Neutron do z iméter hologram LiNbO 3 :Fe kristályban

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

2. 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 neutronaktivációs kísérletek eredményeit, melyek a kristály egyéb komponenseinek esetleges felaktiválódása miatti zavaró hatásokra vonatkoznak.

3. 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.

4. 6Li (n,a) reakció:6Li + 1n  3T + 4 + 4.5 MeVA felszabaduló energia mozgási energiaütközések  vegyértékelektronok kerülnek a vezetési sávba

5. 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)

6. 1. ábra. Kongruens minta, 6 órás besugárzás

7. 2. ábra. Kongruens minta, 16 órás besugárzás

8. 3. ábra. Kvázisztöchiometrikus minta, 12.25 órás besugárzás

9. A számítások alapjai h= sin2(pdDn3 / (l cos q0)) (1) dn3 = - n33 r33dEsc / 2(2) dr = ere0KdEsc (3) ahol h a diffrakciós hatásfok, d a minta vastagsága, Dn3 az extraordinárius törésmutató modulációja, l a fény vákuumbeli hullámhossza, q0a nyalábok beesési szöge a kristályon kívül, dn3 az extraordinárius törésmutató modulációjának megváltozása, r33 az elektrooptikai tenzor komponense, dEsc a tértöltés megváltozása, dr a töltéssűrűség megváltozása, era kristály relatív sztatikus dielektromos állandója, e0a vákuum dielektromos állandója, K=2p/L a rács térfrekvenciája, és L a rácsállandó.

10. *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.

11. Sugárvédelmi és ellenőrző vizsgálatok Lehetséges 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.)

12. Konklúzió • A fotorefraktív rács valóban törlődik termikus neutronok elnyelődése során. • Ily módon 1.2  1010 cm-2 neutron fluens biztosan kimutatható. • A biztosan kimutatható érték 10 mm behatolási mélységre és merőleges beesésre vonatkozó ekvivalens személyi dózisban Hp(10, 0o) kifejezve kb. 160 mSv. • A mérések során figyelembe kellett venni a termikus sötéttörlődést [6]. (Ez a hatás kis nyomású száraz oxigénben való hőkezeléssel radikálisan csökkenthető.) • LiNbO3:Fe helyett monoizotópos 6LiNbO3:Fe kristályt használva a doziméter érzékenysége több mint egy nagyságrenddel javítható. • A kimutatási küszöb tovább csökkenthető a kristály összetétele, hőkezelése és a geometriai paraméterek optimalizálásával [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.

13. Köszönetnyilvánítás Hálásan 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. • Irodalom • I. Nee, K. Buse, F. Havermeyer, R. A. Rupp, M. Fally, and R. P. May, Phys. Rev. B 60, R9896 (1999). • F. Havermeyer, R. A. Rupp, D. W. Schubert, and E. Krätzig, Physica B 276, 330 (2000). • R. A. Rupp, Appl. Phys. A 55, 2 (1992). • R. A. Rupp, Opt. Mater.4,276 (1995). • M. Fally, Appl. Phys. B 75, 405 (2002). • M. A. Ellabban, G. Mandula, M. Fally, R. A. Rupp, andL. Kovács, Appl. Phys. Lett.78,844 (2001). • G. Mandula, R. A. Rupp, M. Balaskó, and L. Kovács, to be published