الدليل الشامل لبلورات التلألؤ BGO ومزاياها الفائقة

1 مقدمة

تنبعث من بلورات التلألؤ ومضات ضوئية عندما تتفاعل معها جسيمات عالية الطاقة مثل الأشعة السينية، مما يحول الطاقة الحركية لهذه الجسيمات إلى ضوء مرئي. وتُستخدم مواد التلألؤ غير العضوية على نطاق واسع للكشف عن الإشعاع المؤين. وعلى مدى العقود الماضية، شهدت مواد التلألؤ نموًا سريعًا في فيزياء الطاقة العالية والتصوير الطبي. وفي أعقاب اكتشاف ظاهرة التلألؤ في جرمانيت البزموت ( Bi₄Ge₃O₁₂) وتطبيق المواد عالية الكثافة في مجالات الكشف، كرست العديد من المؤسسات البحثية جهودها في العقد الماضي لدراسة خصائص وتطبيقات Bi₄Ge₃O₁₂₂. واستخدمت المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) ثنائي₄Ge₃O₁₁₂₂ في كاشف L3 كمادة تلألؤ، والذي تضمن 11,400 بلورة ثنائية-جو-أو-أو-₁₁₂، طول كل منها 22 سم ووزنها أكثر من 10 أطنان. تقدم هذه المقالة الخصائص والتطبيقات الفريدة لبلورات جرمانيت البزموت (BGO) كمادة متلألئة.

الشكل 1 ركائز كريستالات جيرمانيت البزموت (BGO)

2 البنية البلورية

ترتبط الخصائص المتلألئة لبلورات BGO ارتباطًا وثيقًا بتركيبها البلوري. تنتمي BGO إلى النظام البلوري المكعب وتشترك في نفس بنية المعدن الطبيعي Bi₄Si₃O₁₂ (سيليكات البزموت). تحتوي كل خلية من خلايا الوحدة على أربعة جزيئات Bi₄Ge₃O₁₁₂₂. تحيط ب Bi³⁺ Bi³⁺ ستة رباعي السطوح GeO₄، ويوجد أقرب تناسق في ثماني أوجه الأكسجين المشوهة. وتبلغ أطوال الرابطة Bi-O 0.219 و0.267 نانومتر على التوالي. Bi³⁺ هو عنصر ما بعد الانتقال بتوزيع غلاف مملوء 6s². وتتضمن مستويات الطاقة الإلكترونية لأيونات Bi³⁺ وBi³⁺ الحر في الشبكة الحالة الأرضية والحالات المثارة. ونظرًا للتفاعلات الكهروستاتيكية وتفاعلات المدار المغزلي في BGO، تكون فجوة الطاقة بين الحالة الأرضية والحالة المثارة صغيرة، وتكون انتقالات الامتصاص 1s₀₀₀₀₁ و1s₀₀₁₁₁₁₁₁. ويُحظر الانتقال 1s₀-3p₀₁ بسبب التناظر C₃ ل Bi³⁺. يهيمن انتقال 3p₁₁ ₁ →1s₀ على طيف انبعاث Bi³+، ويتوافق ^طيف الإثارة مع قمتين تتوافقان مع انتقالات الامتصاص. ينشأ انزياح ستوكس الكبير في الأطوال الموجية للامتصاص والانبعاث من انتقالات غير إشعاعية.

الشكل 2 الهيكل البلوري لجرمانيت البزموت (BGO)

3 الأداء

3.1 كفاءة الكشف

تتمتع BGO بكفاءة كشف عالية، خاصة بالنسبة للأشعة γ عالية الطاقة. نظرًا لكثافته العالية (حوالي 7.13 جم/سم مكعب) والعدد الذري الكبير (حيث يبلغ العدد الذري للبزموت 83)، يمتص BGO بكفاءة الأشعة غاما والأشعة السينية، مما يجعله مثاليًا للكشف عن الإشعاع.

3.2 الحساسية

يُظهر BGO حساسية جيدة، لا سيما للكشف عن الإشعاع عالي الطاقة. ويسمح لها عددها الذري العالي بامتصاص طاقة الأشعة غاما والأشعة السينية وتحويلها بفعالية، مما يؤدي إلى حساسية ممتازة لهذه الأنواع من الإشعاع. ومع ذلك، فإن ناتجها الضوئي منخفض نسبيًا، مما قد يحد من الحساسية مقارنة ببعض المتلألئات الأخرى، خاصة في الكشف عن الإشعاع منخفض الطاقة.

الشكل 3 كاشف BGO

3.3 قوة إيقاف الأشعة السينية

يُظهر BGO قوة إيقاف قوية للأشعة السينية. وتسمح له كثافته العالية وعدده الذري بامتصاص الأشعة السينية بكفاءة وتحويلها إلى ضوء مرئي، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات الكشف بالأشعة السينية عالية الطاقة مثل المسح الضوئي للصور المقطعية المقطعية.

3.4 التلف الإشعاعي

يتميز BGO بضرر إشعاعي منخفض نسبياً. ويمنحه العدد الذري العالي والكثافة العالية مقاومة قوية للإشعاع، مما يسمح له بالحفاظ على الأداء في البيئات عالية الإشعاع. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التعرض الطويل الأجل للإشعاع العالي إلى انخفاض في ناتج الضوء، وغالبًا ما يظهر ذلك في صورة انخفاض إنتاجية التلألؤ.

3.5 التوهج اللاحق

يتميز BGO بتأثير شفق لاحق منخفض. على الرغم من زمن اضمحلاله الطويل نسبيًا، فإن توهجه اللاحق ضعيف، مما يعني أنه لا ينبعث منه ضوء لفترة طويلة بعد توقف الإشعاع. وهذا مفيد في التطبيقات التي تتطلب إشارات واضحة دون تداخل من الانبعاثات الضوئية العالقة.

3.6 ناتج الضوء

يتمتع BGO بإنتاج ضوئي منخفض نسبيًا، حيث يبلغ ناتج الضوء حوالي 10000 فوتون/ميوفولت، وهو أقل بكثير من بعض المتلألئات الأخرى مثل NaI(Tl) الذي يمكن أن يصل إلى 38000 فوتون/ميوف. وفي حين أن ناتجها الضوئي أقل، تتفوق BGO في امتصاص الإشعاع والكشف عالي الكفاءة، خاصة بالنسبة للأشعة γ عالية الطاقة.

3.7 كفاءة التلألؤ الضوئي

كفاءة تلألؤ BGO معتدلة. وهي أقل من تلك الخاصة بالمتلألئة مثل NaI(Tl)، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى البنية الفريدة وآلية التلألؤ التي تنطوي على نقل الطاقة الإلكترونية وطبيعة مراكز التلألؤ. ومع ذلك، تظل BGO فعالة في التطبيقات التي تتطلب امتصاصًا عاليًا للإشعاع وأداءً قويًا في الكشف عن الأشعة γ-ray.

3.8 الدقة الزمنية

يتميز BGO بدقة زمنية ضعيفة نسبيًا بسبب زمن اضمحلال التلألؤ الأطول الذي يتراوح عادةً بين 300-600 نانو ثانية. وهذه الاستجابة الأبطأ تجعلها أقل ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب دقة توقيت سريعة، مثل الكشف السريع عن الجسيمات، ولكنها مناسبة تمامًا لتطبيقات مثل المسح الضوئي للانبعاث البوزيتروني والكشف عن الإشعاع عالي الطاقة الذي لا يتطلب أوقات استجابة سريعة.

3.9 تأثيرات درجة الحرارة

أداء BGO حساس لتغيرات درجة الحرارة. يمكن أن تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على خصائص التلألؤ، مما يؤدي إلى انخفاض في ناتج الضوء. يمكن لدرجات الحرارة المرتفعة، على وجه الخصوص، أن تقلل من إنتاج الضوء وكفاءة التلألؤ، مما يتطلب التحكم في درجة الحرارة في التطبيقات التي يستخدم فيها BGO.

4 التحضير

4.1 طريقة Czochralski لنمو بلورات BGO

تُستخدم طريقة Czochralski على نطاق واسع لنمو البلورة الواحدة وتم تطويرها في البداية لمواد أشباه الموصلات. ويمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة لنمو بلورات BGO. ينطوي نمو بلورات BGO على تسخين خليط من ثنائي أوكسيد ثنائي الفينيل عالي النقاء وGeO₂O₃ إلى درجة انصهارها، مما يشكل ذوبانًا. يتم غمر بلورة بذرة BGO صغيرة في الذوبان وسحبها ببطء، مما يسمح للبلورة بالنمو أثناء سحبها. وتتطلب هذه العملية تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة وسرعة السحب وتركيبة الذوبان لضمان تجانس البلورة وجودتها. وتمثل هذه الطريقة تحديًا، خاصةً بالنسبة لزراعة بلورات BGO الكبيرة وعالية الجودة بسبب البنية البلورية المعقدة وسلوكيات الانتقال الطوري ل BGO.

الشكل 4 طريقة Czochralski

4.2 طريقة بريدجمان لنمو بلورات BGO

تم تحسين طريقة Bridgman لإنتاج بلورات BGO عالية الجودة. وتتيح هذه الطريقة نمو بلورات BGO كبيرة وعالية الجودة بأحجام تصل إلى 25 سم وأوزان تصل إلى 5 كجم. وتتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة في حدود ± 0.5 درجة مئوية لمنع العيوب البلورية. كما أن نقاء المواد الأولية أمر بالغ الأهمية، مع التحكم الصارم في الشوائب لتقليل الضرر الإشعاعي.

4.3 طريقة المنطقة العائمة لنمو بلورات BGO

طريقة المنطقة العائمة هي تقنية أخرى لنمو البلورة الواحدة، حيث يتم إنشاء منطقة منصهرة باستخدام مجال كهرومغناطيسي عالي التردد بدون بوتقة. وفي حين أن هذه الطريقة أقل شيوعًا في نمو بلورات BGO بسبب درجة انصهارها العالية، إلا أنها تُستخدم في التطبيقات البحثية لإنتاج بلورات BGO صغيرة وعالية النقاء.

5 التطبيقات

5.1 الكشف عن الجسيمات عالية الطاقة

يُعد BGO بلورة تلألؤ ممتازة للكشف عن الجسيمات عالية الطاقة والإشعاع مثل الأشعة السينية والأشعة السينية. وهي تبعث تألقًا أزرق-أخضر عندما تتفاعل معها جسيمات أو أشعة عالية الطاقة. ويمكن تسجيل شدة هذه الإشارات الفلورية وموضعها وتحليلها لتحديد طاقة وموضع الجسيمات الواردة، مما يجعل BGO يستخدم على نطاق واسع في كاشفات الجسيمات في فيزياء الطاقة العالية والكشف عن الأشعة الكونية والتصوير الطبي (مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني)

5.2 التصوير في الطب النووي

في التصوير في الطب النووي، يؤدي BGO دوراً حاسماً، خاصةً في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ( PET ) والتصوير المقطعي المحوسب بالانبعاث البوزيتروني (SPECT ). ويمكن ل BGO تحويل الإشعاع عالي الطاقة بفعالية إلى ضوء مرئي، مما يجعله مثالياً للاستخدام في تقنيات التصوير هذه. ومع ذلك، تظل تكلفته العالية عاملاً في سعر ماسحات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني، ولا تزال الجهود مستمرة لتحسين الجودة البصرية وتقليل جزيئات التشتت.

الشكل 5 ماسح التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني

5.3 تجارب فيزياء الجسيمات

في تجارب فيزياء الجسيمات، تُستخدم بلورات BGO للكشف عن الجسيمات والإشعاعات غير المرئية عالية الطاقة. على سبيل المثال، في كاشف L3 في سيرن، تُستخدم بلورات تلألؤ BGO لرصد الطاقة المنبعثة أثناء تصادم الجسيمات، مما يوفر بيانات قيمة لتحليل تفاعلات الجسيمات واستكشاف القوانين الأساسية لفيزياء الجسيمات.

6 الخلاصة

تُعد بلورات التلألؤ BGO بلورات لا تقدر بثمن في الكشف عن الإشعاع عالي الطاقة وفيزياء الجسيمات والتصوير الطبي. وعلى الرغم من التحديات التي تواجهها مثل انخفاض ناتج الضوء وبطء الدقة الزمنية، فإن قدرتها العالية على امتصاص الإشعاع ومتانتها وكفاءتها في الكشف عن الأشعة γ-ray تجعلها لا غنى عنها في العديد من التطبيقات، لا سيما في البيئات المعقدة عالية الطاقة. وتستمر خصائصها الفريدة وتطبيقاتها المتنوعة في دفع عجلة البحث والابتكار في هذه المجالات.

قراءة ذات صلة:

جرمانات البزموت-ويكي