Des cristaux de fluorure de lithium ont récemment été utilisés pour enregistrer les traces de particules nucléaires. Des physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie viennent de démontrer que ces cristaux sont également idéaux pour détecter les traces d'ions de haute énergie d'éléments même aussi lourds que le fer.

Lorsqu'une particule nucléaire pénètre dans un cristal, il interagit avec les atomes ou les molécules de son réseau cristallin. Dans certains cristaux et dans les conditions appropriées, le défaut qui en résulte peut être une source de faible lumière—luminescence. À l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, des recherches sont menées sur des matériaux présentant ce type de propriétés depuis de nombreuses années. L'un d'eux est le fluorure de lithium LiF. Ses cristaux ont récemment été utilisés pour détecter des particules de faible énergie telles que les particules alpha (noyaux d'hélium). Dans leur dernière publication dans le Journal de la luminescence , les physiciens basés à Cracovie montrent que le champ d'application du fluorure de lithium s'étend également à la détection de particules d'énergies importantes et inclut même des ions d'éléments lourds comme le fer 56Fe, complètement dépourvu d'électrons.

« Les détecteurs de traces au fluorure de lithium sont simplement des cristaux. Contrairement aux dispositifs de détection qui surveillent les traces de particules en temps quasi réel, ce sont des détecteurs passifs. En d'autres termes, ils fonctionnent comme un film photographique. Une fois les cristaux exposés au rayonnement, nous devons utiliser un microscope à fluorescence pour savoir quelles pistes nous avons enregistrées, " déclare le Pr Pawel Bilski (FIJ PAN).

Les détecteurs de traces nucléaires fluorescents sont connus depuis une dizaine d'années. Jusque là, ils ont été fabriqués uniquement à partir d'Al dopé de manière appropriée 2 O 3 cristaux d'oxyde d'aluminium dans lesquels, sous l'influence des radiations, des centres de couleurs permanents sont créés. De tels centres, lorsqu'il est excité par une lumière d'une longueur d'onde appropriée, émettent des photons (de plus faible énergie) qui permettent de voir la trace d'une particule au microscope. Dans le cas du fluorure de lithium, l'excitation est réalisée avec de la lumière bleue et l'émission de photons a lieu dans le domaine rouge.

"Les détecteurs avec de l'oxyde d'aluminium dopé nécessitent un microscope confocal coûteux avec un faisceau laser et un balayage. Les traces dans les cristaux de fluorure de lithium peuvent être vues avec un beaucoup moins cher, microscope fluorescent standard, " explique le Pr Bilski et souligne :" Les traces enregistrées dans les cristaux reproduisent très fidèlement le trajet d'une particule. autres détecteurs, comme la célèbre chambre Wilson, élargir généralement la piste. Dans le cas des cristaux de LiF, la résolution n'est limitée que par la limite de diffraction."

Alors que l'impossibilité d'observer les traces de particules en temps quasi réel est difficile à qualifier d'avantage, cela ne doit pas toujours être un inconvénient. Par exemple, en dosimétrie personnelle, des détecteurs sont nécessaires pour déterminer la dose de rayonnement à laquelle l'utilisateur a été exposé. Ces appareils doivent être petits et faciles à utiliser. Les plaques millimétriques de fluorure de lithium cristallin répondent parfaitement à cette exigence. C'est l'une des raisons pour lesquelles ces cristaux, cultivée par la méthode Czochralski dans le IFJ PAN, se trouve désormais dans le module européen Columbus de la Station spatiale internationale, parmi de nombreux autres types de détecteurs passifs. Remplacé tous les six mois au sein de l'expérience DOSIS 3-D, les détecteurs permettent de déterminer la répartition spatiale de la dose de rayonnement au sein de la station et sa variabilité dans le temps.

Lors des dernières recherches, des plaques de fluorure de lithium cristallin ont été exposées à des ions de haute énergie. L'irradiation a été réalisée dans l'accélérateur HIMAC de la ville japonaise de Chiba. Pendant le bombardement avec divers faisceaux d'ions, les énergies des particules allaient de 150 mégaélectronvolts par nucléon dans le cas des ions hélium 4He à 500 MeV/nucléon dans le cas des ions fer 56Fe. Les détecteurs ont également été irradiés avec des ions carbone 12C, Faisceaux de néon 20Ne et de silicium 28Si.

"Dans les plaques de cristal placées perpendiculairement au faisceau d'ions, nous avons observé pratiquement des sources lumineuses ponctuelles d'une taille à la limite de la résolution optique d'un microscope. Ce sont les endroits où l'ion de haute énergie a percé le cristal, " explique le Pr Bilski. " Dans le cadre des tests, certaines des plaques ont également été placées parallèlement à la poutre. La probabilité d'enregistrer une piste était alors plus faible, mais quand c'est arrivé, un long fragment de la trace de la particule était « imprimé » dans le cristal. »

Les tests effectués confirment que les détecteurs de piste au fluorure de lithium sont idéaux pour enregistrer le passage d'ions lourds à haute énergie. En outre, il semble que ce ne soient pas les seules possibilités des cristaux de LiF. Tout autre atome dans leur intérieur est du lithium, qui interagit très bien avec les neutrons. Détecteurs de fluorure de lithium, notamment ceux enrichis en isotope lithium 6Li, permettra probablement un enregistrement très efficace des neutrons de basse énergie, et il y a beaucoup à indiquer que aussi ceux d'une énergie plus élevée. Si de futures études confirment cette hypothèse, il sera possible de construire des dosimètres personnels à neutrons. La petite taille des cristaux de LiF permettrait également des applications techniques intéressantes qui sont aujourd'hui technologiquement inaccessibles. Des détecteurs de traces LiF pourraient être utilisés, par exemple, pour étudier les particules secondaires formées autour du faisceau de protons primaire produit par les accélérateurs utilisés en médecine pour lutter contre le cancer.