Цавелов Стсинтиллятсионные кристаллы для плазмофизического експеримента 2015
.pdf
Рис. 2.1. Окончание
Рис. 2.2. Типовые спектральные характеристики фоточувствительности: 1 – кремниевый поверхностно-барьерный; 2 – кремниевый с p-n переходом; 3 – кремниевый с p-i-n структурой; 4 – гетеродиод Cu2Se – CdSe; 5 – арсенидгаллиевый фотодиод с p-n переходом; 6 – ФЭУ-79
11
Полупроводниковые приборы с внутренним усилением существенно расширяют область применения систем «сцинтиллятор + фотодиод». Использование лавинных фотодиодов позволяют в 50 раз улучшить отношение сигнал/шум. Лавинные фотодиоды отличаются высокой чувствительностью, быстродействием до 10-9 с и квантовой эффективностью 65 % при коэффициенте усиления 102÷104. В настоящее время лавинные фотодиоды активно применяются в различных ядерно-физических экспериментах [37].
Используя новые виды фотодиодов, удалось создать и испытать системы сцинтиллятор (CsI(Tl)) + фотодиод (ФКД-3,5; ФГМ-2), которые показали при спектрометрии заряженных частиц с энергией > 5 МэВ (5,48 МэВ) энергетическое разрешение 9 %, а при спектрометрии γ-квантов с энергией 662 кэВ (источник 137Cs) система CsI(Tl) + фотодиод (Cu2Se – CdSe) показала энергетическое разреше-
ние ≈ 20 %.
Дополнительные преимущества фотодиоды приобретают при использовании в сцинтилляционном детекторе оптоволоконных световодов для пространственного разделения сцинтиллятора и приемника света. Как видно из сравнения рис. 2.2 и 2.3, спектр чувствительности кремниевых фотодиодов хорошо соответствует спектральной зависимости светопропускания большинства оптических волокон, прозрачность которых резко падает при значениях длин волн меньше
400÷500 нм [22÷25].
Следует отметить, что применение оптоволоконных световодов позволяет уменьшить размеры детекторной части спектрометра, а также снизить воздействие электромагнитных наводок на его электронную часть (одно из основных требований при создании приборов рентгеновской диагностики плазмы).
Собственные результаты исследований конверсионной эффективности и спектральных характеристик кристаллов, указанные в табл. 1.1, не противоречат литературным данным и показаны на рис. 2.1.
При конструировании сцинтилляционных детектирующих систем необходимо учитывать такие оптические свойства кристаллов, как прозрачность к собственному излучению и показатель преломления. Эти характеристики сцинтилляторов существенно влияют количество света, попавшего на фотоприемник.
12
Рис. 2.3. Спектральная зависимость светопропускания оптических волокон длиной 1 м, изготовленных из различных материалов: 1 – полимерные волокна [23]; 2 – кварцевые световоды с боросиликатной оболочкой [24]; 3 – кроны [22]; 4 – флинты [22]; 5 – тяжелые флинты [22]; 6 – многожильный волокнистый световод фирмы
«Maguar-optical» длиной 1,65 м
Значение показателей преломления n для различных сцинтилляторов изменяются в широком диапазоне от 1,6 до 2,15 [1, 3].
Показатель преломления определяет угол полного внутреннего отражения света θn на границе раздела двух оптических сред:
θn =arcsin n1 ,n2
где n1 и n2 – показатели преломления сцинтиллятора и внешней среды соответственно. При углах падения θn и π/2 световой луч испытывает полное отражение от границы раздела сред. Чем больше показатель преломления, тем меньше угол полного отражения, а следовательно, меньшее количество света может выйти за пределы сцинтиллятора и попасть на фотоприемник. Для кристаллов NaI(Tl) (n = 1,83) и Bi4Ge3O12 (n = 2,15) углы полного внутреннего отражения на границе
13
«кристалл-воздух» равны θn = 33° и θn = 28° соответственно. Для увеличения количества света, попадающего на фотоприемник, между выходным окном сцинтиллятора и фотоприемника вводят оптическую смазку или оптический клей с показателем преломления n = 1,5. В этом случае на границе раздела «кристалл-оптическая смазка» будем иметь θn = 55° для кристалла NaI(Tl) и θn = 44° для кристалла
Bi4Ge3O12.
Большое значение при выборе сцинтиллятора для детектора рентгеновских и гамма-квантов имеет эффективность регистрации этого излучения. Эффективность регистрации зависит от геометрических размеров сцинтиллятора, его плотности и элементного состава.
Способность сложных веществ к фотоэлектрическому поглощению при энергиях квантов, превышающих энергию К-уровней, образующих соединение элементов, приближенно характеризуется эффективным атомным номером [36]:
Zэф = 3 ∑bi Zi4 / ∑bi Zi ,
i |
i |
где bi – число грамм атомов элемента с атомным номером Zi в единице объема, или число атомов в молекуле вещества. Значения Zэф для ряда сцинтилляторов приводятся в табл. 1.1. Наибольший эффективный атомный номер имеет кристалл Bi4Ge3O12 (Zэф = 74), а наименьший пластмассовый сцинтиллятор (Zэф = 5).
Эффективность регистрации рентгеновских квантов сцинтиллятором имеет существенное значение при измерении высокоэнергетичной (более 100 кэВ) части спектра РИ плазмы, где выход рентгеновских квантов мал.
14
3. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Изучению временных характеристик посвящено довольно много работ [3, 13, 26]. Такие параметры кристаллов, как время нарастания и время высвечивания сцинтилляционного импульса, а также наличие послесвечения в основном определяют временные характеристики сцинтилляционных детекторов.
Исследование временных характеристик сцинтилляторов проводилось однофотонным методом на установке, описанной в работе [39]. Данные исследования важны как для разработки детектирующей части, так и для понимания механизмов сцинтилляционного процесса (переноса энергии ионизирующего излучения от основного вещества к центрам свечения) [38]. Малое время нарастания имеют такие неорганические кристаллы, как BaF2 (1 нс) [8], Bi4Ge3O12
(2,7 нс) [27], NaI(Tl) (5 нс) [26], CsF (0,35 нс) [13], CdI2 (0,23 нс) [14], YAlO3:Ce (4 нс) [13]. Большинство органических сцинтилляторов имеет время нарастания сцинтилляционного импульса порядка 1 нс [26]. Время высвечивания большинства неорганических сцинтилляторов составляет десятки-сотни наносекунд. Однако есть кристаллы с малым временем высвечивания, например CdI2 (0,96 нс) [14], CsF (5 нс) [3], YAlO3:Ce (24 нс) [13]. Время высвечивания практически всех органических сцинтилляторов – единицы-десятки наносекунд. Специальные пластмассовые сцинтилляторы типа СПС имеют время высвечивания меньше 1 нс [28]. Результаты измерений приведены в табл. 1.1и хорошо согласуются с литературными данными.
Сцинтилляторы с малой длительностью световой вспышки (CdI2) эффективно используются в системах диагностики РИ плазменных объектов с временным разрешением [29].
Следует отметить, что спектр высвечивания кристалла CdI2 хорошо согласуется с оптическими световодами, а также не совпадает со
15
спектром ультрафиолетового свечения, возникающего в плазменном разряде. Это позволяет использовать CdI2 для временных исследований мягкой компоненты (10÷1000 эВ) РИ плазмы, спектрально выделяя сцинтилляционное свечение данного кристалла.
16
4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
Условия эксплуатации сцинтилляционных детекторов – температура окружающей среды, наличие механических воздействий – также играют существенную роль в выборе сцинтиллятора. Параметры всех сцинтилляторов в большей или меньшей степени зависят от температуры. С изменением температуры меняются и значение конверсионной эффективности, и временные характеристики сцинтиллятора, в ряде случаев изменяется и спектр свечения. На рис. 4.1 приведена полученная зависимость величины конверсионной эффективности в относительных величинах V в процентах к кристаллу NaI(Tl) для ряда сцинтилляторов в диапазоне температур от – 80 до +140 °С. Как видно из рисунка, для щелочно-галоидных кристаллов NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na) характерно наличие максимума в средней части данного диапазона и уменьшение свечения к его краям. Такая температурная зависимость может быть связана с процессом диффузии Vk-центров к центрам свечения и характером рекомбинационного свечения [31]. В зависимости конверсионной эффективности кристаллов YAlO3:Ce от температуры имеет место относительно широкое плато (от – 20 до +60 °С), где амплитуда сцинтилляцийпочтипостоянна.
Для кристаллов Bi4Ge3O12 и CaF2(Eu) в показанном диапазоне температур наблюдается монотонный спад конверсионной эффективности, причем для кристалла CaF2(Eu) этот спад выражен значительно слабее, чем для Bi4Ge3O12. Согласно выводам авторов работы [6] спад свечения Bi4Ge3O12 при нагревании объясняется возрастанием вероятности без излучательных переходов в центрах свечения.
17
При выборе кристалла для эксплуатации в заданных условиях важно учесть их механические и химические свойства. Кристаллы
NaI(Tl), CsI(Na), CsF, CaI2(Tl), антрацен, стильбен, нафталин являют-
ся гигроскопичными и выпускаются промышленностью упакованными в герметичный специальный контейнер. Остальные кристаллы, приведенные в табл. 1.1, не гигроскопичны и не требуют специальной защиты от влаги.
Рис. 4.1. Зависимость величины конверсионной эффективности ряда сцинтилляторов от температуры (кривые отнормированны относительно конверсионной эффективности кристалла NaI(Tl), взятой равной 100 % при T = 296°K): 1 – NaI(Tl); 2 –
CsI(Na); 3 – CsI(Tl); 4 – CaF2(Eu); 5 – YAlO3:Ce; 6 – CdWO4; 7 – Bi4Ge3O12
Механическая прочность различных типов сцинтилляторов сущест-
венно различна. Кристаллы Bi4Ge3O12, CdWO4, YAlO3:Ce, Y3Al5O12:Ce –
очень прочные и стойкие к агрессивным средам. Кристалл CdI2 имеет слоистую структуру и требует специальной механической обработки для придания кристаллу определенной формы. Пластмассовые сцин-
18
тилляторы типа ПС, СПС и щелочно-галоидный кристалл CsI(Tl) – довольно прочные и хорошо подвергаются механической обработке. Немаловажным является то, что данным сцинтилляторам путем механической обработки можно придать необходимую форму. Коэффициент твердости длякристаллов Bi4Ge3O12 и CsI(Tl) равен 5 и2 соответственно [3] пошкалеМооса.
19
5.НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ
ВСЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРАХ
При спектрометрии рентгеновских и гамма-квантов важно, чтобы в сцинтилляционном спектрометре существовала пропорциональность между амплитудой импульса на выходе электронной схемы и энергией регистрируемых частиц. Обычно вопрос о пропорциональности спектрометра сводится к характеру зависимости светового выхода сцинтиллятора (или удельного световыхода частиц L/E) от энергии Е регистрируемых частиц. Зависимость световыхода L/E от энергии квантов показана на рис. 5.1 для кристаллов NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na), Bi4Ge3O12, CdWO4, ZnWO4, YAlO3:Ce, Y3Al5O12:Ce. При нормировке кривых величина амплитуды импульса на единицу равна единице для энергии 662 кэВ для всех исследованных кристаллов, кроме YAlO3:Ce и Y3Al5O12:Ce. Для этих кристаллов нормировка произведена при энергии 391 кэВ. При выполнении строго линейной зависимости между величиной импульса на единицу поглощенной энергии и энергией квантов экспериментальные точки должны ложиться на прямую, параллельную оси энергии.
Для возбуждения в кристаллах сцинтилляций использовались радиоизотопные источники с энергией излучения гамма-квантов в диапазоне от 24 до 662 кэВ, а также характеристическое излучение K- серий ряда элементов от титана до индия, облучаемых излучением импульсной рентгеновской трубки. Энергетический диапазон характеристического излучения изменяется от 4,5 до 24 кэВ. Методика проведения эксперимента подробно описана в работе [32].
20