Luminiscences mehānismu un dozimetrisko īpašību izpēte perspektīvos nitrīdos un oksīdos ar TL un OSL metodēm (2018. - 2021.)

Projekta vadītāja: Dr.phys. Laima Trinklere

Kopējais finansējums: 300 000 EUR

Projekta izpildes termiņš: 2018-2021

LZP FLPP Nr. LZP-2018/1-0361

 

Projekta kopsavilkums

Termoluminiscece un optiski stimulētā luminiscence ir svarīgas un aktuālas metodes dielektriķu īpašību izpētei, bez tam, tās tiek praktiski plaši pielietotas daudzās dozimetrijas nozarēs, arheoloģisko objektu vecuma noteikšanai, rūpnieciskai un pārtikas kontrolei. Dažādiem dozimetrijas pielietojumiem ir vajadzīgi jauni materiāli ar noteiktām īpašībām. Šī projekta mērķis ir izstrādāt jaunus perspektīvus materiālus dozimetrijas vajadzībām un izpētīt enerģijas uzkrāšanas un rekombinācijas luminiscences mehānismus šajos materiālos. Tiks izpētīti sekojoši materiāli: Al2O3 nanopulveri un caurspīdīgas keramikas, AlN keramikas ar metāla jonu piejaukumiem un LiGaO2 kristāli. Jauni rezultāti tiks iegūti apvienojot modernas nanotehnoloģijas paraugu izgatavošanu ar izvēlētām luminiscences pētīšanas metodēm, izmantojot mūsdienīgu aparatūru. Projekta izpildītāju sastāvā ir gan pieredzējušie zinātnieki, gan doktorantūras un bakalaura programmas studenti. Projekta izstrādes rezultātā tiks iegūtas jaunas zināšanas materiālzinātnē par luminiscences mehānismiem, kā arī tiks veicināta jaunu perspektīvu dozimetrisko materiālu attīstība. Jonizējošā starojuma un UV gaismas dozimetrijas ierīces, kas tiks izgatavotas, pielietojot projektā izstrādātos materiālus, var tikt izmantotas vairākās jomās. Tas nosaka paredzēto pētījumu atbilstību prioritāram virzienam Latvijas zinātnē “Tehnoloģijas, materiāli un inženiersistēmas produktu un procesu pievienotās vērtības palielināšanai un kiberdrošībai.”

 

Projekta rezultāti

  • Izstrādāts jauns perspektīvais materiāls Al2O3:Cr, kas ir piemērots lielai jonizējošā starojuma dozai, themroluminiscences dozimetrijā un ir izpētītas tā īpašības.
  • Ir papildināta fundamentālā izpratne par defektiem un luminiscences procesiem LiGaO2, Al2O3: Cr un AlN keramikās un nanopulverī.
  • Ir izstrādāts un tiek piedāvāts jauns fundamentāls piroelektriskās luminiscences fenomen skaidrojums kristāliem ar necentrosimetrisku režģu tipu, piemēram, LiGaO2.
 

Projekta ietekme

Labums sabiedrībai. Uzkrātās radiācijas dozas noteikšana un kontrole ar šajā projektā izveidotiem materiāliem var tikt izmantota ne tikai specifiskām profesionālām vajadzībām (medicīnas iestādēs vai zinātniskās institūcijās tiešā darbā ar radiācijas avotiem), bet arī enerģētikas jomās (kodolsintēze, atomelektrostacijas) un ražošanā produkcijas kontrolei. Palielināsies darba drošība un cilvēki varēs operatīvāk rīkoties radiācijas noplūdes gadījumos, vai rūpīgāk izstrādāt radiāciju ģenerējošu aparatūru. Viens no projekta virzieniem ir saistīts ar dozimetrisku materiālu izstrādi ultravioletās gaismas detektēšanai. Ar UV gaismas dozimetriem, kas tiks izveidoti izmantojot jaunos materiālus, varēs precīzi noteikt arī nelielas starojuma dozas, kuras cilvēks saņem apmeklējot solārijus, vai izmantojot UV starus ūdens vai instrumentu dezinfekcijai.

Kādas problēmas risina projekts. Sakarā ar to, ka jonizējošais starojums (radiācija) un ultravioletie stari ir cilvēku acīm neredzami, ir svarīgi izveidot ierīces, kas spēj pārveidot šo starojumu uzskatamā formā  - elektriskā vai optiskā signālā. Ir ērtāk uzkrāt starojuma efektu ilgākā laikā un iegūt signālu no visa uzkrāšanas perioda vienlaikus. Dozimetrisku ierīču pamatā ir piemēroti materiāli, kas ir jutīgi pret jonizējošo starojumu un UV gaismu. Projekta galvenais uzdevums ir izstrādāt – radīt un raksturot - šādus jaunus materiālus.

Iespējamie risinājumi. Tika izstrādāti un dozimetrijas vajadzībām izpētīti vairāki materiāli, kas ir jutīgi pret jonizējošo radiāciju un UV gaismu:

- AlN keramikas ar dažādu metālu jonu  piemaisījumiem dažādās koncentrācijas;

- Al2O3 keramikas ar hroma piemaisījumiem;

- LiGaO2 kristāli.

Sadarbība ar zinātniskām un industrijas uzņēmumiem

- RTU, zinātniskā sadarbība. Mērķa grupa - zinātnieki, zinātni apkalpojoši  darbinieki, studenti;

- Sun Yat Sen Universitāte, Taivāna – zinātniskā sadarbība. Mērķa grupa – zinātnieki, studenti, plašāka sabiedrība.

- Kompānija Freiberg Instuments, Vācija – tehniskā sadarbība, izstrādājot mums vajadzīgo aparatūru un tās programmatūru. Mērķa grupa – uzņēmēji, zinātnieki, studenti.


MCs Jānis Čipa pēta AlN keramikas termoluminiscemces īpašības ar TL/OSL iekārtu LexsygResearch (Freiberg Instruments).

     

Ar projektu saistītās publikācijas:

Raksti:

1. Usability of Cr-Doped Alumina in Dosimetry. E. Einbergs, A. Zolotarjovs, I. Bite, K. Laganovska, K. Auzins, K. Smits and L. Trinkler. Ceramics 2 (2019) 525–535; doi:10.3390/ceramics2030040, OPEN ACCESS

2. Comparison of luminescence of LiGaO2, Al2O3-Ga and Al2O3-Li crystals. L.Trinkler, A.Trukhin, Mitch M.C.Chou. Latvian J. Phys.Tech. Sc., 6 (2018,)  4-12; .2478/lpts-2018-0038, OPEN ACCESS

3. Photoconductivity & photoelectron emission of LiGaO2 crystal excited in intrinsic absorption range. A. Trukhin, L. Trinkler, Opt. Mat. 93 (2019) 11–14; 

4. Spectral and kinetic characteristics of pyroelectric luminescence in LiGaO2. L. Trinkler, A. Trukhin, J. Cipa, B. Berzina, V. Korsaks, Mitch M.C. Chou, Chu-An Li, Opt. Mat. 94 (2019) 15–20, /https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.05.014

5. A. Trukhin, L. Trinkler, A. Zolotarjovs, Pyroelectric activity of LiGaO2, Li2GeO3, Li2B4O7 and LiNbO3 crystals: Pyroelectric luminescence and excitation of cathodoluminescence in scintillator ScPO4. Opt. Mat. 109 (2020) 110391, https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110391

6. Berzina B. Trinkler L., Korsaks V., Ruska R. Nitrogen vacancy type defect luminescence of AlN nanopowder, Opt. Mat. 108 (2020) 110069, DOI: doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110069.

7. Janis Cipa, Laima Trinkler, Baiba Berzina, Thermoluminescence response of AlN:Y2O3 to the Sun and X-ray irradiation, Latvian J. Phys.Tech. Sc.,2021, N1, 3-14. DOI: 10.2478/lpts-2021-0001. OPEN ACCESS

8. E. Einbergs, A. Zolotarjovs, I. Bite, J. Cipa, V. Vitola, K. Laganovska, L. Trinkler, Re-evaluation of chromium doped alumina for dosimetric applications, Latvian J. Phys.Tech. Sc., 1 (2021) 15-22,  DOI: 10.2478/lpts-2021-0002. OPEN ACCESS

9. L.Trinkler, A.Trukhin, J.Cipa, B.Berzina, UV light induced processes in pure and doped AlN ceramics, , Optical Materials 121 (2021) 111550; doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111550.

Konferences

10. L.Trinkler et al, 280 nm emission band in LiGaO2. FM&NT-2018, October 2-5, 2018, Riga, Latvia, Book of Abstracts p.79.

11. B.Berzina, et al, F-centres as luminescent defects in AlN and hBN. International Workshop on Nitride semiconductors IWN2018, November 11-16, 2018, Kanazawa, Japan. Tech. digest p.312.

12. E. Einbergs, et al. With chrome doped alumina usability in dosimetry., 35th Scientific Conference of ISSP UL, February 20– 22, 2019, Riga, Latvia, Book of Abstracts, p. 28.

13. L.Trinkler et al. Luminescence properties of LiGaO2 crystal and its potential application in dosimetry,  Abstracts of SSD-19 conference, Hiroshima, Japan, Sept 15-20, 2019, p. 372.

14. E. Einbergs, et al, Usability of chrome doped alumina in dosimetry. 21-st International conference-school “Advanced materials and technologies”, 2019, Palanga, Lithuania, Book of abstracts p. 97.

15. J. Cipa, et al,Spectral analysis of pyroelectric effect in LiGaO2, , 21-s International conference-school “Advanced materials and technologies”, 2019, Palanga, Lithuania, Book of abstracts p. 84.

16. J. Cipa, Use of TL/OSL reader “Freiberg Instruments” for characterization of new dosimetric materials, 36th Scientific Conference of ISSP UL, 2020, Riga, Latvia, Abstracts, p. 51.

17. E. Einbergs, et al, Chromium doped alumina usability in dosimetry., 36th Scientific Conference of ISSP UL, February 11– 13, 2020, Riga, Latvia, Book of Abstracts, p. 45.

18.A.Trukhin, et al, Energy transfer of pyroelectric crystals to luminophores, 36th Scientific Conference of ISSP UL, February 11– 13, 2020, Riga, Latvia, Book of Abstracts, p. 11.

19. L.Trinkler, et al, Luminescence of LiGaO2 crystal – mechanisms and potential application. Abstracts of FMNT 2020, Vilnius, Lithuania, Nov. 23-26, 2020. p. 20.

20. J. Cipa, et al, Improving dosimetric properties of AlN by doping with rare earth metals. Abstracts of FMNT 2020, Vilnius, Lithuania, Nov. 23-26, 2020, p.142.

21. E. Einbergs, Chromium doped alumina usability in dosimetry, Abstracts of FMNT 2020, Vilnius, Lithuania, Nov. 23-26, 2020, p.153.

22. J.Cipa, et al, Sun and X-ray radiation induced thermoluminescence properties of AlN ceramics, 37th Scientific Conference of ISSP UL, Book of Abstracts, 2021, p. 53

23. E.Einbergs, et al, Chromium doped alumina as a thermoluminescence dosimetry material, 37th Scientific Conference of ISSP UL, Book of Abstracts, 2021, p.54

24. J. Cipa, et al. Thermoluminescence properties of yttria doped AlN ceramics after Sunlight and X-ray irradiation. International conference-school “Advanced materials and technologies”,  2021, Palanga, Lithuania, Book of abstracts A-P111.

25. E.Einbergs, Chromium-doped alumina a potential dosimetric material. International conference-school “Advanced materials and technologies”,  2021, Palanga, Lithuania, Abstracts C-P108.

Aizstāvētie diploma un promocijas darbi

26. BSc thesis. Ernests Einbergs. Chromium doped alumina usability in dosimetry, UL, Riga, 2019.

27. MSc thesis. Jānis Čipa. Luminescence properties of doped AlN ceramics. University of Latvia, Riga,  2021.

28. Doctoral thesis. Aleksejs Zolotarjovs. Optical properties of plasma electrolytic oxidation coatings on aluminium alloy surface. Riga, 2021.