Neuer Lithium-basierter Szintillatorkristall zum Nachweis von Strahlung kann zwischen Neutronen und Gammastrahlen unterscheiden

Sicherheitsbedenken bezüglich radioaktiver Materialien bestehen seit vielen Jahren. Flughäfen und andere öffentliche Orte setzen heute routinemäßig Strahlungsdetektoren ein, und Atomaufsichtsbehörden müssen in der Lage sein, die Konzentration subatomarer Teilchen wie Neutronen zu überwachen. Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung der Universität Tsukuba eine neue Methode zur Erkennung von Szintillationsstrahlung getestet, die auf Wellenlängeninformationen und nicht auf Wellenformen basiert.

In einer diesen Monat veröffentlichten Studie in Fortschritte der Theoretischen und Experimentellen Physikzeigten Forscher der Fakultät für Reine und Angewandte Wissenschaften der Universität Tsukuba, wie Neutronen- und Gammastrahlenquellen anhand von Daten aus Szintillator-Emissionswellenlängen erkannt und unterschieden werden können.

Häufig werden hierfür sogenannte Szintillatoren verwendet. Das physikalische Prinzip der Szintillation ähnelt den bekannteren Arten von Glow-in-the-Dark-Phänomenen wie Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Bei normaler Fluoreszenz regt ein UV-Photon ein Elektron im Material an, das etwas Energie verliert, aber den Rest als sichtbares Photon wieder emittiert. Bei der Szintillation ist das einfallende Photon ein Röntgen- oder Gammastrahl, der eine viel höhere Energie hat, also stark genug ist, um das Elektron vollständig aus dem Atom zu schlagen. Wenn sich das System schließlich entspannt, wird ein UV- oder sichtbares Photon emittiert, das von anderer Elektronik erfasst werden kann.

Herkömmliche Szintillatordetektoren versuchen normalerweise, anhand der Wellenform des erzeugten Pulses zwischen Neutronen und Gammastrahlen zu unterscheiden. „Diese ältere Methode führte aufgrund der geringen Schwankungen in den Wellenformen normalerweise zu falschen Messwerten“, sagt Professor Takashi Iida, Hauptautor der Studie. Bei dem neuen Gerät identifizierten die Forscher die Art der Strahlung stattdessen anhand von Daten aus der Wellenlänge des Szintillationslichts.

In dieser Studie wurden Kristalle mit den Elementen Europium, Lithium, Calcium und Jod (Eu:LiCaI) mit sorgfältig kontrollierten Verunreinigungen hergestellt. Das im Szintillator erzeugte Licht wurde mit einem optischen Multipixel-Photonenzählersensor erfasst. Eine Neutronenquelle und eine Gammastrahlenquelle könnten dann basierend auf dem Ausgangssignalverhältnis des detektierten Lichts mit und ohne angewandten langwelligen Filtern unterschieden werden.

„Unsere wellenlängenbasierte Partikelidentifikationsmethode ist sehr vielseitig und kann auf andere Kristalle und Detektorsysteme angewendet werden“, sagt Professor Iida.

Zukünftige Experimente könnten eine Optimierung des Verhältnisses der Elemente im Kristall umfassen, was dazu beitragen könnte, die Zuverlässigkeit tragbarer Strahlungsüberwachungsgeräte zu verbessern. Diese Arbeit kann bei den Herausforderungen der Lokalisierung von Nuklearmaterial helfen und die Sicherheit gefährdeter Einrichtungen wie Flughäfen und Einkaufszentren verbessern.