Radioaktív sugárzás mérésére alkalmas ásványcsalád, a perovszkitok tulajdonságait vizsgálták magyar kutatók. Céljuk a sugárzásdetektorok miniatürizálása a mérési pontosság megtartása mellett többek között az űrkutatás, az atomerőművek és a fúziós reaktorok igényeinek kielégítésére. A debreceni Atommagkutató Intézet (ATOMKI) és a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) kutatói az eredményeket a rangos Advanced Functional Materials című tudományos folyóiratban közölték. A vizsgált perovszkitok felhasználásával készült detektorok alkalmazására nemzetközi szabadalmi beadvány is született.

Életünk természetes része a radioaktív sugárzás, amelyet azonban érzékszerveinkkel nem érzékelünk. A radioaktivitás jelenségét 1896-ban fedezték fel. A sugárzások detektálására már a kutatások korai szakaszában előszeretettel használtak úgynevezett szcintillátoranyagokat, amelyek a beérkező részecskékre fényfelvillanással válaszolnak. Az első észlelések még elsötétített szobában, szabad szemmel történtek. A tudósok és segédeik árgus szemekkel figyelték és számlálták a szcintillátoranyaggal bevont ernyőn felvillanó gyenge fényeket, amelyek mind egy-egy részecske beérkezését jelentették.

Viszonylag egyszerű és olcsó megoldásként ma is széleskörben alkalmaznak szcintillációs detektorokat. Ehhez a megfelelő anyagból átlátszó egykristályokat növesztenek, amelyek mérete az adott igénynek megfelelően változhat a millimétertől akár a deciméterekig. A kristályban történő felvillanásokat a köré helyezett fényérzékelő elektronikai egységek figyelik. A begyűjtött jelek alakjából a detektált részecske fajtájára, nagyságából pedig a részecske energiájára lehet következtetni. Minél nagyobb a kristály, annál pontosabb információt nyújt a rajta áthaladó vagy benne elnyelődő részecskékről.

Bizonyos alkalmazások esetén azonban szükséges lenne, hogy a szcintillátoranyagból egészen apró detektort lehessen készíteni, ami kicsiny mérete ellenére is megbízható adatokat szolgáltat. Ezen cél elérése érdekében a debreceni Atommagkutató Intézet (ATOMKI) és a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) kutatói egy mostanság egyre nagyobb népszerűségnek örvendő kristályos anyag, a perovszkit tulajdonságait kezdték vizsgálni. Távolabbi tervük a hagyományos szcintillációs detektorokkal versenyképes eszközök kifejlesztése.

A perovszkit szó nem egyetlen ásványt jelöl, hanem egy meghatározott szerkezettel bíró, négyszáznál több taggal rendelkező ásványcsaládot. Ezek közül a magyar kutatók munkájuk során a CsCu₂X₃ és Cs₃Cu₂X₅ (ahol az X lehet Cl^-, Br^- vagy I^- ion) szcintillációs tulajdonságait tanulmányozták, és rendkívül biztató eredményeket kaptak, amelyekről az Advanced Functional Materials című tudományos folyóiratban számoltak be. Emellett a vizsgált perovszkitok felhasználásával készült detektorok alkalmazására vonatkozóan nemzetközi szabadalmi beadvány is született.

A kutatómunka során az SZTE szakemberei a fenti réz-alapú perovszkitokból vékonyrétegeket állítottak elő egy általuk kifejlesztett rétegkészítési eljárással. Az elkészült vékonyréteg vastagsága a hajszáléval összemérhető, felülete gyakorlatilag bármekkora lehet. Az ATOMKI kutatói megvizsgálták, hogy az előállított rétegekben milyen fénykibocsátás történik különféle fajtájú és energiájú részecskesugárzások hatására. Külön vizsgálat tárgya volt, hogy a perovszkit vékonyréteg hogyan tudja elviselni az extrém körülményeket és az őt érő részecskezáport. A kisméretű detektoroknak ugyanis bírni kell hőmérséklet és nyomás tekintetében mind a nagyon alacsony (Világűr), mind a nagyon magas (reaktorok belseje) értékeket. Az idő előrehaladtával pedig nem csökkenhet jelentősen a detektor érzékenysége és hatásfoka az addig detektált részecskék károsító hatása miatt.

A vizsgálatok eredményei szerint a vékonyrétegű perovszkitok alkalmasak töltött részecskék detektálására, ugyanakkor érzéketlenek a gamma-sugárzással szemben, ami bizonyos mérési körülmények között kifejezetten előnyös. A kutatók remélik, hogy a szcintillátorként korábban még nem alkalmazott anyag új szerepében kiválóan teljesít majd, és kielégítheti az űrkutatás, az atomerőművek vagy akár a fúziós reaktorok szigorú követelményeit, továbbá hasznosnak bizonyul a környezeti sugárbiztonság területén is. Használata főként ott merülhet fel, ahol mikroszkopikus mennyiségű radioaktív anyag megbízható azonosítására van szükség a zavaró háttérsugárzások tengerében.

• Eredeti tudományos közlemény: Scintillator of Polycrystalline Perovskites for High-Sensitivity Detection of Charged-Particle Radiations,
  Advanced Functional Materials 2022, 32, 2206645

Kattintson a képekre a megtekintéshez.

1. kép: A Cs₃Cu₂I₅ perovszkit vékonyréteg fényképe 365 nm-es UV fénnyel megvilágítva.
2. kép: A Cs₃Cu₂I₅ perovszkit kristályrács térbeli szerkezete.
3. kép: A folyóirat jelen cikkhez kapcsolódó belső borítóképe a sugárzást detektáló perovszkit kristállyal