A debreceni ELKH Atommagkutató Intézet (ATOMKI) és a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) kutatói a radioaktív sugárzás mérésére alkalmas ásványcsalád, a perovszkitok tulajdonságait vizsgálták. Céljuk, hogy ezek felhasználásával a mérési pontosság megtartása mellett miniatürizált detektorokat fejlesszenek ki, többek között az űrkutatás, az atomerőművek és a fúziós reaktorok speciális mérési feladatai számára. Kutatási eredményeiket a rangos Advanced Functional Materials tudományos szakfolyóiratban közölték. A vizsgált perovszkitok felhasználásával készült detektorok alkalmazására nemzetközi szabadalmi beadvány is született.
A folyóirat jelen cikkhez kapcsolódó belső borítóképe a sugárzást detektáló perovszkit kristállyal
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 izgatottan figyelték és számlálták a szcintillátoranyaggal bevont ernyőn felvillanó gyenge fényjeleket.
Napjainkban is széles körben alkalmaznak szcintillációs detektorokat egyszerűségüknek és nagy időmérési pontosságuknak köszönhetően. Ehhez megfelelő anyagból átlátszó egykristályokat növesztenek, amelyek mérete az adott igényhez igazítva változhat a millimétertől akár a deciméterekig. A kristályban történő felvillanásokat a köré helyezett fényérzékelő elektronikai egységek figyelik. A begyűjtött jelek alakjából következtetni lehet a detektált részecske fajtájára, nagyságából pedig a részecske energiájára. 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. Az ATOMKI és az SZTE kutatói e célból kezdték el vizsgálni a mostanában egyre nagyobb népszerűségnek örvendő kristályos anyag, a perovszkit tulajdonságait. Távolabbi tervük a hagyományos szcintillációs detektorokkal versenyképes eszközök kifejlesztése.
A Cs3Cu2I5 perovszkit kristályrács térbeli szerkezete
A perovszkit szó nem egyetlen ásványt jelöl, hanem egy meghatározott szerkezettel bíró, négyszáznál több taggal rendelkező ásványcsaládot. Ezek közül a magyar kutatók a rézalapú CsCu2X3 és Cs3Cu2X5 (ahol az X lehet klorid, bromid vagy jodid ion) perovszkitok szcintillációs tulajdonságait tanulmányozták, és rendkívül biztató eredményekre jutottak, 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 rézalapú perovszkitokból egy általuk kifejlesztett rétegkészítési eljárással vékonyrétegeket állítottak elő. Az elkészült vékonyréteg vastagsága a hajszáléval összemérhető, felülete viszont bármekkora lehet. Az ATOMKI kutatói megvizsgálták, hogy az előállított rétegekben különféle fajtájú és energiájú részecskesugárzások hatására milyen fénykibocsátás történik. Külön vizsgálat tárgya volt, hogy a perovszkit vékonyréteg hogyan tudja elviselni az extrém körülményeket és a réteget érő intenzív részecskezáport. A kisméretű detektoroknak ugyanis hőmérséklet és nyomás tekintetében egyaránt bírniuk kell mind a nagyon alacsony (világűr), mind a nagyon magas (reaktorok belseje) értékeket. Az idő előrehaladtával a detektor érzékenysége és hatásfoka pedig nem csökkenhet jelentősen az addig detektált részecskék károsító hatása miatt.
A Cs3Cu2I5 perovszkit vékonyréteg fényképe 365 nm-es UV fénnyel megvilágítva
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 bíznak abban, hogy a szcintillátorként korábban még nem alkalmazott anyag új szerepében kiválóan teljesít majd, és megfelelhet az űrkutatás, az atomerőművek vagy akár a fúziós reaktorok szigorú követelményeinek, továbbá hasznosnak bizonyul a környezeti sugárbiztonság területén is. Használatára főként ott lehet szükség, ahol mikroszkopikus mennyiségű radioaktív anyag megbízható azonosítására van szükség a zavaró háttérsugárzások tengerében.