Sugárálló magyar szupertükörrel jobbak lehetnek az anyagtudomány, az űrkutatás és az egészségügy eszközei

Új, a neutronsugárzásnak az eddigieknél jobban ellenálló szupertükröt fejlesztettek magyar kutatók, amelynek segítségével a jelenleginél lényegesen érzékenyebb, jobb technikai eszközökhöz juthat az anyagtudomány, az egészségügy vagy például az űrkutatás. A szupertükrön túl fókuszáló elemeket, technológiai eljárásokat és detektáló komplett berendezést hoztak létre anyagtudományi, optikai és neutronos ismereteket ötvözve.

A tudományos fejlődés alapfeltétele, hogy egyre érzékenyebb műszerek, illetve technikai eszközök álljanak rendelkezésre a kutatók, szakemberek számára. Számos területen, mint például az egészségügyben és az űrkutatásban, egyre inkább elterjednek az úgynevezett nagy intenzitású neutronforrásokra épülő eszközök, de a kapcsolódó optikai elemek sugárállósága és egyéb tulajdonságai ezt a fejlődést nem követték megfelelően. Az új generációs neutronos forrásokat elsősorban reaktorokhoz, anyagtudományi, űrkutatási és orvos diagnosztikai alkalmazásokra fejlesztik. A megnövelt nyalábintenzitás ugyanis lehetővé teszi az analizálás érzékenységének növekedését.

 

A korábbi neutronos berendezéseknél alkalmazott detektálási és érzékelési megoldások sok esetben nem használhatók, mert a kis sugárállóságú alkatrészek már nem megfelelően látják el a funkcióikat.

Ezt felismerve a Mirrotron Kft. több évtizedes neutronoptikai háttérrel és a hazai anyagtudományi kutatási ismeretekkel rendelkező partnereivel  - az MTA Wigner Fizikai Kutatóintézettel (MTA Wigner) és az MTA EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézettel (MTA EK MFA) - olyan anyagok, eljárások, alkatrészek és nagyműszer fejlesztésébe fogott, amelyek nagy sugárintenzitás mellett is alkalmazhatóak.

 

Első lépésben új anyagokat és eljárásokat kellett találni nagy sugárállóságú, de megfelelő optikai tulajdonságú alkatrészek létrehozásához. Ezek az alkatrészek a neutron transzport (a forrástól a mérőállomásig való eljuttatás), ill. a neutronoptikai útszakasz (a mérőberendezéseken belül a nyaláb formálása) kialakításának elterjedt és ma már nélkülözhetetlen komponensei. Ilyen alkatrészek például az ún. szupertükrök, melyek élettartamát az üveghordozó hő- és sugárterhelési korlátja határozza meg. Éppen ezért olyan kerámia és fém alapanyagokat kerestek és vizsgáltak a MTA Wigner és MTA EK MFA kutatói, melyek kiválthatják az üveg hordozót és amin megfelelő optikai tulajdonságú vékonyrétegeket hozhatnak létre, miközben a nagy intenzitású neutronsugárzás sem roncsolja a szerkezetüket. A Mirrotron Kft. és a Wigner FKI kutatói egy olyan többrétegű szerkezetet találtak erre legmegfelelőbbnek, melynek fő elemei az Al lapra elektrokémiai leválasztással felvitt Ni-P réteg, amit speciális kémiai leválasztási lépésben előállított rétegekkel és polírozási technológiával tesznek alkalmassá a neutronos felhasználásra.

 

Ezt követte az optikai elemek precíziós beállítási eljárásának újfajta kialakítása, a különböző neutronforrásoknál tervezés alatt álló innovatív spektrométerek - geometriai/optikai elrendezések bevezetésére. A jelentős neutronintenzitás megfelelő nyaláboptikai elrendezések mellett ugyanis fókuszált besugárzást tesz lehetővé, amivel lehetővé válik a vizsgálati érzékenység növekedése, a kisebb minták vizsgálata, vagy különlegesebb mintakörnyezetben történő vizsgálat is. Nem csak a sugárforrás intenzitása, hanem az optikai fókuszálás is meghatározza a mintára jutó sugárnyaláb intenzitást. A kutatók ún. Bragg-tükrözéssel történő monokromatizáláson alapuló összeállítással valósították meg ezt: a háromdimenziós elrendezésben megvalósított geometria a fókuszáló nyaláb-utak révén teszi lehetővé egy koncentrált keskeny monokromatikus nyaláb létrehozását. Ez az adaptív nyalábfókuszálási elv lehetővé teszi a fókusztávolság, valamint a kihasznált divergencia igény szerinti beállítását, ezáltal intenzitás-növelésre ad lehetőséget.

 

A projekt folyamán a Mirrotron Kft. arra is fontos hangsúlyt fektetett, hogy a berendezés felhasználása se legyen költséges a jövőbeli felhasználóknak. Az elmúlt években ugyanis az általánosan elterjedt 3He izotópgáz piaci ára több százszorosára emelkedett, az erre alapozott detektorok igen korlátozott mértékben kerülhetnek felhasználásra. Ezért a héliumot kiváltó - 10BF3-as (10-es tömegszámú bórizotópot tartalmazó bór-trifluorid) gázzal működő, ill. egy szilárd bór-konverteres detektor kamra prototípust fejlesztett a cég. Ennek a nagyfelbontású gázdetektornak a kifejlesztése jelentette a legnagyobb kihívást, ráadásul további fejlesztésekre lesz ezzel kapcsolatban szükség, mert a BF3 mérgező gáz és az üzembe helyezés engedélyeztetése a berendezés elterjedését lassíthatja.

A projektben kifejlesztett technológia iránt már Ausztráliában és Svédországban is érdeklődtek, komoly esély van rá, hogy a most épülő Európai Neutronkutató Központ (ESS) is ezt a technológiát, berendezést használja majd.

 

Az „Új generációs neutronos vizsgálóberendezések komponenseinek fejlesztése" című projekt (KMR_12-1-2012-0226) a Magyar Kormány támogatásával, a Kutatási és Technológiai Innovációs Alap finanszírozásában valósult meg.

 

Mirrotron Kft.

Európai Neutronkutató Központ