ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 5, с. 40-44
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА LaBг3:Ce И ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ ФЭУ-184
© 2013 г. А. С. Симутин, М. Ю. Чернов, А. А. Гасанов*, А. Д. Орлов**, Н. В. Классен**, С. З. Шмурак**
ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова Россия, 127055, Москва, ул. Сущевская, 22 *ОАО "Гиредмет" Россия, 119017, Москва, Б. Толмачевский пер., 5, стр. 1 ** Институт физики твердого тела РАН Россия, 142432, Черноголовка Московской обл., ул. Академика Осипьяна, 2 Поступила в редакцию 16.10.2012 г.
Представлены результаты исследований сцинтилляционного детектора на основе кристалла ЬаВг3:Се и фотоумножителя ФЭУ-184. Показано, что оптимизация схемы подключения ФЭУ-184, заключающаяся в регистрации сигнала с предпоследнего динода, позволяет реализовать спектрометрические возможности кристалла ЬаВг3:Се.
Б01: 10.7868/8003281621305008Х
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы значительно возросла потребность в новых, более эффективных преобразователях ионизирующего излучения в кванты света (сцинтилляторах). Это обусловлено широким применением сцинтилляторов в различных областях науки, техники и медицины. Они используются для мониторинга окружающей среды, контроля работы атомных электростанций, проведения исследований в астрофизике, физике высоких энергий, в компьютерных томографах, для геологической разведки полезных ископаемых, в системах, используемых для таможенного досмотра, обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ [1—5].
Для решения вышеперечисленных задач требуются сцинтилляторы, имеющие высокий све-товыход, малое время высвечивания и высокое энергетическое разрешение. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяет бромид лантана, легированный церием, который является самым эффективным из используемых в настоящее время сцинтилляторов. Его световыход при регистрации у-квантов составляет ~65000 фото-нов/МэВ, что примерно в 1.5 раза выше световы-хода широко используемых сцинтилляторов Св1:Т1 и №1:11. Время высвечивания (т) сцинтиллятора ЬаВг3:Се составляет ~18 нс, что примерно на порядок меньше, чем для №1:11, и почти на два порядка меньше, чем для СзТ:Т1. Монокристалл
ЬаВг3:Се имеет высокое энергетическое разрешение. Рекордное разрешение, полученное на кристалле ЬаВг3:Се на линии 662 кэВ (137С8), составило 2.8%. Это почти в 2 раза выше, чем наилучшее разрешение, полученное для №1:11. Основные характеристики сцинтилляторов №1:11 и ЬаВг3:Се представлены в табл. 1 [6—8].
Таким образом, по целому ряду параметров — высокому световыходу, малому времени высвечивания, энергетическому разрешению — ЬаВг3:Се
Таблица 1. Основные характеристики сцинтилляторов №1:Т1 и ЬаВг3:Се
Характеристики Сцинтиллятор
№1:Т1 ЬаВг3:Се
Плотность, г/см3 3.67 5.29
Световыход, 104 фотон/МэВ 4 ~6.5
Собственное энергетическое разрешение (662 кэВ), % 5.9 2.8
Время высвечивания, нс ~200 ~18
Максимум спектра излучения, нм 415 365, 385
Естественная радиоактивность Нет Распад 138Ьа
Гигроскопичность Есть Есть
а ии
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. ИИ — источник ионизирующего излучения; ЗЧУ — зарядо-чувствительный предусилитель; У — усилитель: АА — амплитудный анализатор.
превосходит известные преобразователи ионизирующего излучения. Пожалуй, единственным недостатком бромида лантана, легированного церием, является его крайне высокая гигроскопичность.
Свечение, возникающее при возбуждении кристалла LaBr3:Ce ионизирующим излучением, регистрируется, как правило, фотоэлектронными умножителями (ф.э.у.) фирм Hamamatsu (Япония) или ET Enterprises Ltd (Англия). Представляется целесообразным установить, какие ф.э.у., выпускаемые отечественной промышленностью, способны реализовать спектрометрические возможности кристалла LaBr3:Ce.
Исследования, проведенные в настоящей работе, показали, что при специальной схеме подключения фотоумножитель ФЭУ-184 позволяет получать на кристалле LaBr3:Ce такое же разрешение, как и ф.э.у. R-1306 (Hamamatsu). В работе исследованы такие спектрометрические характеристики сборки LaBr3:Ce с ФЭУ-184, как пропорциональность амплитуды сигнала энергии излучения (линейность), а также энергетическое разрешение при разных энергиях у-квантов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Выращивание монокристаллов LaBr3:Ce диаметром 25 мм и высотой 25 мм проводилось методом Стокбаргера в запаянной кварцевой ампуле. Кристалл помещался в герметичный контейнер, в одном из торцов которого находилось кварцевое окно.
Сцинтилляционные характеристики сборок LaBr3:Ce и ф.э.у. исследовались на установке, схема которой представлена на рис. 1. В работе иссле-
довались серийно выпускаемые фотоэлектронные умножители ФЭУ-85, ФЭУ-115МУ, ФЭУ-181-1 с диаметром фотокатода 25 мм и ФЭУ-184 с диаметром фотокатода 46 мм. Максимальная чувствительность этих ф.э.у. находится в диапазоне длин волн 360—440 нм, что соответствует области излучения ЬаБг3:Се, максимумы свечения которого расположены при 365 и 385 нм.
Для обеспечения оптимального светосбора контакт между контейнером со сцинтиллятором и входным окном ф.э.у. осуществлялся через тонкую прослойку оптического вазелина.
Сигнал с ф.э.у. через зарядочувствительный усилитель подавался на амплитудный анализатор. Источник у-излучения располагался на расстоянии 5 см от входного торца кристалла. Для каждого ф.э.у. подбиралось оптимальное напряжение питания. Критерием оптимальности служило наилучшее энергетическое разрешение при условии линейности сигнала, регистрируемого с ф.э.у. Выполнение линейности отклика сцинтилляци-онной сборки проверялось путем сравнения отношения номеров каналов расположения максимумов фотопиков спектра 88У с величиной отношения энергий соответствующих у-линий 88У: 898 и 1836 кэВ, равной 2.044. Для каждого значения напряжения питания ф.э.у. также определялось энергетическое разрешение на линии 662 кэВ у-ис-точника 137Св. Таким способом были изучены характеристики сцинтилляционных сборок кристалла ЬаБг3:Се с каждым фотоэлектронным умножителем, исследуемым в настоящей работе.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Изучение сцинтилляционных характеристик исследуемого детектора ЬаБг3:Се с использованием ф.э.у. R-1306 показало, что энергетическое разрешение ЬаБг3:Се для энергии у-квантов 662 кэВ равно А662 = 3.18%.
Энергетическое разрешение детекторных сборок кристалла ЬаБг3:Се с ФЭУ-85, ФЭУ-115МУ и ФЭУ-181-1 на линии 662 кэВ заметно хуже. Для этих ф.э.у. А662 находится в пределах 4.5—5.0%. Например, для ФЭУ-85 А662 = 4.6%. Несколько лучшие результаты были получены для ФЭУ-184, включенного в схему со стандартным делителем напряжения: Я{ = 4Я; Я2 = Я5 = 1.3Я; Я3 = 1.5Я; Я4 = Я6 = Я7 = ... = Яп = Я. В этом случае энергетическое разрешение для энергии 662 кэВ составляло ~4.0—4.6%. Так как среди исследованных нами отечественных ф.э.у. наилучшее разрешение получено для сборки ЬаБг3:Се с ФЭУ-184, то дальнейшие поиски возможностей улучшения энергетического разрешения проводились для ФЭУ-184.
С увеличением напряжения питания ф.э.у. энергетическое разрешение улучшается, однако при
42
СИМУТИН и др.
Рис. 2. Оптимизированная схема включения ФЭУ-184 с равномерным делителем напряжения ^ = Я2 = ••• = Яц = Я (Я ~ 100-300 кОм), Я12 = 20 кОм, С1 = • = С6 = 1000 пФ.
N 750
500
250
500
1000
1500 2000
Номер канала
Рис. 3. Сцинтилляционный спектр сборки ЬаВ^:Се с ФЭУ-184 при возбуждении источником 137С8.
этом нарушается линейность из-за перегрузки заря-дочувствительного усилителя. Для предотвращения перегрузки усилителя вместо традиционного способа регистрации сигнала с анода ф.э.у. использовалась регистрация сигнала с предпоследнего динода (рис. 2). При такой схеме для ФЭУ-184 наиболее оптимальным оказалось использование равномерного делителя напряжения.
При регистрации сигнала с предпоследнего динода и использовании равномерного делителя напряжения энергетическое разрешение сборки ЬаВг3:Се с ФЭУ-184 для энергии 662 кэВ составило А662 = 3.2% (рис. 3). Это значение практически совпадает с энергетическим разрешением А662, полученным с использование ф.э.у. R-1306. Следует отметить, что значение А662 = 3.2-3.3% со-
0
Разрешение, % 5
4
3 2
Линейность, отн. ед.
5
550 600 650 Напряжение, В
Рис. 4. Зависимости энергетического разрешения для линии 662 кэВ (1) и линейности отклика (2) сборки ЬаБ^:Се с ФЭУ-184 от величины напряжения на ФЭУ-184.
Номер канала 4000 |-
3000 -
2000
1000
500 1000 1500 2000 Энергия, кэВ
Рис. 5. Зависимость положения фотопика от энергии у-квантов при напряжении на ф.э.у. 650 В; линия — аппроксимация линейной зависимостью у = а + Ьх.
храняется при изменении напряжения на ФЭУ-184 в диапазоне 570—660 В. При этих напряжениях наблюдалась также и пропорциональность между энергией у-квантов и амплитудой сигнала (рис. 4).
Следует отметить, что из девяти фотоумножителей ФЭУ-184 только четыре экземпляра показали разрешение для линии 662 кэВ в пределах 3.2—3.3% при сохранении линейности отклика в диапазоне изменения высокого напряжения 570— 660 В. При использовании остальных пяти ФЭУ-
Таблица 2. Зависимость энергетического разрешения от энергии у-квантов для ЬаБг3:Се и №!:Т1
Нуклид Энергия, кэВ Разрешение, %, сцинтиллятора
ЬаБг3:Се №1:Т1
241Ат 60 11.1 14.6
139Се 166 6.5 11.0
133Ба 356 4.2 8.1
392 3.9 7.7
137С8 662 3.2 6.9
54Мп 835 2.6 6.8
60Со 1173 1333 2.4 2.3 6.4 5.8
88у 1836 2.0 4.3
184 энергетическое разрешение сборки кристалла с ф.э.у. находилось в пределах 3.5—4.2%.
Энергетическое разрешение сборки ЬаБг3:Се с ФЭУ-184 при разных энергиях у-квантов представлено в табл. 2.
В исследованной нами области энергий 60 кэВ— 2 МэВ энергетическое разрешение ЬаБг3:Се заметно лучше (в 1.3—2.6 раза), чем у №1:Т1 (см. табл. 2).
На рис. 5 и в табл. 3 приведена зависимость положения фотопика спектра, регистрируемого детекторной сборкой ЬаБг3:Се с ФЭУ-184, от энергии у-квантов. В табл. 3 приведены также данные по отклонению от линейности 9 = = (!^эксп- ^расч!/^эксп) • 100% для ЬаБ^:Се.
Согласно рис. 5 и табл. 3, бромид лантана обладает хорошей линейностью в диапазоне от 60 кэВ
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.