokładnie odwzorowują tor lotu cząstki. W innych detektorach, takich jak choćby znana wszystkim komora Wilsona, dochodzi do poszerzenia śladu. W przypadku kryształów LiF granicą rozdzielczości jest jedynie limit wynikający z dyfrakcji.

O ile brak możliwości obserwacji śladów cząstek w czasie zbliżonym do rzeczywistego trudno nazwać zaletą, o tyle nie zawsze musi być wadą. Na przykład w dozymetrii osobistej potrzebne są detektory pozwalające stwierdzić, na jaką dawkę promieniowania został narażony ich użytkownik. Urządzenia te muszą być przede wszystkim małe i niekłopotliwe w użyciu. Milimetrowych rozmiarów krystaliczne płytki fluorku litu spełniają ten wymóg wręcz znakomicie. Między innymi z tego powodu kryształy te, wyhodowane w IFJ PAN metodą Czochralskiego, można dziś znaleźć w europejskim module Columbus Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pośród wielu innych rodzajów detektorów pasywnych. Wymieniane co pół roku w ramach eksperymentu DOSIS 3D, detektory te umożliwiają określanie przestrzennego rozkładu dawki promieniowania w obrębie stacji i jej zmienności w czasie.

W trakcie najnowszych badań krystaliczne płytki fluorku litu wystawiono na działanie jonów o dużych energiach. Naświetlenia przeprowadzono w akceleratorze HIMAC w japońskim mieście Chiba. W trakcie ostrzału różnymi wiązkami jonów energie poszczególnych cząstek sięgały od 150 megaelektronowoltów na nukleon w przypadku jonów helu 4He do 500 MeV/nukleon w jonach żelaza 56Fe. Detektory ostrzelano także wiązkami jonów węgla 12C, neonu 20Ne i krzemu 28Si.

W płytkach kryształów ustawionych prostopadle do wiązki jonów zaobserwowaliśmy praktycznie punktowe źródła światła, o rozmiarach na granicy rozdzielczości optycznej mikroskopu. Były to te miejsca, w których wysokoenergetyczny jon przebił się przez kryształ - mówi prof. Bilski. W ramach testów część płytek została także ustawiona równolegle do wiązki. Prawdopodobieństwo zarejestrowania śladu było wtedy mniejsze, ale gdy już do tego doszło, w krysztale "odciskał" się długi fragment toru lotu cząstki.

Przeprowadzone testy potwierdzają, że detektory śladowe z fluorku litu świetnie nadają się do rejestrowania przelotów ciężkich jonów o dużych energiach. Wydaje się przy tym, że to wcale nie koniec możliwości kryształów LiF. Co drugi atom w ich wnętrzu to przecież lit, który znakomicie oddziałuje z neutronami. Detektory z fluorku litu, zwłaszcza wzbogacone w izotop litu 6Li, prawdopodobnie będą pozwalały bardzo skutecznie rejestrować neutrony niskoenergetyczne, a wiele wskazuje, że także wysokoenergetyczne. Jeśli przyszłe badania potwierdzą to przypuszczenie, możliwe stanie się skonstruowanie osobistych dawkomierzy neutronowych. Małe rozmiary kryształków LiF pozwalałyby także na ciekawe, dziś technologicznie niedostępne zastosowania techniczne. Śladowe detektory LiF można byłoby użyć na przykład do badania wiązek wtórnych formujących się wokół pierwotnej wiązki protonów wytwarzanych przez akceleratory używane w medycynie do zwalczania nowotworów.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites
36 minut temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Do rejestrowania śladów cząstek jądrowych od niedawna używa się kryształów fluorku litu. Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie właśnie wykazali,

Przepraszam, ale nie sądzę, by szanujący się fizycy z krakowskiego PAN użyli tego terminu.

38 minut temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

powstałe uszkodzenia mogą być źródłem słabego światła – luminescencji.

Kto powiedział, że luminescencja musi być "słabym światłem"? Można po polsku powiedzieć, że "mogą być źródłem promieniowania nietermicznego".

41 minut temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

tlenku glinu Al2O3

Al2O3? Chyba da się napisać. ;)

46 minut temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

energie poszczególnych cząstek sięgały od 150 megaelektronowoltów na nukleon w przypadku jonów helu 4He do 500 MeV/nukleon w jonach żelaza 56Fe.

Proponuję konsekwencję, czyli "megaelektronowoltów na nukleon" ALBO "MeV/nukleon" (skłaniam się ku drugiemu); dodatkowo 4He itd.

P.S. Żeby nie było. W krakowskim Instytucie Fizyki Jądrowej PAN robi się światową naukę, i polecam zachować przynajmniej ślad tego poziomu.

ed: Podejrzewam Wilk, że problem leży gdzieś na przejściu strona->forum, bo w drugą stronę, jak widzisz, jest ok.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Materiały topologiczne, które wykazują egzotyczne, odporne na defekty, właściwości, mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w elektronice, optyce czy informatyce kwantowej. Opanowanie ich masowej produkcji przyniesie rewolucję na wielu polach.
      Obecnie naukowcy intensywnie badają kilkanaście takich materiałów znanych jako izolatory topologiczne. To materiały, których powierzchnia powinna przenosić ładunki elektryczne niemal bez żadnych oporów, jednak całość ma działać w znacznie wyższych temperaturach niż nadprzewodniki. Jednocześnie wnętrze izolatorów topologicznych nie przewodzi elektryczności.
      Specjaliści z Princeton University poinformowali właśnie o odkryciu najbardziej wytrzymałego izolatora topologicznego. To cienki kryształ o strukturze podobnej do DNA czy też spiralnych schodów. Odkrywcy nazwali go topologicznym kryształem chiralnym.
      Podczas naszych ostatnich prac udowodniliśmy, że istnieje nowy stan materii kwantowej, który jednocześnie ma niemal idealne właściwości powierzchni topologicznej, będące konsekwencją chiralności struktury krystalicznej, mówi profesor M. Zahid Hasan, jeden z pionierów badań nad materiałami topologicznymi.
      W nowym materiale właściwość, która definiuje przewodnictwo topologiczne, które jest powiązane z przewodnictwem elektrycznym powierzchni materiału, jest około 100-krotnie większa niż w dotychczas znanych metalach topologicznych.
      Właściwość ta, zwana surface Fermi arc (powierzchniowy łuk Fermiego?) została określona za pomocą spektroskopii fotoemisyjnej w synchrotronie Advanced Light Source (ALS).
      Po ponad 12 latach badań nad fizyką topologiczną i materiałami, sądzę, że ujrzeliśmy dopiero wierzchołek góry lodowej. Z naszych pomiarów wynika, że mamy tu do czynienia z najbardziej solidnym topologicznie chronionym przewodnikiem odkrytym do tej pory. To otwiera zupełnie nowe możliwości, mówi profesor Hasan. Pojęcie „topologicznie chroniony” oznacza, że niektóre z właściwości materiału pozostają niezmienne, nawet jeśli materiał nie jest doskonały. Będzie miało to olbrzymie znacznie w przyszłości, gdy będziemy chcieli na masową skalę wytwarzać materiały o świetnych właściwościach.
      Ilya Belopolski, naukowiec z Princeton University, który bierze udział zarówno w teoretycznych jak i eksperymentalnych badaniach izolatorów topologicznych zauważa inną, szczególnie interesującą właściwość badanych właśnie kryształów kobaltowo-krzemowych i rodowo-krzemowych – pod wpływem światła wytwarzają one prąd elektryczny o stałej sile. Nasze wcześniej opracowane teorie wykazały, że prąd ten powinien mieć niezmienne konkretne wartości. Nieważne, jakie rozmiary ma próbka lub czy jest zanieczyszczona, wartości te są uniwersalne. To coś niezwykłego, oznacza bowiem, że w praktycznych zastosowaniach wydajność materiału zawsze będzie taka sama, wyjaśnia uczony.
      Przed czterema laty informowaliśmy, że międzynarodowy zespół naukowy pracujący pod kierunkiem profesora Hasana odkrył fermiony Weyla, których istnienie przewidziano w 1929 roku. Fermiony, odkryte w syntetycznym krysztale tantalu, mają podobne właściwości elektroniczne, co kryształy będące obiektem najnowszych badań grupy Hasana, z wyjątkiem jednak chiralności.
      Nasze wcześniejsze badania nad półmetalami Weyla przetarło nam szlak do badań nad egzotycznymi przewodnikami topologicznymi, wyjaśnia Hasan. W listopadzie 2017 roku zespół Hasana podczas badań teoretycznych stwierdził, że elektrony w krysztale rodowo-krzemowym i innych podobnych materiałach będą zachowywały się w niespotykany sposób. Uczeni przewidywali wówczas, że kwazicząstki w takich materiałach mają właściwości elektronów pozbawionych masy i powinny zachowywać się jak spowolnione trójwymiarowe cząstki światła o  określonej chiralności. Z kolei obliczenia opublikowane na łamach Nature Materials przez Hasana i jego grupę w październiku 2018 roku wykazały, że elektrony w takich kryształach zachowują się kolektywnie jakby były magnetycznymi monopolami. Wszystkie te niezwykłe właściwości są wynikiem chiralnej struktury kryształu.
      Kryształy, które obecnie bada Hasan i jego koledzy, mają do kilku milimetrów długości i zostały przygotowane przez różne międzynarodowe laboratoria. Uczeni najpierw dokładnie je opisali podczas badań prowadzonych na specjalistycznym sprzęcie w Laboratory for Topological Quantum Matter and Advanced Spectroscopy na Princeton University, a następnie kryształy przetransportowano do Berkeley Lab celem dalszych badań. Tam najpierw zostały poddane specjalnym technikom polerowania w Molecular Foundry. Zwykle na potrzeby takich badań kryształy są łamane tak, by miały grubość liczoną w atomach.
      Jednak obecnie badane kryształy są niezwykle wytrzymałe. Dlatego też w Molecular Foundry musiano ostrzeliwać je wysoko energetycznymi atomami argonu, co pozwoliło oczyścić i spłaszczyć próbki, a następnie poddano je ponownej krystalizacji i polerowaniu.
      Dotychczasowe badania wykazały, że zachowanie elektronów w tych kryształach jest ściśle powiązane z chiralnością ich struktury. Dlatego też profesor Hasan uważa, że istnieją jeszcze inne sposoby badań takich materiałów. To może prowadzić do powstania nowych rodzajów nadprzewodników lub badania nowych zjawisk kwantowych, mówi Hasan. Uczony zastanawia się nawet, czy możliwe jest uzyskanie chiralnego topologicznego nadprzewodnika. Dodaje, że co prawda właściwości topologiczne, które wraz z zespołem może obserwować w kryształach rodowo-krzemowych i kobaltowo-krzemowych są uznawane z idealne, jednak nie można wykluczyć, że w wielu innych materiałach byłyby one jeszcze lepsze.
      Okazuje się, że te zjawiska fizyczne można będzie uzyskać w przyszłości w innych materiałach, które lepiej będą pasowały do naszych potrzeb, stwierdza profesor Hasan.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...