Portal informacyjny
Nauki ścisłe
Pożytki z przetrzymywania elektronów w pułapkach
Obiecujące wyniki eksperymentów oraz symulacji komputerowych przeprowadzonych przez prof. dr hab. Alicję Chruścińską oraz dr. Marcina E. Witkowskiego z Instytutu Fizyki UMK są jednym z tematów najnowszego wydania wysoko punktowanego czasopisma "Measurement".
W artykule "Thermal trap stability determined by the pulse annealing experiments with variable heating rates" prof. Alicja Chruścińska oraz dr Marcin E. Witkowski zaprezentowali wyniki testów metody służącej do badania optycznie stymulowanej luminescencji (OSL) kryształów. Należy wyjaśnić, że sygnał OSL odpowiada wielkości dawki promieniowania jądrowego zaabsorbowanego przez próbkę kryształu zwaną dozymetrem. Jest wykorzystywany w dozymetrii promieniowania jądrowego oraz w datowaniu luminescencyjnym. Dokładny pomiar dawki promieniowania jądrowego jest istotny dla zachowania bezpieczeństwa osób narażanych na to promieniowanie rutynowo w pracy, np. osób zajmujących się radiologią i radioterapią. Nie mniej ważny jest także w przypadku badania skutków wypadków jądrowych mogących oddziaływać na ludzi i środowisko naturalne. W datowaniu dawka zaabsorbowana przez ziarna minerałów określona za pomocą sygnału OSL służy m.in. do wyznaczania wieku osadów geologicznych, co jest fundamentem badań zmian klimatu w czasie ostatnich setek tysięcy lat.
Prof. Chruścińska oraz dr Witkowski przeprowadzili testy metody badania OSL za pomocą komputerowych symulacji – przyjrzeli się procesom zachodzącym w dozymetrze w czasie pomiarów. Wykonali także eksperymenty dla wybranych próbek, sprawdzając dokładność określanych parametrów dla różnych przypadków komplikujących przebieg pomiaru.
Pułapki elektronowe
Promieniowanie jądrowe przechodzące przez kryształ ma zdolność wybijania elektronów z atomów sieci krystalicznej. Elektrony, poruszając się w krysztale, szybko tracą uzyskaną energię i w większości powracają do stanów wyjściowych. Część swobodnych elektronów jest zatrzymywana przez obecne zwykle w krysztale niedoskonałości sieci, które tworzą stany elektronowe zwane pułapkami. Pułapki pozwalają na wykorzystanie posiadających je materiałów do pomiarów dawki promieniowania jądrowego jako tzw. dozymetry pasywne. Podstawową wielkością określającą zakres przydatności w dozymetrii materiału, a w zasadzie obecnej w nim określonej pułapki, jest średni czas przebywania w niej uwięzionego elektronu.
W zależności od fizycznych właściwości pułapki elektron może przebywać w niej, w temperaturze pokojowej, od kilku minut do wielu milionów lat. W przypadku, gdy dozymetr jest używany do pomiaru dawki w kilka miesięcy po jej zaabsorbowaniu, np. w dozymetrii osobistej lub środowiskowej, czas przebywania elektronu w pułapce powinien przekraczać kilka lat – tłumaczy prof. Alicja Chruścińska z Instytut Fizyki UMK. – W datowaniu luminescencyjnym, w którym pomiaru dawki zaabsorbowanej w minerałach przez setki tysięcy lat używa się do wyznaczania wieku osadów geologicznych, czas życia elektronu w pułapce powinien wynosić kilka milionów lat.
Symulacje i eksperymenty
Przechowywane w pułapkach elektrony są z nich uwalniane w kontrolowany sposób podczas pomiaru dawki metodami luminescencyjnymi, następnie powracają do stanów, w których się znajdowały przed zaabsorbowaniem promieniowania przez dozymetr. Towarzyszy temu emisja światła, czyli luminescencja, którą badacze rejestrowali.
Intensywność mierzonego światła jest miarą dawki zaabsorbowanego promieniowania – wyjaśnia dr Marcin. E. Witkowski z Instytutu Fizyki UMK. – Czas życia elektronów w pułapkach określa czas, przez który można obserwować luminescencję związaną z nimi po zaabsorbowaniu promieniowania. Stąd wyznacza się go, analizując stabilność w czasie sygnału luminescencji. Jest to konieczne, zanim wykorzysta się sygnał luminescencyjny w dozymetrii lub datowaniu. Konsekwencją przeszacowania czasu życia elektronu w pułapce jest zaniżenie wartości określanej dawki promieniowania lub wieku.
Dokładność jest ważna
Istnieje wiele technik, które pozwalają dokładnie wyznaczać parametry, gdy w dozymetrze istnieje pojedynczy typ pułapek lub kilka typów, a których stabilności sygnału luminescencji różnią się między sobą na tyle, że można sygnały od różnych pułapek w pomiarach rozdzielić.
Dozymetry, szczególnie te wykorzystujące optycznie stymulowaną luminescencję (OSL), często są jednak źródłem złożonego sygnału, którego składowe związane z osobnymi typami pułapek mają na tyle zbliżoną stabilność, że trudno je w badaniach stabilności rozdzielić – tłumaczy dr Witkowski. – W takich przypadkach dokładne wyznaczenie parametrów pułapek jest sporym wyzwaniem.
Naukowcy z Instytutu Fizyki UMK w swojej publikacjach wykazali, że testowana metoda PA-VHR w takich właśnie sytuacjach prowadzi do wyznaczenia parametrów pułapek z dokładnością, która jest wystarczającą do bezpiecznego zastosowania badanych nią pułapek w dozymetrii.
