Česky
Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se 21. ledna 2016 sešli čeští i zahraniční odborníci v oboru scintilačních materiálů, aby zahájili evropský projekt označovaný zkratkou ASCIMAT – v plném znění nazývaný „Zvýšení vědecké excelence a inovační kapacity v oblasti pokročilých scintilačních materiálů ve FZÚ AV ČR“ (Boosting the scientific excellence and innovation capacity in advanced scintillation materials of the Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences). Tříletý projekt byl udělen Evropskou komisí, je jedním z pěti udělených z celkem 56 zaslaných návrhů v České republice a jeho celkový rozpočet dosahuje jednoho milionu eur.
Fota: Stanislava Kyselová, Akademický bulletin
Úvodní schůze konsorcia projektu se zúčastnili kromě koordinátora doc. Martina Nikla a jeho kolegů z FZÚ i vedoucí jednotlivých zahraničních týmů partnerů projektu a další představitelé partnerských pracovišť. Byli mezi nimi dr. Etiennette Auffray z European Organization for Nuclear Research (CERN) ve Švýcarsku, prof. Christophe Dujardin z francouzské Université Claude Bernard Lyon 1 – Institut Lumière Matière (UCBL-ILM), prof. Anna Vedda z italské Università degli Studi di Milano – Bicocca (UNIMIB) a Giles Brandon BSc., MSc., MBA, Intelligentsia Consultants Sàrl (Intelligentsia) v Lucembursku. Přítomni byli i členové poradního panelu projektu, který sestává z domácích odborníků v oblasti scintilačních materiálů, a to jak z univerzitních institucí (MFF UK, FJFI ČVUT), tak z firem podnikajících v této oblasti.
Podle docenta Martina Nikla bude v projektu ASCIMAT kladen důraz nejen na samu fyziku a fyzikální výzkum, ale také na výchovu vědeckých pracovníků a na praktické využití výsledků práce. „Cílem je vzdělávat v první řadě naši mladou vědeckou generaci reprezentovanou především skupinou postdoktorandů, kteří v periodě zhruba pěti let po obhájení musí sbírat zkušenosti – a to nejlépe po světě. Náš projekt k tomu dává skvělou možnost, protože objem finančních prostředků, které Evropská unie poskytuje, je značný a už samo konsorcium má ideální složení. Máme tři partnery, z nichž každý je specializován na trochu něco jiného v oblasti scintilátorů, takže šest až osm našich mladých vědců se bude vzdělávat v jejich laboratořích. ASCIMAT nás má také připravit pro pozdější případný R&D (Research and Development) projekt, to znamená v podstatě na výzkum materiálů již skutečně pro průmyslové využití ve spolupráci s průmyslovými partnery.“
Scintilační materiály, které jsou ústředním bodem projektu ASCIMAT, hrají stále důležitější úlohu nejen ve vědě a výzkumu, ale i v řadě praktických aplikací. Pracují totiž jako konvertor, který dokáže fotony vysokoenergetického záření (rentgenového nebo gama) nebo energii dopadajících urychlených elektronů, protonů či iontů přeměnit na skupinu fotonů z oblasti ultrafialového-viditelného (UV/VIS) záření, jež lze běžnými fotodetektory s velkou citlivostí převést na elektrický signál a dál ho zpracovat, konstatoval Martin Nikl: „Scintilátor může existovat v mnoha různých formách a má za úkol, zjednodušeně řečeno, převést neviditelné ionizující záření na záblesk světla. To je nutné proto, že veškerá detekční a monitorovací zařízení pracují s elektrickým signálem, musíme mít nějaký elektrický impulz, s nímž se posléze dále pracuje. My nemáme vhodné fotodetektory, které by uměly rovnou pracovat s ionizujícím zářením, ale k dispozici je široká škála citlivých fotodetektorů, jež dokážou pracovat s viditelným světlem. Scintilační materiál je tedy vlastně transformátor měnící ono ionizující záření na záblesk viditelného světla. Za ním je klasický fotodetektor vybraný podle příslušné aplikace, podle požadovaného výsledku – a ten posléze převádí světlo na elektrický signál. Jelikož většina aplikací pracuje v pulzním režimu, kdy se víceméně počítají vstupující fotony či další částice, potřebujeme, aby scintilátor reagoval rychle – což pro nás znamená desítky či stovky nanosekund. Už ze samého požadavku na rychlost plyne, že veškerá fyzikální proměna uvnitř scintilátoru musí probíhat rychle a účinně, aby byl celý proces v praxi použitelný.“
Scintilační materiály mají vysoký aplikační potenciál a nacházejí využití v zařízeních, která monitorují či zobrazují zmíněná záření nebo svazky částic, především v medicíně (zobrazovací metody PET, CT, SPECT, digitální radiografie, dynamická fluoroskopie, měření dávkového příkonu v radiačních terapiích), v průmyslové defektoskopii (kontroly svarů, vnitřní vady materiálů), bezpečnostních technikách (inspekce zavazadel a nákladů na letištích, překladištích a hraničních přechodech), v hi-tech přístrojích (např. elektronové mikroskopy), ale i v aplikacích v oblasti životního prostředí (detekce radonu) nebo ve vědě samotné, včetně fyziky vysokých energií a jaderné fyziky. Objemem největší použití monokrystalického scintilátoru najdeme v detektoru CMS na urychlovači LHC Evropské organizace pro jaderný výzkum – CERN, kde najdeme zhruba 80 000 monokrystalických scintilačních elementů o rozměrech přibližně 3 x 3 x 23 cm. Detektor CMS poskytl data pro objev teoreticky předpovězeného a dlouho hledaného Higgsova bosonu, za který byla v r. 2013 udělena Nobelova cena za fyziku.
Jak dále odborníci sdělili na tiskové konferenci, v rámci naplánovaných aktivit se konsorcium projektu soustředí na následující tři témata:
1. Radiační poškození a časové charakteristiky scintilačních materiálů (FZÚ – CERN).
2. Vliv dimenzionality materiálů a jejich charakteristiky v různých excitačních módech (FZÚ UCBL-ILM).
3. Vliv materiálových defektů na scintilační mechanismus (FZÚ – UNIMIB).
Aktivity projektu budou mít i přímý vliv na konkurenceschopnost dvou českých podniků, které se v nich budou formou vnější spolupráce účastnit. Jedním z nich je světově známý výrobce monokrystalických scintilátorů a radiačních detektorů s vysokým rozlišením používaných např. v elektronové mikroskopii, který na této tematice spolupracuje s Fyzikálním ústavem AV ČR více než 20 let. Druhý dodává do mnoha zahraničních destinací materiály, inženýrská řešení a služby pro jadernou energetiku, výzkumné ústavy a průmysl v oblasti monitorování ionizujícího záření a radiační ochrany. S FZÚ už několik let spolupracuje především na vývoji plastických scintilátorů.
Aktivity projektu budou přispívat i do inovačních platforem SMART specializační strategie ČR, jmenovitě „Engineering, electricity production and distribution, electrical engineering“ a „Pharmaceuticals and medical technology“.
Ve FZÚ k naplnění cílů projektu zásadní měrou přispěje v r. 2015 instalovaná světově unikátní technologie pěstování monokrystalů dielektrických materiálů, tzv. „micro-pulling down“, která byla dovezena z Japonska za finanční prostředky udělené docentovi Martinu Niklovi v rámci Akademické prémie v r. 2013. Vzhledem k rozmanitosti svého použití musí mít scintilační materiály velice různorodé vlastnosti – a nové zařízení má poskytnout monokrystaly pro řadu z nich, jak vysvětlil dr. Jan Pejchal.
„Aparatura ‚micro-pulling down‘ slouží k rychlému pěstování krystalů pro náš výzkum, díky čemuž můžeme ve velmi krátkém čase prozkoumat krystaly mnoha různých složení a zjistit, které je optimální pro daný účel. Například pro lékařské zobrazovací techniky se snažíme zdokonalovat účinnost materiálů, což umožní pacienta zatěžovat menší dávkou záření při vyšetření. V pozitronové emisní tomografii by měl mít krystal nejen vysokou účinnost, ale i rychlou odezvu, aby se zlepšilo rozlišení zmíněné zobrazovací metody. Díky tomu by bylo možné například diagnostikovat rakovinu v ranějším stadiu nebo přesněji lokalizovat ložisko nádoru.“
Na různé krystaly jsou podle dr. J. Pejchala různé odlišné požadavky: například pro detekci záření gama musí mít krystaly vysokou hustotu. Ve scintilačních detektorech pro detekci neutronů musí mít naopak nízkou hustotu, aby nebyly citlivé na záření gama, ale na neutrony, navíc musí obsahovat atomy, které s neutrony snadno interagují.
Nová technologie má fyzikům umožnit vydat se do zatím neprobádaných oblastí. Jedná se totiž o nejmodernější verzi technologie „micro-pulling down“ instalovanou mimo Japonsko, která nabízí zcela nové možnosti pro výzkum a vyhledávání nových scintilačních a laserových materiálů ve třídě dielektrických monokrystalů se širokým zakázaným pásem.
JANA OLIVOVÁ