Три в одному: як українські та польські науковці навчили детектор «бачити» невидиме

Як повідомили «Громаді» в Науково-технологічному комплексі «Інститут монокристалів» НАН України, створено детектор нового покоління, який може одночасно «бачити» різні види випромінювання - α-, β- та γ-промені.

Як відомо, радіоактивне випромінювання підступне тим, що людина не здатна його відчути.

Воно не має ні кольору, ні запаху, ні смаку. Більше того, у реальному житті радіація рідко ходить «поодинці» — зазвичай це складний мікс із різних типів частинок і променів.

Досі, щоб розпізнати кожен із них, потрібні були громіздкі системи або кілька різних приладів. Але міжнародна команда науковців, ядро якої склали українські фахівці з Харкова, здійснила справжній технологічний переворот.

Як пише портал Science in Poland, результати цієї фундаментальної праці, яка вже викликала жвавий інтерес у європейській науковій спільноті, щойно опублікував авторитетний міжнародний журнал Crystals.

Щоб зрозуміти суть відкриття, згадаємо три головні літери радіаційного алфавіту: α (альфа), β (бета) та γ (гамма). Вони мають абсолютно різну природу, а головне — проникну здатність.

Альфа-частинки — важкі й масивні, але «ліниві». Їх може зупинити навіть звичайний аркуш паперу чи верхній шар нашої шкіри.

Бета-частинки — швидші й легші. Вони здатні занурюватися в живі тканини на кілька міліметрів або сантиметрів, але затримуються тонким листом алюмінію.

Гамма-промені — це чиста енергія, хвилі колосальної сили. Вони прошивають предмети наскрізь, і щоб їх зупинити, потрібні товсті стіни з бетону чи свинцю.

Уявіть собі реальну аварійну ситуацію, зону радіоактивного забруднення або складну медичну процедуру.

Там присутні всі три види променів одночасно — так зване «змішане радіаційне поле». Створити один-єдиний матеріал, який би не просто фіксував «якусь радіацію», а чітко і миттєво вказував: «ось це альфа, це бета, а це гамма» — досі вважалося надскладним викликом для світової науки.

Ключ до розв'язання цієї загадки знайшла потужна команда: Інститут сцинтиляційних матеріалів (ІСМА) НАН України (Харків), Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, а також їхні колеги з провідних польських центрів — Національного центру ядерних досліджень, Університету Казимира Великого та Онкологічного центру в Бидгощі.

І саме харків'яни заклали основу цього успіху в прямому сенсі. Науковці ІСМА розробили та власноруч виростили надсучасні монокристалічні підкладки (кристали GAGG:Ce).

Простими словами, коли в кристал влучає радіоактивна частинка, він реагує на це мікроскопічним спалахом світла. Спеціальний надчутливий датчик «ловить» це світло і перетворює його на електричний сигнал, який уже зчитує комп'ютер.

Прорив полягає в тому, що вчені створили двошарову структуру за принципом «сендвіча» або листкового пирога. На кристалічну основу харківського виробництва польські колеги нанесли ще один надтонкий шар іншого кристалу (TbAG).

Фізика процесу виявилася витонченою та логічною. Оскільки різні види радіації мають різну проникну здатність, вони «застрягають» на різній глибині детектора:

Слабопроникні альфа- та бета-частинки повністю зупиняються у першому, надтонкому зовнішньому шарі.

Всепроникаючі гамма-промені пролітають крізь тонку плівку непоміченими і дають спалах уже в глибокій основній підкладці.

Головний секрет технології: кожен із цих двох шарів реагує на радіацію світлом різного характеру (з різною швидкістю згасання спалаху). Комп'ютерна програма аналізує цей світловий відгук і миттєво видає точний вердикт: який саме тип випромінювання щойно атакував детектор.

Досі для аналізу змішаного випромінювання потрібні були громіздкі системи з кількох різних приладів. Нова розробка дозволяє зробити єдиний пристрій компактним, швидким і фантастично точним. Його потенціал — колосальний, і перш за все у сферах, де помилка коштує життя:

Науковці вже заявили, що наступні етапи проєкту будуть присвячені впровадженню детектора в передову онкотерапію, зокрема у Бор-нейтронозахоплювальну терапію (BNCT). Новий пристрій дозволить лікарям у реальному часі з філігранною точністю вимірювати дози випромінювання, щоб нищити пухлину, не зачіпаючи здорові клітини пацієнта.

Нова технологія також допоможе створенню компактних, портативних «розумних» дозиметрів нового покоління для екологів, військових, служб надзвичайних ситуацій та персоналу атомних станцій. Такий прилад не просто заверещить про небезпеку, а одразу покаже на екрані структуру і характер загрози.

Незважаючи на всі надскладні виклики сьогодення, українська фундаментальна наука продовжує тримати марку на найвищому світовому рівні.

Харківська кристалографічна школа у синергії з польськими колегами створила технологію, яка вже найближчими роками може стати новим стандартом безпеки та охорони здоров'я в усьому світі. Невидима загроза нарешті отримала гідного супротивника, здатного розпізнавати її «в обличчя».

Читайте також:

Зум-покоління біля порожніх пробірок…

"Громада" розповідає про важливі новини та злободенні теми, робить цікаві подкасти та яскраві відео про життя у громадах Харківського регіону, України та у світі.

Наша місія – просувати демократичні цінності, відповідальну журналістику та права людини.