Fluorescencyjne detektory śladów cząstek jądrowych na bazie kryształów fluorku litu: rozwój i optymalizacja metody oraz badanie efektów temperaturowych
Loading...
DOI
Date
2023
Authors
Sankowska, Małgorzata
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
Jednym z najbardziej rewolucyjnych osiągnięć ostatnich lat w dziedzinie dozymetrii luminescencyjnej było przedstawienie przez firmę Landauer fluorescencyjnych detektorów śladów cząstek jądrowych (FNTD) z kryształów tlenku glinu (Al2O3:C,Mg). Technika ta wykorzystuje fotoluminescencję centrów barwnych, które wytwarzane są w materiale detektora w wyniku oddziaływania z promieniowaniem jonizującym. Wzbudzenie tych centrów światłem o odpowiedniej długości fali pozwala na obserwację śladów pojedynczych cząstek przy zastosowaniu mikroskopu fluorescencyjnego. Przez długi czas tlenek glinu był jedynym materiałem z powodzeniem stosowanym jako FNTD. Dopiero niedawno zespół naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie był w stanie uzyskać wysokiej jakości obrazy mikroskopowe z użyciem kryształów fluorku litu (LiF). Chociaż technika ta ma ogromny potencjał, a detektory FNTD z powodzeniem zostały wykorzystane do obrazowania śladów takich cząstek jak cząstki alfa, jony oraz elektrony, dalszy rozwój metodyki pomiaru oraz analizy jest niezbędny. W ramach rozprawy doktorskiej opracowano metodykę umożliwiającą ilościową analizę i porównywanie ze sobą śladów cząstek jądrowych zmierzonych dla obrazów zarejestrowanych w różnych warunkach. Opracowano formuły korekcyjne pozwalające na uniezależnienie jasności śladów od takich parametrów, jak głębokość w krysztale, na której prowadzony jest pomiar oraz czas akwizycji. Druga część pracy skupiała się na badaniu efektów temperaturowych występujących we fluorku litu i próbie wykorzystania ich w celu zwiększenia możliwości pomiarowych fluorescencyjnych detektorów śladów cząstek jądrowych z LiF. Niski stosunek sygnału do tła jest jedną z największych przeszkód utrudniających dalszy rozwój techniki FNTD. Wykazano, że zastosowanie odpowiedniego procesu grzania dla wcześniej napromienionych detektorów może prowadzić do zwiększenia sygnału fotoluminescencji. Prowadzenie pomiarów w podwyższonych temperaturach (z zakresu od 60 do 100°C) pozwoliło po raz pierwszy na rejestrację obrazów mikroskopowych śladów cząstek alfa w zielonym zakresie widma emisyjnego. Za największe osiągnięcie pracy można uznać odkrycie efektu wzmocnienia jasności śladów w wyniku wygrzewania detektorów do temperatury z zakresu 200°C – 300°C. Wzmocnienie, a także szerokość warstwy powierzchniowej, w której efekt występuje, zależy od procesu grzania wysokotemperaturowego (temperatura 840°C), który stosowany jest standardowo podczas preparatyki próbek. Dzięki optymalizacji tych dwóch procesów grzania możliwe było osiągnięcie aż czterokrotnego wzmocnienia jasności obserwowanych śladów. Zjawisko to jest niezwykle obiecujące i może prowadzić do zwiększenia możliwości pomiarowych metody FNTD. Dodatkowo procedura grzania jest szybka i łatwa, co sprawia, że możne zostać bez problemu wprowadzona do standardowej metodyki pomiaru.
One of the most revolutionary achievements in the field of luminescence dosimetry in recent years was the introduction of Fluorescent Nuclear Track Detectors (FNTDs) from aluminum oxide (Al2O3:C,Mg) crystals by the scientist from Landauer. This technique exploits the photoluminescence of color centers which are produced in the material as a result of interaction with ionizing radiation. Such centers, when excited by light of an appropriate wavelength, emit photons which make it possible to see the tracks of single particles while using a fluorescence microscope. For a long time, aluminum oxide was the only material successfully used as FNTD. Only recently, a team of scientists from the Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences in Kraków was able to obtain high-quality microscopic images using lithium fluoride (LiF) crystals. Although this technique has great potential, and FNTD detectors have been successfully used to image traces of particles such as alpha particles, ions and electrons, further development of measurement methodology and image analysis is necessary. Within this doctoral dissertation, a methodology was developed to enable quantitative analysis and comparison of nuclear particle tracks measured for images acquired under different conditions. Correction formulas have been developed to make the brightness of the tracks independent of such parameters as the depth in the crystal at which the measurement is carried out and the acquisition time. The second part of the work focused on the study of temperature effects occurring in lithium fluoride in an attempt to use them to increase the measurement capabilities of fluorescent nuclear track detectors based on LiF. The low signal-to-noise ratio is one of the biggest obstacles hindering the further development of the FNTD technique. Within the conducted studies it has been shown that the usage of an appropriate heating process after prior irradiation of FNTD detectors can lead to an increase in the photoluminescence signal. Performing measurements at elevated temperatures (from 60 to 100 °C) allowed, for the first time, to acquire microscopic images of alpha particles tracks in the green range of the emission spectrum. The discovery of the effect of track intensity enhancement after heating of the detectors to the temperature ranging from 200 to 300 °C can be considered the greatest achievement of this doctoral dissertation. The strength of the effect as well as the width of the surface layer in which the effect occurs depends on the high-temperature heating process (temperature of 840°C), which is routinely used during sample preparation. Thanks to the optimization of these two heating processes, it was possible to achieve a four-time increase in the brightness of the observed tracks. This phenomenon is extremely promising and may lead to an increase in the measurement capabilities of the FNTD method. In addition, the heating procedure is quick and easy, which means that it can be easily introduced into the standard measurement methodology.
Description
Keywords
Citation
Sponsorship:
Grantnumber:
License Type
Attribution-NonCommercial 4.0 International