Świetlana przyszłość detektorów scyntylacyjnych

Prawdopodobnie już za kilka lat na rynku pojawią się detektory scyntylacyjne nowej generacji, zdolne do rejestrowania promieniowania jonizującego z bardzo dobrą rozdzielczością energetyczną. Zapowiedzią zbliżającego się przełomu są wyniki najnowszych badań nad kryształami jodku cezu domieszkowanego talem, przeprowadzonych w Zakładzie Fizyki Detektorów i Diagnostyki Plazmy w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku.

Za jonizowanie materii odpowiadają cząstki i fotony niosące energie od kilku elektronowoltów do wartości większych o wiele rzędów wielkości. To bardzo szerokie spektrum energii powoduje, że precyzyjne rejestrowanie promieniowania jonizującego nie należy do zadań łatwych. Wśród przyrządów obecnie używanych w tym celu wyróżniają się detektory scyntylacyjne. W tych urządzeniach nikłe błyski światła, które pod wpływem promieniowania jonizującego wytwarzane są w kryształach zwanych scyntylatorami, wzmacniane są w zintegrowanych z nimi fotopowielaczach. W Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku, w zespole stworzonym i kierowanym przez zmarłego pod koniec grudnia 2022 r. prof. dr. hab. inż. Marka Moszyńskiego, właśnie zakończono serię badań podstawowych nad przyrządami z kryształami jodku cezu domieszkowanego talem. Rezultaty pomiarów, pod pewnymi względami zaskakujące, tworzą doświadczalny fundament pod budowę nowej generacji detektorów scyntylacyjnych.

Związany z ośrodkiem w Świerku od 1962 roku, prof. Marek Moszyński był wybitnym, wysoko cenionym na świecie specjalistą w badaniach nad detekcją i spektroskopią promieniowania jonizującego. Należał do zespołu naukowców i inżynierów LETI w Grenoble, który na początku lat 80. ubiegłego wieku skonstruował pierwszy tomograf pozytonowy, jedno z najważniejszych urządzeń współczesnej medycyny. Innym osiągnięciem prof. Moszyńskiego było odkrycie szybkiej składowej impulsu świetlnego fluorku baru, co umożliwiło budowę przyrządów do rejestrowania sygnałów świetlnych z nanosekundową rozdzielczością czasową. W ostatnich latach prof. Moszyński zajmował się głównie charakteryzowaniem nowych fotodetektorów oraz praktycznym wykorzystaniem technik scyntylacyjnych. Za swoje osiągnięcia otrzymał liczne odznaczenia państwowe i naukowe, m.in. prestiżową nagrodę Glenn Knoll Radiation Instrumentation Outstanding Achievement Award, przyznawaną przez światową organizację IEEE Nuclear and Plasma Science Society.

W zespole prof. Moszyńskiego badania nad ulepszaniem detektorów scyntylacyjnych z użyciem kryształów jodku cezu domieszkowanego talem przeprowadziła dr Zuzanna Mianowska.

„Scyntylatory umożliwiają konwersję energii padających na nie cząstek lub fotonów na znacznie mniejsze energie emitowanych przez siebie fotonów” - mówi dr Mianowska. „Praktyczny zysk tkwi tu w fakcie, że takie niskoenergetyczne fotony, z zakresu światła widzialnego lub jego okolic, potrafimy wykrywać ze stosunkowo dużą wydajnością za pomocą klasycznych fotopowielaczy czy fotodetektorów półprzewodnikowych”.

Kariera scyntylatorów jako detektorów promieniowania jonizującego rozpoczęła się w 1909 roku, gdy pochodzący z Bydgoszczy młody niemiecki fizyk Erich Regener po raz pierwszy wyznaczył dokładną wartość elementarnego ładunku elektrycznego, zliczając pod mikroskopem błyski światła wzbudzone w krysztale siarczku cynku przez cząstki alfa emitowane z polonu, pierwiastka odkrytego przez Marię Skłodowską-Curie i Piotra Curie (co ciekawe, Amerykanin Robert Millikan za kilka lat późniejszy i mniej dokładny pomiar ładunku elementarnego, wykonany bez użycia scyntylatorów, otrzymał Nagrodę Nobla!).

„Dziś urządzenia korzystające ze scyntylatorów należą do najpopularniejszych rejestratorów promieniowania jonizującego” – wyjaśnia młoda badaczka. „Na trwałe zagościły w detektorach wykrywających promieniowanie powstające podczas zderzeń cząstek w akceleratorach, w tym w Wielkim Zderzaczu Hadronów. W życiu codziennym spotykamy je na granicach i lotniskach, gdzie pracują w skanerach bagaży, kontenerów i pojazdów, a nawet w urządzeniach antyterrorystycznych służących do monitorowania przewozu materiałów wybuchowych czy radioaktywnych”.

Na szczególne podkreślenie zasługuje rola scyntylatorów w medycynie. Kryształy scyntylacyjne są bowiem kluczowym elementem detekcyjnym wspomnianych emisyjnych tomografów pozytonowych. To właśnie dzięki nim możliwy jest kluczowy etap procesu obrazowania: precyzyjna rejestracja czasu przelotu anihilacyjnych par kwantów gamma, emitowanych z radioaktywnych znaczników wprowadzonych do ciała pacjenta.

W dążeniu do udoskonalania detektorów scyntylacyjnych, badacze z ośrodka w Świerku skoncentrowali się na kryształach jodku cezu, scyntylatora cieszącego się popularnością już od lat 50. ubiegłego wieku. Okazało się, że po odpowiednim domieszkowaniu talem materiały te mają znakomitą odpowiedź świetlną: nawet niska energia promieniowania jonizującego prowadzi do emisji stosunkowo dużej liczby fotonów.

Aby detektor scyntylacyjny mógł być używany na przykład do ustalania składu chemicznego substancji przewożonych w pojazdach, znajdujący się w nim kryształ powinien pozwalać na precyzyjne rozróżnianie wartości energii promieniowania jonizującego pobudzającego go do świecenia. Niestety, w przeliczeniu na jednostkę zdeponowanej w krysztale energii, większość współczesnych scyntylatorów emituje inną liczbę fotonów dla niskich, a inną dla dużych energii promieniowania jonizującego. Zjawisko jest znane jako efekt nieproporcjonalności i we współczesnych detektorach musi być sztucznie korygowane. Jest to możliwe, ponieważ kryształ scyntylatora to obecnie tylko jedna część całego urządzenia pomiarowego. Drugą, nie mniej ważną, jest fotodetektor rejestrujący emitowane światło. Jego działanie także trzeba optymalizować i dopasowywać do właściwości danego kryształu.

„Dotychczas przy mierzeniu właściwości materiałów scyntylacyjnych w trakcie rejestracji impulsów świetlnych stosowano stałe bramki czasowe, co było konsekwencją używania układów analogowych” – mówi dr Mianowska. „My pracowaliśmy z układem cyfrowym, dlatego zdecydowaliśmy się na wprowadzenie bramek czasowych dynamicznie dopasowanych do energii rejestrowanego kwantu gamma. Jak się okazało, w tak zbudowanych detektorach efekt nieproporcjonalności praktycznie znika!”.

Badania zrealizowane przez dr Mianowską mają charakter podstawowy i nim wykorzystujące je przyrządy scyntylacyjne trafią na rynek, musi upłynąć jeszcze kilka lat. Jednak możliwość wyeliminowania efektu nieproporcjonalności uprawnia do stwierdzenia, że będzie wtedy można mówić o nowej generacji scyntylacyjnych detektorów promieniowania jonizującego.

PUBLIKACJE NAUKOWE: „Badania energetycznej zdolności i nieproporcjonalnej odpowiedzi świetlnej scyntylatora Csl:TI w oparciu o spektrometrię cyfrową”; Z. Mianowska, praca doktorska, Świerk, 2022
https://old.ncbj.gov.pl/dokument/badania-energetycznej-zdolnosci-nieprop...

ILUSTRACJE:
Góra: Kryształ scyntylacyjny jodku cezu domieszkowanego talem, prezentowany przez dr Zuzannę Mianowską z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. (Źródło: NCBJ)
Środek. Prof. dr hab. Marek Moszyński z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku przy aparaturze pomiarowej. (Źródło: NCBJ)
Dół: Dr Zuzanna Mianowska z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku podczas pomiarów parametrów kryształu jodku cezu domieszkowanego talem. (Źródło: NCBJ)