Új szcintillátort fejlesztettek a radioaktív sugárzás észlelésére az SZTE TTIK Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékén

Új, szcintillációs elven működő részecskedetektorról jelentettek be szabadalmat és publikáltak tanulmányt nemrég a Szegedi Tudományegyetem TTIK Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék és a debreceni Atommagkutató Intézet kutatói. A munka részleteit a publikációt jegyző kutatócsoport szegedi tagjai, Dr. Janáky Csaba egyetemi docens és Dr. Samu Gergely Ferenc tudományos munkatárs foglalta össze.

Az egyetem honlapján azt írják, hogy a szcintillátorok olyan anyagok, amelyek a nagy energiájú sugárzást hatékonyan nyelik el és alakítják át detektálható fényimpulzusokká, vagyis rövid, gyors felvillanásokkal jelzik, ha felületüket töltött részecskék érik. Az új részecskedetektorhoz Dr. Janáky Csaba és munkatársai 3 éves kutatással cézium-réz-halogenid típusú perovszkitokból fejlesztettek szcintillátort, amelyet az ATOMKI laboratóriumában teszteltek különféle, többek között maghasadásból, radioaktív bomlásból származó részecskék detektálására.

A CÉL EGY JÓ HATÉKONYSÁGÚ, ALACSONY ELŐÁLLÍTÁSI KÖLTSÉGŰ RÉSZECSKEDETEKTOR ELKÉSZÍTÉSE VOLT

Mint kiderült, a cél egy jó hatékonyságú, kis méretű, alacsony előállítási költségű részecskedetektor elkészítése volt, amelyet radioaktív anyagok észlelésére is lehet használni. Az eszköz így kísérleti berendezésekben, az űrkutatásban vagy akár az atomerőművek céljaira is felhasználhatóvá válik. Az Advanced Functional Materials folyóiratban közölt tanulmány különböző cézium-réz-halogenid összetételű perovszkitok nagy energiájú sugárzás hatása alatt tapasztalt viselkedését írja le. A közlemény közvetlen előzménye, hogy Dr. Janáky Csaba kutatócsoportja néhány évvel ezelőtt a napelemek új generációjában már használt perovszkit szerkezetű anyagokat kezdte vizsgálni, ugyan teljesen más céllal.

ÚJ IRÁNYT VETT A KUTATÁS

A perovszkit családnak számos természetben is megtalálható tagja van, azonban a jelenleg napelemekben használtak laboratóriumokban előállított szintetikus anyagok. Ezek közül a szegedi kutatók egy akkor még kevéssé vizsgált anyaggal, a cézium-réz-jodiddal kezdtek foglalkozni. A kutatás kezdeti szakaszában még azzal a céllal, hogy fotoelektródként felhasználják, vagyis fény megvilágítás hatásra elektrokémiai kontroll alatt kémiai átalakulást érjenek el a felületén. A vizsgált anyagról azonban kiderült, hogy rossz elektródanyag lesz, ellenben rutin vizsgálatok során megmutatkoztak ígéretes radiolumineszcens tulajdonságai. Így az anyagcsaláddal kapcsolatos kutatás teljesen más irányt vett.

IZGALMASNAK TARTOTTÁK AZ ÚJ ANYAG TULAJDONSÁGAIT

Mint kiderült, az új anyagcsaládra Dr. Janáky Csaba egy debreceni látogatás alkalmával még a projekt előtt hívta fel az Atommagkutató Intézet munkatársainak figyelmét. A debreceni kutatók részecskedetektáló kísérleti berendezéseikhez izgalmasnak tartották az új anyag tulajdonságait. Az így kialakult kutatásnak nemzetközi jelentőséget is adott, hogy a cézium-réz-halogenid típusú perovszkitok felhasználását a töltéssel rendelkező részecskék detektálására a két csoport közös publikációja írta le először.

“Az általunk vizsgált perovszkitok fényre aktív anyagok; megvilágítva elnyelik a fény energiáját, ez pedig elektronokat gerjeszt bennük. A gerjesztett elektronok a félvezető anyag vegyértéksávjából átlépnek a vezetési sávba, mely folyamat során a vegyértéksávban pozitív töltésű elektronlyukak maradnak. A folyamat során így elektron-lyuk párok keletkeznek az anyagban. A perovszkitok alkalmazása aszerint lehet más és más, hogy ezeknek az elektron-lyuk pároknak mi a további sorsa. Ha az elektron-lyuk párokat könnyű szétválasztani, akkor az anyagból jó elektródok vagy napelemek lehetnek. Ha pedig nehéz, akkor fényemissziós tulajdonságaikat érdemes vizsgálni, mert ilyenkor a felszabaduló elektron-lyuk párok hajlamosak a rekombinálódásra, miközben energiát adnak le, és ez fénykibocsátással jár” – mondta Dr. Janáky Csaba, aki hozzátette, hogy az általuk előállított perovszkit vékonyrétegek kedvező tulajdonsága, hogy nem érzékenyek a gamma sugárzásra. Ez a nagy energiájú elektromágneses sugárzás a kozmikus sugárzás részeként jelentkezik, mely magas „alapjelet” okozna az űrben használt részecskedetektorokban, ami rontaná a töltéssel rendelkező részecskék (elektronok, protonok, a-részecskék) észlelését.

A SZABADALOM VERSENYKÉPESSÉGÉNEK KULCSA

A legjobb hatékonyságú szcintillátor anyag megtalálása egyben a szabadalom versenyképességének kulcsa is. Az SZTE kutatói elmondták, jelenleg kétféle szcintillátortípus fejlesztése és használata folyik az anyagtudományban. A hagyományos egykristály szcintillátorokban nagyméretű, költséges, hetekig növesztett, szabályos kristályokkal dolgoznak; ezekben jól lehet azonosítani a beérkező részecske energiáját, de nagyon lassúak a kiváltott fényvillanások. A másik végletet az elmúlt 20-30 évben kutatott műanyag alapú vékonyrétegek jelentik, amelyek viszont éppen fordítva, nagyon gyors felvillanást eredményeznek, de nincs megfelelő energiafelbontásuk. “A perovszkit anyagcsaláddal a kettő között kínálunk megoldást. A szabadalmi bejelentésünk egy olyan új szcintillátor-koncepcióra vonatkozik, amely mindkét tulajdonságot elegendően jól tudja, és ugyanakkor könnyen elkészíthető, kis méretben használható. Azokat az alkalmazási területeket célozzunk meg, amelyekre sem a vékony műanyag, sem az egykristály nem jó” – közölte Dr. Janáky Csaba.

TOVÁBB FOLYTATÓDIK AZ ÚJ ÖSSZETÉTELŰ RÉSTEGEK KÉSZÍTÉSE

Ezalatt a Szegedi Tudományegyetem TTIK Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének laboratóriumában tovább folytatódik az új összetételű rétegek készítése. Dr. Samu Gergely Ferenc tudományos munkatárs, a publikáció egyik szerzője elmondta, hogy egy általuk kifejlesztett rétegkészítési eljárást használnak. Számukra éppen az a kihívás, hogy több 10 mikrométeres polikristályos rétegeket állítsanak elő, szemben a napelemes technológiához használt 400-500 nm vékony rétegekkel.

A kutatókkal készített teljes interjút itt olvashatod el.