Neutron doziméter hologram LiNbO3:Fe kristályban

Mandula Gábor1, Romano A. Rupp2, Balaskó Márton3 és Kovács László1

1MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet (SZFKI), 1121 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33.

2University of Vienna, Institute for Experimental Physics, Strudlhofgasse 4, A-1090 Vienna, Austria.

3KFKI Atomenergia Kutatóintézet (AEKI), 1121 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33.

Fizikus Vándorgyűlés, Szombathely, 2004. augusztus 24-27.

KivonatA fotorefraktív rácsnak egy újabb alkalmazási lehetőségét

mutatjuk be ebben a munkában. A kristályban jelenlévő 6Li atommagok termikus neutron befogási hatáskeresztmetszete igen nagy, több mint 900 barn. A neutron elnyelése a mag kettéhasadásával jár együtt, melynek során trícium és hélium magok keletkeznek kb. 4.5 MeV mechanikai energia felszabadulása mellett. A nagy sebességű magok energiájuk jelentős részével ütközések sorozata útján elektronokat gerjesztenek a vezetési sávba. Ezek az elektronok - épp úgy, mint a fotonok által gerjesztettek - törlik a kristályba fotorefrakció útján beírt holografikus rácsot (elemi hologramot). A törlődés mértékéből viszonylag nagy pontossággal meghatározható a gerjesztett elektronok száma, valamint egy kalibrációs függvény alapján az elnyelt termikus neutronok száma.

Poszterünkön bemutatjuk az ötletet alátámasztó első kísérleteket, az elektronok gerjesztési hatásfokára és a doziméter érzékenységére vonatkozó számításokat, valamint a neutron aktivációs kísérletek eredményeit, melyek a kristály egyéb komponenseinek esetleges felaktiválódása miatti zavaró hatásokra vonatkoznak.

Előzmények

A fotorefraktív hologramokat neutronszórással is vizsgálhatjuk [1, 2].

Ezen túlmenően neutron-holográfiát is meg lehet valósítani [3].

A látható fénnyel beírt holografikus rács neutronokra vonatkozó szórási hatását foto-neutronrefraktív hatásnak nevezzük [4, 5].

A lítium-tartalmú foto-neutronrefraktív anyagokban eddig csak mint zavaró hatást említették a 6Li-magokban elnyelődő termikus neutronokat.

6Li (n,) reakció:

6Li + 1n 3T + 4 + 4.5 MeV

A felszabaduló energia mozgási energia

ütközések vegyértékelektronok kerülnek a vezetési sávba

Rács beírása: kongruens LiNbO3:Fe (10-3 mol/mol)

5 x 1 x 4 mm, 5.6 m rácsállandó (2.50 beesési szög)

kéthullámkeverés, 488.0 nm lézer hullámhossznál

Diffrakciós hatásfok (632.8 nm-es kiolvasó lézernyalábbal): 18.3%

Neutron besugárzás 5.5 x 105 neutron/cm2/s fluxussal 6h

(1010 neutron /cm2)

A diffrakciós hatásfok 16.6%-ra csökkent (1. ábra)

Ez kb. a kimutatás alsó határa

Több más besugárzás 16 ill. 12 órán át: erőteljes hatásfokcsökkenés (2-3. ábra)

1. ábra. Kongruens minta, 6 órás besugárzás

2. ábra. Kongruens minta, 16 órás besugárzás

3. ábra. Kvázisztöchiometrikus minta, 12.25 órás besugárzás

= sin2( d n3 / ( cos )) (1)

n3 = - n33 r33 Esc / 2 (2)

rEsc (3)

ahol a diffrakciós hatásfok, d a minta vastagsága, n3 az extraordinárius törésmutató modulációja, a fény vákuumbeli hullámhossza, a nyalábok beesési szöge a kristályon kívül, n3 az

extraordinárius törésmutató modulációjának megváltozása, r33 az elektrooptikai tenzor komponense, Esc a tértöltés megváltozása, a töltéssűrűség megváltozása, ra kristály relatív sztatikus

dielektromos állandója, a vákuum dielektromos állandója,

K=2/ a rács térfrekvenciája, és a rácsállandó.

A számítások alapjai

Minta Fluens

(1010 cm-2)

Ekvivalens személyi dózis

Hp(10,0o) [mSv]

Elektron- gerjesztési hatásfok*

Kongruens 1.2 158 0.014 0.0015

Kongruens 3.17 420 0.035 0.00058

Kvázisztöch. 2.43 322 0.0051 0.00126

*Az általunk elektrongerjesztési hatásfoknak nevezett mennyiséggel azt a hányadost adjuk meg, amely megadja, hogy a fluensből, a hatáskeresztmetszetből és a 6Li kristálybeli sűrűségéből kiszámított mennyiségű neutron elnyelődése során felszabaduló teljes energia hányad része volna elegendő a legkönnyebben gerjeszthető elektronok (FeIII vegyértékelektronok) közül annyinak a vezetési sávba való juttatására, amennyi a mért diffrakciós hatásfokcsökkenést eredményezné.

Sugárvédelmi és ellenőrző vizsgálatokLehetséges probléma: más összetevők esetleges felaktiválódása

Lehetséges következmények:nehezebb kiértékelés, szigorúbb rendszabályok és magasabb technikai követelmények a kiértékelés során

Az ellenőrző vizsgálatokban használt fluens:1016 vegyes neutron / cm2 + sugárzás(A mintáinkkal mérhető tartomány 1010-1014 termikus neutron/cm2.)

Izotóp, bomlás T1/2 E A (th = 67min)

92mNb + + 10.1 d 934.6 keV 25 Bq90mY IT 3.19 h 202.5 és 479.2 keV 12 és 15 Bq56Mn - 2.58 h 846.8 keV 21Bq94mNb - 6.26 min 871.1 keV 4 Bq

+ annihiláció 1.8 h 511.0 keV 1600 Bq

Konklúzió1. A fotorefraktív rács valóban törlődik termikus neutronok

elnyelődése során.2. Ily módon 1.2 1010 cm-2 neutron fluens biztosan kimutatható.3. A biztosan kimutatható érték 10 mm behatolási mélységre és

merőleges beesésre vonatkozó ekvivalens személyi dózisban Hp(10, 0o) kifejezve kb. 160 mSv.

4. A mérések során figyelembe kellett venni a termikus sötéttörlődést [6]. (Ez a hatás kis nyomású száraz oxigénben való hőkezeléssel radikálisan csökkenthető.)

5. LiNbO3:Fe helyett monoizotópos 6LiNbO3:Fe kristályt használva a doziméter érzékenysége több mint egy nagyságrenddel javítható.

6. A kimutatási küszöb tovább csökkenthető a kristály összetétele, hőkezelése és a geometriai paraméterek optimalizálásával [7].

7. A besugárzás befejeződése után 1 nappal már csak akkor lehet a mintának veszélyes radioaktív sugárzása, ha azt a mérési tartományánál több nagyságrenddel nagyobb neutron fluens érte.

Irodalom1. I. Nee, K. Buse, F. Havermeyer, R. A. Rupp, M. Fally, and R. P. May,

Phys. Rev. B 60, R9896 (1999).2. F. Havermeyer, R. A. Rupp, D. W. Schubert, and E. Krätzig, Physica

B 276, 330 (2000). 3. R. A. Rupp, Appl. Phys. A 55, 2 (1992).4. R. A. Rupp, Opt. Mater. 4, 276 (1995).5. M. Fally, Appl. Phys. B 75, 405 (2002).6. M. A. Ellabban, G. Mandula, M. Fally, R. A. Rupp, and

L. Kovács, Appl. Phys. Lett. 78, 844 (2001).7. G. Mandula, R. A. Rupp, M. Balaskó, and L. Kovács, to be published

KöszönetnyilvánításHálásan köszönjük dr. Polgár Katalinnak, dr. Szaller Zsuzsannának és Matók Gyulának a kristálymintákat; dr. Simonits Andrásnak a neutronaktivációs méréseket és a sugárvédelmi tanácsokat; valamint a TéT Osztrák-Magyar Kormányközi Kutatás-Fejlesztési Együttműködés (ÖAD-WTZ, A-8/2003) és az OTKA T-047265 számú programja keretében kapott pénzügyi támogatásokat.