Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych opracowują nowy typ detektorów, które potrafią jednocześnie rozpoznawać różne rodzaje promieniowania. Dzięki zastosowaniu kompozytowych scyntylatorów możliwe będzie dokładniejsze i szybsze mierzenie promieniowania, co ma znaczenie m.in. w medycynie i ochronie radiologicznej.

Detektory scyntylacyjne znajdują szerokie zastosowanie w obszarach, w których istotne jest wykrywanie promieniowania jonizującego. Ich popularność wynika m.in. z wysokiej efektywności detekcji oraz możliwości użycia w pomiarach w czasie rzeczywistym. W praktyce detektory pracują często w polu promieniowania mieszanego, gdzie jednocześnie występuje promieniowanie α, β i γ. Dokładne zbadanie takiego pola wymaga więc od detektora zdolności jednoczesnej rejestracji i separacji różnego rodzaju promieniowania, co dla pojedynczego materiału detekcyjnego pozostaje dużym wyzwaniem.

Możliwością, która zwróciła uwagę badaczy na całym świecie, jest stworzenie detektora złożonego z kilku warstw scyntylacyjnych, przy czym badane struktury zawierają bazowy materiał scyntylacyjny o większej objętości, na którym hodowana jest cienka warstwa innego scyntylatora. Takie rozwiązanie pozwala na rozróżnianie cząstek promieniowania w zależności od ich zasięgu w danej warstwie scyntylacyjnej. – Cząsteczki promieniowania α oraz β o niskiej energii nie są przenikliwe, zatrzymują się więc głównie w pierwszej warstwie scyntylatora kompozytowego. Promieniowanie o większej energii, zwłaszcza γ, przenika dalej, więc wykrywamy je w dalszych warstwach, głównie w bazowym scyntylatorze, czyli podłożu. Warstwy kompozytowego scyntylatora charakteryzują się różną odpowiedzią czasową (różnym zanikiem scyntylacji) podczas konwersji energii zdeponowanej w krysztale, co jest kluczowe w rozróżnianiu składowych promieniowania mieszanego pod względem kształtu impulsu świetlnego  – wyjaśnia dr Agnieszka Syntfeld-Każuch z Zakładu Fizyki Detektorów i Diagnostyki Plazmy NCBJ, pierwsza autorka nowej publikacji. Właściwości te pozwalają na stworzenie detektora, który skutecznie rozróżnia różne rodzaje promieniowania jonizującego rejestrowanego w tym samym czasie.

W nowej pracy badacze przyjrzeli się bliżej kompozytowym scyntylatorom, których bazę stanowił pojedynczy kryształ GAGG:Ce (granat gadolin-aluminium-gal domieszkowany cerem), substancja o znanych właściwościach scyntylacyjnych. Na bazę naniesiono metodą epitaksjalną z fazy ciekłej (liquid-phase epitaxy, LPE) warstwę TbAG (granatu terb-aluminium) wykazującą zupełnie inną odpowiedź na promieniowanie, którą dodatkowo domieszkowano jonami ceru oraz magnezu. Tak przygotowany dwuwarstwowy materiał połączono z fotopowielaczem, tworząc detektor promieniowania mieszanego.

Nowatorski detektor poddano testom, które miały określić zdolność do rozróżniania promieniowania w polu mieszanym. Do określenia właściwości kompozytowego scyntylatora posłużyły m.in. kompleksowe pomiary spektrometryczne, analiza kinetyki rozpadów scyntylacyjnych, czy metoda PSD (pulse-shape discrimination). – Nasza praca pokazała, że nowy scyntylator wykazuje różną odpowiedź w zależności od rodzaju promieniowania, może więc być skutecznym narzędziem do jednoczesnej detekcji i separacji promieniowania mieszanego. Dodatkowo w odróżnieniu od typowych łączonych „kanapkowych” scyntylatorów (typu phoswich) używanych do rozróżniania promieniowania α-γ lub neutron-γ, nasz materiał kompozytowy doskonale nadaje się do jednoczesnej detekcji trzech rodzajów promieniowania α, β i γ za pomocą scyntylatora o architekturze warstw epitaksjalnych – opowiada dr Abdellah Bachiri z Zakładu Fizyki Detektorów i Diagnostyki Plazmy NCBJ, współautor badań.

Kolejne etapy prac będą miały na celu wykorzystanie wielowarstwowych scyntylatorów do określenia dawek promieniowania mieszanego w zastosowaniach medycznych, m.in. w terapii BNCT. Dalsze badania tych materiałów mają także poprawić wydajność świetlną oraz sprawdzić ich przydatność w jednoczesnej rejestracji różnych kombinacji promieniowania o zmiennej energii. Już teraz jednak jest widoczny potencjał do wykorzystania nowych kompozytowych scyntylatorów w ochronie radiologicznej i dozymetrii.

Wyniki badań naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy i Centrum Onkologii w Bydgoszczy zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie naukowym Crystals: 
Syntfeld-Każuch A, Szczęśniak T, Bachiri A, Brylew K, Gorbenko VI, Zorenko T, Syrotych Y, Sidletskiy O, Zorenko Y. Characterization of Novel Composite Scintillators Based on the Epitaxial Structures of TbAG:Ce/GAGG:Ce and TbAG:Ce,Mg/GAGG:Ce Garnets in Mixed Radiation Fields. Crystals. 2026; 16(4):230. https://doi.org/10.3390/cryst16040230