研究發現：氟化鋰晶體能夠「看到」高能重離子，可做成微型探測器

2020-10-18 博科園

氟化鋰晶體現在實現可以用來記錄核粒子的軌跡，波蘭科學院核物理研究所的物理學家最新證明，這些晶體也是探測元素高能離子軌跡的理想材料，即使像鐵一樣重的粒子。當核粒子進入晶體時，粒子與晶體網絡中的原子或分子相互作用。在某些晶體中，在適當的條件下，由此產生的缺陷可能是弱發光來源。波蘭科學院核物理研究所(IFJ PAN)，多年來一直在對顯示這種性質的材料進行研究，其中之一是氟化鋰LiF，氟化鋰晶體現在可以用來探測低能量粒子，如α粒子(氦核)。

在發表在《Journal of Luminescence》期刊上的研究中，物理學家們表明，氟化鋰的應用領域也延伸到了探測具有重要能量的粒子，甚至包括鐵（Fe）等重元素的離子，完全剝離了電子。氟化鋰軌跡探測器只是簡單的晶體，不同於監測顆粒近實時軌跡的檢測設備，它們是被動的探測器。換句話說，就像照相膠片一樣工作，一旦晶體暴露在輻射中，需要使用螢光顯微鏡來找出記錄了什麼軌跡，螢光核徑跡探測器已經為人所知大約十年了。但到目前為止，還僅由適當摻雜的Al2O3氧化鋁晶體製成，在輻射的影響下，形成永久的顏色中心。

當這些中心被適當波長的光激發時，會發出光子（能量較低），這使得在顯微鏡下看到粒子的軌跡成為可能。在氟化鋰的情況下，激發是用藍光進行，光子的發射發生在紅光範圍內。摻雜氧化鋁的探測器需要一臺帶有雷射束和掃描的昂貴共焦顯微鏡，而使用便宜得多的標準螢光顯微鏡可以看到氟化鋰晶體中的軌跡，記錄在晶體中的軌跡非常準確地再現了粒子路徑。其他探測器，如著名的威爾遜室，通常會加寬軌道，在氟化鋰晶體的情況下，解析度僅受衍射極限的限制。

雖然不可能近實時地觀察粒子的軌跡很難稱之為優勢，但它並不總是缺點。例如，在個體劑量測量中，需要探測器來確定用戶所暴露的輻射劑量，這些設備必須小並且易於使用，而毫米尺寸的結晶氟化鋰極板完美地滿足了這一要求。這就是為什麼在波蘭科學院核物理研究所中用Czochralski方法生長的這些晶體，現在可以在國際空間站歐洲哥倫布模塊以及許多其他類型被動探測器中找到的原因之一。在Dosis 3-D實驗中，每六個月更換一次，這些探測器使確定空間站內輻射劑量的空間分布及其隨時間的變化成為可能。

在新研究中，氟化鋰結晶板暴露在高能離子中，輻射是在HIMAC加速器中進行。在用不同的離子束轟擊過程中，粒子能量在4He氦離子情況下為150兆電子伏特/核子，在鐵離子情況下為500 MeV/核子。探測器還用碳離子，氖和矽束輻照。在垂直於離子束放置的水晶板中，顯微鏡的光學解析度邊界上實際觀察到了點光源，這些是高能離子穿透晶體的地方。作為測試的一部分，一些氟化鋰結晶平板也被放置在平行於光束的位置。記錄軌跡的概率當時較低，但當它確實發生時，粒子軌跡的一長段被「印記」在晶體中。

所進行的測試證實了氟化鋰軌跡探測器，是記錄高能重離子通過的理想選擇。此外，似乎這些並不是氟化鋰晶體的唯一可能，內部的每一個原子都是鋰，與中子的相互作用很好。氟化鋰探測器，特別是那些富含鋰同位素的探測器，可能會非常有效地記錄下低能量中子，而且有很多跡象表明，也有更高能量的中子。如果未來的研究證實了這一假設，就有可能建造個人的中子劑量計。氟化鋰晶體的小尺寸也將能運用到有趣的技術中，這在當今技術上是無法獲得的。

博科園｜研究/來自：波蘭科學院核物理研究所

參考期刊《Journal of Luminescence》

DOI: 10.1016/j.jlumin.2019.05.007

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