Sugárkárosodási vizsgálatok az MTA Atomkiban

Az MTA Atomki most folyó, űrkutatási célú projektjének fizikai hátterét és legfontosabb eredményeit ismertetjük.

Korábbi cikkünkben beszámoltunk arról, hogy a Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézetben (MTA Atomki) az űrkutatási célú sugárkárosodási vizsgálatok hátterének fejlesztése folyik. A 2013 májusában kezdődött és hat hónapig tartó URKUT_10-1-2011-0005 projekthez a Nemzeti Fejlesztési Ügynökség a Kutatási és Technológiai Innovációs Alapból (KTIA) adott támogatást. Jelen cikkünk röviden ismerteti a projekt fizikai hátterét és eredményeit.

Sugárkárosodáshoz vezető hatások a kozmikus környezetben

A világűrben és az űreszközök fedélzetén az űrhajósok és az űreszköz minden rendszere egyaránt ki van téve a sugárzási környezetben jelen levő nagyenergiájú elemi részecskék és atommagok (nehézionok) hatásainak. Az elsődleges kozmikus sugárzás részecskéinek mintegy 90%-a proton, kb. 9%-a ³He és ⁴He ion. A maradék 1% a többi nehézion és az elemi részecskék (döntően elektronok). Bizonyított, hogy a részecskék között 10¹³ eV energiájúak is lehetnek, de vannak jelek akár 10²⁰ eV energiájú részecskék létezésére is. Az elsődleges kozmikus sugárzás részecskéi másodlagos részecskéket kelthetnek azokban a közegekben, amelyeken áthaladnak.

Az elektromágneses térrel rendelkező részecskék (pl. fotonok, elektromosan töltött részecskék) az energiájuktól függően elektromágnesesen gerjeszthetik vagy ionizálhatják a közegek atomjainak és molekuláinak elektronrendszerét, sőt atomkilökődéseket is okozhatnak. A közeg hőmérsékletétől függően idővel rekombinációs folyamatok mennek végbe. A közegek kémiai kötéseinek rendszerében végbemenő változások akár a kémiai, mechanikai, elektromos, optikai jellemzők megváltozását is eredményezhetik. Az ionizáló részecskék okozta sugárkárosodási hatások angol megnevezése Total Ionisation Dose effects, röviden TID effects.

Az elektromos töltéssel nem rendelkező részecskék (pl. neutronok) közvetlenül nem keltenek ionizációt. Ezek a részecskék csaknem kizárólag a közeg atommagjaival történő kölcsönhatások (rugalmas vagy rugalmatlan ütközések, magreakciók) során veszítenek energiát (angolul Non Ionising Enery Loss, NIEL). A kölcsönhatások során meglökött atommagok keletkeznek. Amikor a meglökött atommag mozgási energiája olyan kicsi, hogy követni tudják az elektronjai, akkor valójában atomkilökődés következik be. Esetenként azonban a meglökött atommag kezdeti mozgási energiája elegendően nagy lehet ahhoz, hogy az eredeti elektronfelhőjének csak egy része tudja követni. Ekkor elektromosan töltött ionként halad egy ideig. Az ion elektromágneses kölcsönhatások révén fékeződik, közben fokozatosan újraépül körülötte az elektronrendszer, végül atomként fékeződik le teljesen. Az atomok egy része úgy áll meg, hogy a hőmérséklettől függően rövidebb-hosszabb ideig torzítja a közeg eredeti szerkezetét, ami a kémiai, mechanikai és elektromos jellemzők mérhető megváltozásában is megnyilvánulhat. Az ilyen sugárkárosodási hatások angol elnevezése atomic displacement damage effects.

Az űrkutatási célokat szolgáló eszközök fejlesztése során először számítógépes szimulációkat végeznek annak érdekében, hogy megbecsüljék az űreszköz fedélzetén várható sugárzási környezetet. A szimulációk eredményeinek ismeretében modellkísérletek (sugárkárosodási vizsgálatok) során tanulmányozzák a sugárzási környezet ionizáló és közvetlenül nem ionizáló részecskéi által kiváltott sugárkárosodási hatásokat.

Az 1 MeV energiájú neutronok ekvivalens fluxusa

Az atomkilökődések gyakorisága függ a vizsgált közeget érő részecskék energiájától és fluxusától is. A különböző részecskékkel végzett tesztek eredményeinek összehasonlíthatósága érdekében szokás megadni az E_n = 1 MeV energiájú neutronok azon fluxusát is, amely ugyanolyan gyakorisággal kelt atomkilökődéseket, mint a vizsgálatok során használt részecskék. A számszerűsíthető sugárkárosodási hatásokat az 1 MeV energiájú neutronok ekvivalens fluxusára normáltan szokás megadni.

Az 1 MeV energiájú neutronok ekvivalens fluxusának meghatározásához szükséges átszámítási tényező (κ) meghatározása nem egyszerű feladat. Az egyik lehetőség a besugárzás számítógépes szimulációja, melyhez bemenő adatként ismerni kell

• a mintát érő részecskék energiaspektrumát,
• az atomkilökődések valószínűségeit a részecskeenergia függvényében,
• a keltett hibák rekombinációjának valószínűségeit a hőmérséklet függvényében.

A valószínűségek becslésére molekuladinamikai és ún. multi-scale szimulációs módszereket használnak. A módszerek alkalmazása a szilíciumra és a nukleáris energetikában használt anyagokra a legkiforrottabb.

Az űrkutatás számára is fontos szilícium esetén a szakirodalomban gamma-fotonokra, elektronokra, neutronokra, protonokra és pí-mezonokra is találhatók ajánlott átszámítási tényezők a részecskeenergia függvényében megadott formában. Neutronok esetén a szilícium mellet gyémánt, szilícium-dioxid és gallium-arzenid anyagokra is publikáltak már becsléseket az átszámítási tényező neutronenergia-függésére.

Méréssel is meghatározható a κ átszámítási tényező a neutronokkal besugárzott szilícium esetén. Az atomkilökődések miatt bekövetkező sugárkárosodás során mozgékony elektronok, lyukak, továbbá a töltéshordozók befogására képes hibahelyek is keletkeznek a besugárzott közegben és ezért megváltozik a közeg elektromos vezetőképessége is. A bipoláris tranzisztorok esetén a keletkező csapdahelyek számának növekedésével nő a töltéshordozók befogódásának valószínűsége, ezért a tranzisztor kisjelű emitteráram erősítési tényezője (h_FE) fokozatosan csökken az időintegrált neutronfluxus (neutronfluens) növekedésével. A neutronfluens és a h_FE megváltozása közötti összefüggést a Messenger–Spratt-egyenlet írja le. A κ átszámítási tényező meghatározásához tehát meg kell mérni a h_FE paraméter megváltozását egy nagy pontossággal ismert referencia neutrontérben valamint a sugárkárosodási vizsgálatok céljára használt neutrontérben.

Kutatások az MTA Atomki URKUT_10-1-2011-0005 projektje keretében

Az MTA Atomkiban az ionizációs folyamatokra visszavezethető sugárkárosodási hatások (TID effects) az intézet ⁶⁰Co radioizotópos gamma-foton forrásánál tanulmányozhatók, amely 1173 keV-os és 1332 keV-os energiájú gamma-fotonokat bocsát ki.

Az atomkilökődésekből származó sugárkárosodási folyamatok (atomic displacement damage effects) vizsgálatához egy berillium céltárgyas széles spektrumú nagyintenzitású gyorsneutron forrás áll rendelkezésre. A berillium céltárgyat protonokkal bombázva p+Be neutronok termelhetők, és az előállítható kevert neutron-gamma mezők hasonlóak a világűr sugárzási környezetében üzemelő rendszerek fedélzetén mérhető sugárzási tér alacsony energiájú (E_n < 20 MeV) neutron- és gamma-komponenséhez.

A sugárkárosodási vizsgálatok tervezéséhez, kivitelezéséhez és a kapott eredmények értelmezéséhez szükséges neutronspektrum (a neutronok fluxusa az energia függvényében), valamint a neutron- és gamma-dózisteljesítmények, vagyis a besugárzási körülményeket jellemző radiometriai mennyiségek meghatározása a nemzetközi ajánlások alapján és az ajánlott nukleáris adatkönyvtárak adatainak felhasználásával történik. Az ajánlásokat és az adatkönyvtárakat nemzetközi szinten folyamatosan karbantartják a magfizikai és atomhéj-fizikai kutatások legújabb eredményeinek figyelembe vételével.

Az URKUT_10-1-2011-0005 projekt kutatási eredményei

Az URKUT_10-1-2011-0005 projekt végrehajtása során E_p = 16 MeV és E_p = 18 MeV energiájú protonokkal bombázott vastag berillium céltárgyon keltett p+Be neutronok esetén új alapkutatási eredmények születtek:

• fóliaaktivációs módszerrel végzett mérésekkel valamint Monte Carlo neutrontranszport szimulációkkal, továbbá a nukleáris adatokra vonatkozó legújabb ajánlásokat felhasználva sikerült pontosítani a p+Be neutronok spektrumának E_n = 0.1 – 1 MeV részét,
• az új neutronspektrumot és a szükséges nukleáris adatokra vonatkozó legújabb ajánlásokat felhasználva új becslés vált lehetővé az 1 MeV energiájú neutronok ekvivalens fluxusának meghatározásához szükséges κ átszámítási tényezőre vonatkozóan,
• az ASTM E 1855 tesztmódszer előírásait követve 2N2222 bipoláris tranzisztorokat besugározva mérések is történtek az 1 MeV energiájú neutronok ekvivalens fluxusának meghatározásához szükséges κ átszámítási tényező pontosítása érdekében.

Az eredmények révén

• tisztázni lehet p + Be neutronok esetén a szakirodalom bizonyos ellentmondásait,
• pontosabb radiometriai mérések válnak lehetővé az MTA Atomki berillium céltárgyas neutronforrása mellett végzett sugárkárosodási vizsgálatok során.

Az új eredményekről tudományos szakcikk készül.

Az URKUT_10-1-2011-0005 projekt fejlesztési eredményei

Kifejlesztésére került egy korszerű, hordozható adatgyűjtő és naplózó rendszer is az MTA Atomki sugárforrásainál végezhető sugárkárosodási vizsgálatok technikai feltételeinek javítása érdekében. A rendszer fő eleme egy USB-6218 adatgyűjtő (Gyártó: National Instruments), melynek legfontosabb adatai az alábbiak:

• 32 analóg bemenet (vagy max. 16 differenciális) 16 bites analóg-digitál átalakítóval, 250 kS/s adatgyűjtési sebességgel
• 2 analóg kimenet (16 bites digitál-analóg átalakítóval, 250 kS/s adatárammal)
• 8 digitális bemenet
• 8 digitális kimenet
• 2 db 32-bites számláló/időzítő.

A rendszerhez LabView alapú adatgyűjtő szoftver készült, ami megkönnyíti a sokparaméteres mérések konfigurálását és a mérések kivitelezését egyaránt.

Az MTA Atomki berillium céltárgyas széles spektrumú gyorsneutron forrásánál (ATOMKI HI-FNS) végezhető űrkutatási célú sugárkárosodási vizsgálatokhoz kifejlesztett új adatgyűjtő rendszer tesztelése a Részecskegyorsító Centrum Ciklotron Laboratóriumának mérőközpontjában.

Az új rendszer révén egyszerűsödik az egyedi felhasználói igényeinek teljesítése, másrészt könnyebbé válik az egyetemi hallgatók bevonása is az MTA Atomkiban folyó űrkutatási célú sugárkárosodási vizsgálatokba, valamint a besugárzások lebonyolításába.

Fenyvesi András
(MTA Atomki, Debrecen)

Kapcsolódó cikkek:
Űrkutatási célú fejlesztés az MTA Atomkiban