Цавелов Стсинтиллятсионные кристаллы для плазмофизического експеримента 2015

ВВЕДЕНИЕ

Физическая картина явлений в плазме, получаемой на современных установках генерирующих плазму, далека еще от полного понимания и является предметом интенсивных исследований, которые невозможно проводить без создания диагностической аппаратуры, позволяющей получать надежную информацию о физических процессах в плазме.

Рентгеновское излучение (РИ) плазмы – один из основных источников получения такой информации. Исследование РИ плазмы является важной и сложной задачей, позволяющей понять физику протекающих процессов в плазме сильноточного разряда. С помощью рентгеновской диагностики можно получить такие важные параметры, как электронную температуру и плотность плазмы, а также проводить исследования динамики этих параметров как во времени, так и в пространстве.

Импульсное РИ горячей плазмы состоит из тормозного и рекомбинационного излучений с непрерывным энергетическим спектром

илинейчатого излучения. Рентгеновское излучение плазмы характеризуется высокой интенсивностью (до 1016 квантов за вспышку)

ималой длительностью ( 10-8 с), имеет довольно сложный спектр

смаксимумом в области 1 кэВ. Интенсивность рентгеновского излучения с ростом энергии квантов падает на несколько порядков, и от регистрирующей аппаратуры требуется высокая чувствительность и эффективность регистрации слабоинтенсивного высокоэнергетичного (Е > 25 кэВ) РИ. Момент образования плазмы сопровождается мощными электромагнитными помехами.

При таких условиях эксперимента классическая спектрометрия отдельных квантов РИ плазмы практически невозможна. Для получения информации о спектре излучения приходится применять различные ядерно-физические методы. Из целого ряда методов спектрометрии импульсного РИ наиболее привлекательны для

4

применения в физике плазмы методы, основанные на спектральной селекции первичного рентгеновского излучения, один из них – метод фильтров поглощения [19-21]. Спектроселектирующим элементом в данном методе является набор фильтров различной толщины. Непосредственно за фильтрами находятся детекторы, регистрирующие излучение, прошедшее через фильтры различной толщины. По показаниям этих детекторов строится кривая ослабления – зависимость энергии J(x) излучения, прошедшего сквозь фильтр, от толщины данного фильтра X:

где S(E) – спектральная характеристика детектора; ϕ(E) – искомый спектр; μ(E) – коэффициент ослабления излучения в фильтре.

Уравнение (В.1) является уравнением Фредгольма 1-го рода относительно функции ϕ(E) . Значения функции J (x) (кривой ослаб-

ления) измеряются детекторами в каждом канале спектрометра. Для решения уравнения (В.1) используются специальные методы математической физики [26].

Спектрометры, основанные на методе фильтров, являются многодетекторными приборами. Для измерения кривых ослабления чаще всего используются бериллиевые, алюминиевые, медные и свинцовые фильтры. В качестве детекторов могут применяться различные виды детекторов или их комбинации. Одними из наиболее привлекательных детекторов для использования в диагностике плазмы являются сцинтилляционные детекторы.

5

свечения, время нарастания и спада сцинтилляционного импульса, наличие послесвечения, зависимость величины конверсионной эффективности сцинтиллятора от энергии рентгеновских квантов. При разработке конструкции детекторов существенное значение имеют эффективность поглощения РИ, оптические свойства сцинтилляторов, его гигроскопичность, простота механической обработки. При различных условиях эксплуатации определяющими могут стать химическая, механическая или радиационная стойкость сцинтиллятора, температурная нестабильность его параметров.

В табл. 1.1 приведены основные параметры сцинтилляторов, которые могут быть наиболее эффективно использованы при решении задач регистрации РИ [1÷15]. Наибольшей конверсионной эффективностью æ, которая определяется как отношение световой вспышки к энергии поглощенного в сцинтилляторе ионизирующего излучения, обладают кристаллы NaI(Tl). Для этих кристаллов æ = = 8–12 %, в современных образцах значение конверсионной эффективности достигают 15–16 %. [16]. В таблице значения конверсионной эффективности даны в относительных величинах V в процентах к кристаллу NaI(Tl). Из данных таблицы видно, что лучшими по величине конверсионной эффективности являются активированные щелочно-галоидные кристаллы NaI(Tl), CsI(Na) и CsI(Tl). Конверсионная эффективность в этих кристаллах определяется в основном оптимальной концентрацией активатора и однородностью его распределения в объеме сцинтиллятора [2]. Несколько меньшую величину конверсионной эффективности имеют кристаллы CdWO4, Bi4Ge3O12, YAlO3:Ce, Y3Al5O12:Ce. Конверсионная эффективность таких кристаллов зависит главным образом от чистоты компонентов исходной шихты и условий роста кристаллов [6].

7