Badanie odpowiedzi świetlnej materiałów scyntylacyjnych z grupy jodków cezu po interakcji z promieniowaniem gamma

Spek­tro­sko­pia gamma z uży­ciem detek­to­rów scyn­ty­la­cyj­nych należy do naj­waż­niej­szych metod sto­so­wa­nych zarówno w bada­niach jak i apli­ka­cyj­nych zasto­so­wa­niach zwią­za­nych z naukami jądro­wymi. Mate­riały scyn­ty­la­cyjne emi­tują świa­tło w zakre­sie od widzial­nego do ultra­fio­letu, po absorp­cji pro­mieni UV lub po ich inte­rak­cji z pro­mie­nio­wa­niem joni­zu­ją­cym

Jodek cezu (CsI) posiada wysoką gęstość (4,51 g/cm³) i efek­tywną liczbę ato­mową Z_eff wyno­szącą około 53–55u, co zapew­nia wysoką sku­tecz­ność wykry­wa­nia pro­mie­nio­wa­nia gamma. CsI jest scyn­ty­la­to­rem o wyso­kiej odpo­wie­dzi świetl­nej (z ang. light out­put) wyno­szą­cej około 55000 foto­nów na 1 megaelek­tronowolt zde­po­no­wa­nego pro­mie­nio­wa­nia gamma [1]. Jodki cezu są dostępne komer­cyj­nie z domieszką talu (CsI: Tl) lub sodu (CsI: Na), co znacz­nie popra­wia ich wydaj­ność w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej [1].

Jedną z naj­waż­niej­szych wła­ści­wo­ści scyn­ty­la­to­rów w spek­tro­me­trii gamma jest funk­cja odpo­wie­dzi świetl­nej (z ang. Light Out­put Func­tion, w skró­cie LOF), która opi­suje liczbę powsta­ją­cych foto­nów scyn­ty­la­cyj­nych w odnie­sie­niu do ener­gii pada­ją­cego pro­mie­nio­wa­nia. LOF jest bazą do rekon­struk­cji widm ener­ge­tycz­nych pada­ją­cego pro­mie­nio­wa­nia [2]. W ide­al­nym scyn­ty­la­to­rze można ocze­ki­wać, że liczba foto­nów scyn­ty­la­cyj­nych, powsta­ją­cych po inte­rak­cji z pro­mie­nio­wa­niem, jest wprost pro­por­cjo­nalna do wyge­ne­ro­wa­nej liczby par elek­tron-dziura. Innymi słowy, względna ilość świa­tła powinna być stałą funk­cją ener­gii pada­ją­cej cząstki. Wiele prac badaw­czych prze­pro­wa­dzo­nych w ciągu ostat­nich dwóch dzie­się­cio­leci wyka­zało, że tak ide­alna sytu­acja nie jest obser­wo­walna, a wszyst­kie scyn­ty­la­tory nie­orga­niczne cha­rak­te­ry­zują się pew­nym stop­niem nie­pro­por­cjo­nal­nej odpo­wie­dzi wzglę­dem pada­ją­cego pro­mie­nio­wa­nia [2-4]. Rysu­nek 1 przed­sta­wia odpo­wiedź świetlną jodku cezu domiesz­ko­wa­nego talem po jego inte­rak­cji z pro­mie­nio­wa­niem gamma o ener­giach od 17 keV do 835 keV (dane zostały wyra­żone w licz­bie foto­elek­tro­nów na 1 MeV). Odpo­wiedź świetlna, zwana rów­nież wydaj­no­ścią scyn­ty­la­cji, opi­suje jak efek­tyw­nie ener­gia pro­mie­nio­wa­nia gamma (lub ener­gia dowol­nego innego pro­mie­nio­wa­nia jądro­wego) jest prze­kształ­cana w mate­riale scyn­ty­la­cyj­nym w świa­tło. W przy­padku CsI: Tl, nisko­ener­ge­tyczne kwanty gamma, w szcze­gól­no­ści poni­żej 200 keV, są spo­sób wydaj­niej­szy prze­kształ­cane w świa­tło niż kwanty wyso­ko­ener­ge­tyczne – co obra­zuje znaczna zmiana kształtu LOF na rysunku 1.

W ramach badań testo­wane są krysz­tały nie­do­miesz­ko­wa­nego jodku cezu, jaki i próbki zawie­ra­jące w swo­jej struk­tu­rze tal (CsI: Tl), sód (CsI: Na), ind (CsI: In) oraz brom (CsI: CsBr). Ana­li­zie pod­da­wane są impulsy świetlne scyn­ty­la­cji tych mate­ria­łów z wyszcze­gól­nie­niem kom­po­nen­tów skła­da­ją­cych się na błysk świetlny. Mno­gość wystę­pu­ją­cych kom­po­nen­tów świad­czy o kom­plek­so­wo­ści pro­ce­sów zacho­dzą­cych wewnątrz scyn­ty­la­tora. Duże zna­cze­nie wydaje się mieć obec­ność tzw. wol­nych skła­do­wych scyn­ty­la­cji, które w zna­czący spo­sób wpły­wają na mie­rzalne war­to­ści odpo­wie­dzi świetl­nej i ener­ge­tycz­nej zdol­no­ści roz­dziel­czej [5-8].

W ramach niniej­szych badań współ­pra­cu­jemy z grupą pro­fe­sora Ale­xan­dra Gek­tina z Insty­tutu Mate­ria­łów Scyn­ty­la­cyj­nych (ISMA) z Ukra­iny. W ISMA dokła­dają wszel­kich sta­rań, aby opra­co­wać tech­no­lo­gię wzro­stu wyso­kiej jako­ści homo­ge­nicz­nych krysz­ta­łów z grupy CsI: X o niskim stę­że­niu zanie­czysz­czeń. Ponadto współ­pra­cu­jemy z grupą pro­fe­sora Richarda Wil­liamsa z Wake Forest Uni­ver­sity (WF) i dok­tora Micha­ela May­hugh z Face­ted Deve­lop­ment (FD) – obie grupy z USA. Są Oni eks­per­tami w dzie­dzi­nie obli­cze­nio­wego mode­lo­wa­nia pro­ce­sów scyn­ty­la­cji.

Biblio­gra­fia:

[1] G. F. Knoll, Radia­tion detec­tion and measu­re­ment. Hobo­ken, N. J., John Wiley (2010).

[2] M. Moszyn­ski et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, 805 (2016) 25–35.

[3] W. Men­ge­sha et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., 45 (1998) 456-461.

[4] W. W. Moses et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., 59 (2012) 2038-2044.

[5] Z. Mia­now­ska et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, 914 (2019) 165-172.

[6] M. Moszyn­ski et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., 55 (2008) 1062-1068.

[7] A. Synt­feld-Kazuch et al., Radiat. Meas., 45 (2010) 377-379.

[8] M. Moszyn­ski et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., 63 (2016) 459-466.

Osoba pro­wa­dząca:

Mgr Zuzanna Mia­now­ska

Opie­ku­no­wie mery­to­ryczni pracy:

Prof. Dr hab. Marek Moszyń­ski

Dr Agnieszka Synt­feld-Każuch