ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 2, с. 29-33
УДК 539.1.07
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
ДЕТЕКТОР ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТОНКИХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРАХ
© 2013 г. В. В. Бердников, Ю. Б. Гуров, |Б. А. Долгошеин|, В. В. Дмитренко, Б. И. Заднепровский, В. А. Канцеров, В. В. Сосновцев, В. О. Тихомиров*, А. П. Шмелева*
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 *Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 Поступила в редакцию 10.04.2012 г.
Исследована возможность создания прототипа сцинтилляционного детектора переходного излучения (с.д.п.и.) на основе тонкого (~200 мкм) неорганического сцинтиллятора. Измерения с образцами неорганического сцинтиллятора на основе LuBOз:Ce и спектросмещающими волокнами проводились с помощью вакуумного и кремниевого фотоумножителей. Экспериментально определены коэффициент светосбора с опытных образцов сцинтиллятора от источников у-излучения и количество фотоэлектронов при облучении источником у-квантов ^Лта рабочего вещества с.д.п.и. Ожидается, что коэффициент режекции электронов от адронов для предлагаемого с.д.п.и. составит ~30.
БО1: 10.7868/80032816213010291
ВВЕДЕНИЕ
В традиционных детекторах переходного излучения (д.п.и.) [1] для регистрации заряженной частицы, а также рожденных ею у-квантов переходного излучения используются газовые детекторы на основе аргона или ксенона. Принцип работы, технология изготовления и условия эксплуатации газовых детекторов хорошо известны. Однако необходимость использования достаточно громоздкой системы газового обеспечения, включающей в себя систему очистки газа, циркулирующего через объем детектора, усложняет условия эксплуатации д.п.и. Особенно это актуально для установок, расположенных на космических аппаратах.
В качестве альтернативы газовому детектору для регистрации у-квантов переходного излучения можно использовать твердотельный, например, сцинтилляционный детектор переходного излучения (с.д.п.и.). Основными проблемами при создании такого детектора являются выбор сцинтилля-тора и сбор света на фотоприемник. Оптимальная толщина сцинтиллятора д.п.и. должна обеспечивать надежное разделение сигналов от ионизационных потерь, оставленных частицей в рабочем веществе детектора, и ионизационных потерь у-квантов переходного излучения. Если в типичном газовом детекторе на основе ксенона толщина рабочего вещества составляет ~1 см, то эквивалентный сцинтиллятор на основе лютеция должен иметь толщину ~10 мкм.
СХЕМА С.Д.П.И.
На рис. 1 представлена схема предлагаемого детектора переходного излучения на тонких сцин-тилляторах со считыванием информации с помощью кремниевого фотоумножителя (ф.э.у.).
Детектор состоит из нескольких идентичных секций. Каждая секция содержит радиатор в виде полипропиленовых пленок, в котором происходит генерация у-квантов переходного излучения. Далее расположен тонкий слой сцинтиллятора, где регистрируются проходящая заряженная частица и у-кванты переходного излучения. За сцин-тиллятором находится слой спектросмещающих волокон (с.в.) (сечением 1 х 1 мм2) для сбора света от сцинтилляционной вспышки.
Регистрация света с торцов волокон осуществляется фотоприемниками на основе кремниевых ф.э.у. Для уменьшения общего количества последних предлагается девять волокон сечением 1 х 1 мм2 собрать в одну группу, и полученную матрицу оптически соединить с кремниевым ф.э.у. 3 х 3 мм2. Следует отметить, что в качестве фотоприемника можно использовать обычные вакуумные фотоумножители, поместив сцинтил-ляционную пленку непосредственно на входное окно ф.э.у. Однако в такой конфигурации практически невозможно построить многосекционный д.п.и. из-за слишком большого количества вещества на пути регистрируемой частицы, вносимого фотоумножителями. При этом обеспечить достаточно высокую степень идентифика-
БЕРДНИКОВ и др. р С Р С йЕ/йх ИК
СВ
ПК
81-ф.э.у,-
Рис. 1. Схема с.д.п.и. П — пучок частиц; Р — радиатор; С — сцинтиллятор; СВ — спектросмещающие волокна; ИК -ионизационный кластер, оставленный частицей; ПК — ионизационный кластер фотона переходного излучения; Ф -фотон переходного излучения.
ции частиц с помощью одно- или двухсекционного детектора крайне проблематично.
ПАРАМЕТРЫ С.Д.П.И.
В простейшем случае разделение сигналов от электронов и адронов может быть выполнено путем измерения числа фотоэлектронов, регистрируемых всеми секциями с.д.п.и. Одним из важнейших параметров, определяющих режекционную способность с.д.п.и., является эффективность сбора света, произведенного в сцинтилляторе.
Количество первичных фотоэлектронов (ф.э.) в фотодетекторе (или, более точно, число сработавших пикселов в случае кремниевого ф.э.у.) может быть определено как
Нфэ = Ек,
(1)
где Дфэ, ф.э. — число зарегистрированных фотоэлектронов; Е, кэВ — энергетические потери (ионизационные от первичной частицы и у-кван-та переходного излучения) в веществе сцинтил-лятора; к, ф.э./кэВ — коэффициент светосбора.
Коэффициент к представляет собой произведение световыхода сцинтиллятора, эффективности захвата света из сцинтиллятора в волокно, эффективности переизлучения света в волокне и транспортирования его от точки переизлучения до фотоприемника, а также квантовой эффективности фотоприемника. Значение коэффициента светосбора к может быть получено в результате измерений. По приблизительным оценкам, свето-выход неорганических сцинтилляторов на основе лютеция составляет ~30 фотонов/кэВ, эффективность захвата света из сцинтиллятора в волокно ~0.2, эффективность переизлучения и транспортировки света в волокне ~0.07, эффективность фотоприемника на основе кремниевого ф.э.у. фирмы НАМАМА^и - 0.4 [2]. Таким образом, оценка дает величину коэффициента светосбора к ~ 0.17. Ионизационные потери заряженной частицы в слое сцинтиллятора на основе лютеция
толщиной 10 мкм составляют ~10 кэВ, а типичная энергия кванта переходного излучения ~15 кэВ. С учетом этого можно ожидать регистрацию ~1.7 ф.э. от ионизационных потерь и ~2.5 ф.э. от кванта переходного излучения. Очевидно, что такое незначительное число фотоэлектронов подвержено сильным статистическим флуктуациям, что может отрицательно сказаться на режекционной способности с.д.п.и.
ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТОВЫХОДА ТОНКОГО СЦИНТИЛЛЯТОРА
Для экспериментальной проверки возможности регистрации у-кванта переходного излучения с помощью тонкого сцинтиллятора использовались образцы пленок с различными концентрациями гранул кристаллического вещества сцин-тиллятора. В качестве исходного материала был выбран кристаллический ортоборат лютеция, активированный церием. ЬиБ03:Се является наиболее быстрым сцинтиллятором с большими све-товыходом и атомным номером Z. В работе использовались образцы пленки, полученные путем растворения гранул нанопорошка ЬиБ03:Се в оптически прозрачном эпоксидном клее.
В диапазоне энергий у-квантов, характерном для переходного излучения, доминирующим типом взаимодействия у-квантов с веществом пленки является фотоэффект, сечение которого для ЬиБ03:Се на несколько порядков выше, чем для эпоксидной связки. При этом потери энергии у-квантов происходят дискретными порциями, распределенными по N гранулам сцинтиллятора размером 1-2 мкм, и расходуются на ионизацию и образование фотоэлектронов [3].
Исследования характеристик различных образцов сцинтиллятора на основе ЬиБ03:Се проводились с использованием фотоумножителя ФЭУ-143 (рис. 2).
Образец пленки площадью 12 х 12 мм2 с помощью оптической смазки был приклеен к входно-
ДЕТЕКТОР ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
31
Вакуумный ф.э.у.
У
ЛР
Д
С ОС
ЛЗ
К
т
А
Рис. 2. Схема установки. И — источник 5^е или 241Лш; С — сцинтиллятор; ОС — оптическая смазка; У — усилитель; ЛР — линейный разветвитель; ЛЗ — линия задержки; Д — дискриминатор; Т — триггерный вход; А — аналоговый вход; К — кодировщик.
му окну ф.э.у. Противоположная поверхность пленки зазеркалена. Сцинтиллятор облучался источниками у-квантов 241Лш и 55Бе. Измерение амплитудного распределения сигналов с ф.э.у. проводилось в режиме самозапуска, т.е. строб-сигнал для кодировщика формировался от сигнала с ФЭУ-143.
Количество фотоэлектронов оценивалось с помощью ФЭУ-143, откалиброванного в одноэлек-тронном режиме, при импульсной засветке светоди-одом (рис 3а). После обработки спектра было вычислено положение центра пика пьедестала (1) и положение центра пика (2) от одного фотоэлектрона. По разнице этих положений определено, что одному фотоэлектрону соответствует 4.5 ± 0.5 канала кодировщика. Амплитудные спектры сигналов с тонкого сцинтиллятора представлены на рис. 3б и 3в. Среднее количество фотоэлектронов с пленки при облучении ее источниками 241Лш и 55Бе составляет 18 и 8 фотоэлектронов соответственно, что соответствует коэффициенту светосбора ~1.2 ф.э./кэВ.
ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТОСБОРА С.Д.П.И.
Для тонкого сцинтиллятора достаточно большой площади возникает проблема светосбора на
кремниевый фотодиод ф.э.у. Это возможно с помощью спектросмещающих волокон.
Схема установки для исследования возможности регистрации у-квантов с помощью спектросмещающих волокон и кремниевого ф.э.у. представлена на рис. 4.
Образец сцинтилляционной пленки размещают на плоскости из квадратных переизлучающих волокон сечением 1 х 1 мм2. Торцы девяти волокон уложены в квадрат площадью 3 х 3 мм2 и состыкованы с чувствительной областью кремниевого ф.э.у. НЛМЛМЛТ8и. Свободные торцы волокон заклеены зеркальной пленкой. Сцинтиллятор облучается источником у-квантов 241Лш. Часть света (~0.2) от сцинтилляционных вспышек захватывается волокнами, переизлучается и транспортируется к чувствительной области кремниевого ф.э.у. Остальная часть регистрируется ФЭУ-143. Сигнал с вакуумного ф.э.у. является строб-сигналом для запуска кодировщика при измерении амплитуды сигнала, зарегистрированного кремниевым ф.э.у.
Амплитудный спектр сигналов с кремниевого ф.э.у. и фоновый спектр сигналов в отсутствие источника 241Лш приведены на рис. 5а. На рис. 5б представлен амплитудный спектр сигналов от кремниевого ф.э.у. за вычетом фона.
Количество фотоэлектронов, зарегистр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.