ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 6, с. 16-25
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.07 + 539.1.074.3
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ LaBr3:Ce и CeBr3
© 2013 г. А. Ф. Июдин*, **, В. В. Богомолов*, **, ***, С. И. Свертилов*, **, ***, И. В. Яшин*, G.F. SmootIII**, J. Greiner****, А. fon Kienlin****
*НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ **Лаборатория экстремальной Вселенной МГУ ***Физический факультет МГУ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ) Россия, 119992, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 2 E-mail: aiyudin@srd.sinp.msu.ru, sis@coronas.ru ****Max Plank Institute of Extra-TerrestrialPhysics, Munich, Germany Поступила в редакцию 07.09.2012 г.
Рассмотрены результаты измерений энергетического разрешения сцинтилляционных кристаллов LaBr3:Ce и СеБг3 различной геометрии, выращенных в Институте твердого тела РАН по техническому заданию НИИЯФ МГУ. Измерения проводились в диапазоне энергий у-квантов от 20 кэВ до ~5 МэВ. Исследовались образцы цилиндрической формы размером 00.5 х 1.5 и 00.5 х 3.0 см. Для кристаллов СеВг3 исследовано также позиционное разрешение вдоль оси кристалла для случая измерения амплитуд световых вспышек с двух противоположных торцов кристалла. Показано, что зависимость отношения таких амплитуд от расстояния от торца до места взаимодействия у-кванта в детекторе имеет практически линейный характер. При этом позиционное разрешение вдоль длины кристалла сопоставимо с диаметром кристалла, что позволяет сделать вывод о перспективности использования кристаллов СеВг3 в качестве позиционно-разрешаемых элементов пространственно-чувствительных детекторов энергичных частиц и у-квантов.
DOI: 10.7868/S0032816213050170
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее перспективных направлений экспериментальной физики атомного ядра и элементов частиц является разработка и создание детектирующих систем, обладающих позиционной и пространственной чувствительностью. Позицион-но-чувствительные детекторы (п.ч.д.) позволяют локализовать место взаимодействия частицы или у-кванта. В случае регистрации у-квантов п.ч.д. с кодирующей маской появляется потенциальная возможность получать изображение излучающего у-лучи объекта. Что касается пространственно-чувствительных детекторов (пр.ч.д.), то они наиболее эффективны в экспериментах с регистрацией частиц и у-квантов высоких энергий: они позволяют восстанавливать траектории вторичных частиц в каскадах и определять тип и направление частицы. В последнее время подобные детекторы (п.ч.д. и пр.ч.д.) помимо традиционных областей использования в физике частиц и космических лучей стали все шире применяться и в астрофизике в качестве базовых элементов современных космических гамма-телескопов.
Как правило, позиционно(пространственно)-чувствительные детекторные системы состоят из множества субдетекторов (пикселей). В случае сцинтилляционных детекторов для регистрации у-квантов к субдетекторам (пикселям) предъявляются особые требования: помимо приемлемого позиционного (пространственного) разрешения они должны обладать высокими энергетическим и временным разрешениями. В этом плане наилучшими характеристиками, как известно, обладают полупроводниковые детекторы. Однако вследствие высокой стоимости и технических сложностей в эксплуатации (в частности, необходимости охлаждения) их широкое применение в сложных детектирующих устройствах существенно затруднено. Поэтому все больший интерес представляет использование в качестве пикселей п.ч.д. и пр.ч.д. перспективных неорганических сцинтилляторов на основе бромидов лантана и церия, по своему энергетическому разрешению приближающихся к полупроводниковым детекторам.
Кристаллы ЬаБг3:Се и СеБг3 обладают высоким световым выходом (~60000 фотонов/МэВ),
высокой плотностью (~5.3 г/см3) и малым временем высвечивания (~20 нс) [1—3]. Последнее позволяет получить высокую точность временных измерений и высокую пропускную способность измерительного тракта. Относительно высокая плотность кристаллов ЬаБг3:Се и СеБг3 обеспечивает высокую эффективность регистрации у-квантов в широком диапазоне энергий. Благодаря большому световыходу сцинтилляционные кристаллы на основе бромидов лантана и церия обладают высоким энергетическим разрешением. В частности, для кристалла ЬаБг3:Се объемом 1 см3 при комнатной температуре было достигнуто разрешение ~2.6% с учетом разброса сигнала на выходе фотоумножителя, что почти в 2 раза лучше аналогичной характеристики кристалла №1(11) такого же размера [1]. Наши исследования энергетического разрешения модуля, состоящего из кристаллов ЬаБг3:Се, СеБг3 различной геометрии, с различными фотоприемниками показали сильную зависимость энергетического разрешения модуля от геометрии кристалла и квантовой эффективности фотоприемника. Энергетическое разрешение также зависит от температуры кристалла, от времени интегрирования сигнала фотоприемника, а также от временных свойств фотоприемника, в качестве которых используются фотоэлектронные умножители (ф.э.у.), лавинные фотодиоды, 8ьф.э.у. или дрейфовые 8ьфотодиоды. Собственное энергетическое разрешение ЬаБг3:Се ожидается на уровне ~1.5% при энергии фотонов 662 кэВ, но на сегодняшний день получено разрешение ~2.6% с лавинным фотодиодом с собственным разрешением =0.5% [4].
В качестве пикселей пр.ч.д., как правило, используются сцинтилляционные кристаллы вытянутой формы, у которых длина в несколько раз больше поперечного размера. Двумерная матрица таких сцинтилляторов (с круглым или прямоугольным сечением) позволяет реконструировать трехмерную картину взаимодействия регистрируемой частицы или у-кванта в объеме детектора, сравнивая амплитуды выходных сигналов фотоприемников, расположенных на обоих торцах пикселя [5, 6]. За счет поглощения в сцинтилля-торе и потерь при отражении света от боковых стенок упаковки кристалла амплитуда выходного сигнала данного фотоприемника будет тем меньше, чем дальше от соответствующего торца произошло взаимодействие. Таким образом, амплитуда выходного сигнала каждого из фотоприемников, нормированная на их суммарную амплитуду, может служить мерой расстояния места взаимодействия от торца кристалла. Точность локализации места взаимодействия определяется как поперечным размером пикселя, так и эффективностью светосбора на фотодетектор.
До сих пор подобные системы реализовыва-лись на сцинтилляторах типа NaI(Tl) и CsI(Tl) (см., например, [7]).
В данной работе для проверки возможностей использования кристаллов на основе бромидов лантана и церия в качестве пикселей пр.ч.д. была выполнена серия измерений амплитуды выходного сигнала фотоприемника в зависимости от места расположения источника у-квантов для кристалла CeBr3 цилиндрической формы 05 x 30 мм. Кроме того, были проведены детальные измерения энергетического разрешения некоторых образцов кристаллов LaBr3:Ce и СеВг3, выращенных в Институте физики твердого тела РАН.
СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Схема экспериментальной установки, использовавшейся нами для измерений энергетического разрешения кристаллов LaBr3:Се и СеВг3 размерами 05 x 30 мм, приведена на рис. i (положение аналоговых ключей) соответствует исходному состоянию). Установка содержала собственно детекторный узел, состоящий из исследуемого сцинтил-ляционного кристалла и фотоэлектронного умножителя (использовались ф.э.у. Hamamatsu Ri307, Н5783-03 или R3998-i00-02), помещенных в све-тоизолирующую коробку (на схеме не показана), а также измерительную электронику. В состав установки также входили персональный компьютер, с помощью которого считывались и обрабатывались сигналы выходных регистров, а также осциллограф (Tektronix TDS30i2B) и генератор импульсов (Tektronix AFG3i02), использовавшиеся для настройки электроники. Исследуемый кристалл устанавливался примерно в центре входного окна ф.э.у. Оптический контакт между выходным окном упаковки кристалла и входным окном ф.э.у. обеспечивался с помощью специальной смазки на основе глицерина.
Платы электроники содержали источники питания ф.э.у. (на основе высоковольтного DC/DC-конвертера EMCO CA20N) и микросхемы, с помощью которых осуществлялись измерения. Сигналы с анода ф.э.у. поступали на предусилитель (AD80i4), к выходу которого были подключены усилители-формирователи (AD80i4) трактов измерения амплитуды и формирования триггера. Триггер формировался с помощью амплитудного дискриминатора на основе компаратора (AD856i) при превышении выходным сигналом ф.э.у. определенного "фонового" уровня, соответствовавшего энерговыделению в сцинтилляционном кристалле ~i0 кэВ. Этот триггерный сигнал (прямоугольный т.т.л.-импульс длительностью 0.5 мкс) соответствовал началу регистрируемого события, и по его фронту запускалась схема формирования управляющих сигналов, которая вырабатывала
формирователь
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения энергетического разрешения сцинтилляционных детекторов.
т.т.л.-импульсы, управляющие аналоговым ключом и выходным регистром.
Аналоговый ключ использовался для преобразования быстро меняющегося выходного сигнала ф.э.у. в практически постоянный уровень напряжения, пригодный для анализа его величины с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательных приближений. В исходном состоянии оба плеча аналогового ключа находились в замкнутом положении, показанном на рис. 1. В этом состоянии осуществлялось интегрирование сигнала с характерным временем ~150 нс. По сигналу Хранение от схемы управляющих сигналов первое плечо ключа размыкалось, в результате чего на отсоединенном от входа конденсаторе продолжал сохраняться заряд, накопленный с момента начала импульса. Переключение происходило через интервал времени ~50 нс, что с учетом времени высвечивания сцинтиллятора (~20 нс) обеспечивало практически полный светосбор.
Сформированный в результате интегрирования уровень напряжения через дополнительный развязывающий усилитель подавался на АЦП (АС7492). По истечении времени преобразования (~1 мкс) по сигналу Разряд от схемы управляющих сигналов интег
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.