ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 3, с. 27-31
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.3
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ КРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА ПРИ ДОЛГОВРЕМЕННОМ ГАММА-ОБЛУЧЕНИИ
© 2013 г. А. Н. Васильев, Ю. М. Гончаренко, А. М Давиденко, А. А. Деревщиков, В. А. Качанов, Ю. М. Мельник, А. П. Мещанин, Н. Г. Минаев, Д. А. Морозов, В. В. Мочалов, С. В. Рыжиков, А. В. Рязанцев, П. А. Семенов, А. В. Узунян*, А. Е. Якутин
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1 *E-mail: uzunian@ihep.ru Поступила в редакцию 28.04.2012 г.
Исследовалось изменение прозрачности кристаллов вольфрамата свинца в процессе непрерывного облучения в течение ~1200 ч в поле у-излучения радионуклидного источника 60Со. Температура кристаллов поддерживалась на уровне —15°С при мощности дозы излучения 0.1 Гр/ч. После завершения облучения исследован процесс восстановления прозрачности кристаллов при изменении температуры кристаллов от —15 до +38°С. Работа проведена в рамках подготовки эксперимента PANDA в проекте FAIR в Германии.
DOI: 10.7868/S0032816213020237
ВВЕДЕНИЕ
Сцинтиллирующий кристалл вольфрамата свинца (PbWO4 или PWO) используется в физике высоких энергий и ядерной физике в качестве преобразователя энергии ионизирующего излучения в световой сигнал. Кристаллы из вольфрамата свинца характеризуются высокой плотностью, малой радиационной длиной, быстрым сигналом и хорошей радиационной стойкостью. Благодаря этим характеристикам он занял лидирующие позиции в электромагнитной калориметрии в физике высоких энергий. Более 100 тысяч таких кристаллов были изготовлены и используются сейчас в экспериментах CMS и ALICE в ЦЕРН [1, 2]. Подавляющее большинство кристаллов PWO выращено на Богородицком заводе технохимических изделий (БЗТХИ, Тульская область). БЗТХИ выращивает кристаллы методом Чохральского.
Готовящийся в Европейском центре ионных и антипротонных исследований (проект FAIR, Дарм-штадт, Германия) эксперимент PANDA планирует использовать в составе установки Центральный электромагнитный калориметр из 16 000 кристаллов PWO. Половина кристаллов, выращенных на БЗХТИ по новой технологии, уже есть в наличии. Их радиационная стойкость вдвое выше, чем у кристаллов, которые были изготовлены на том же заводе для экспериментов в ЦЕРН (CMS и ALICE). Группа сотрудников ИФВЭ ранее проводила различные исследования радиационной стойкости кристаллов PWO при комнатной температуре [3—6].
Световыход кристаллов PWO возрастает практически в три раза при уменьшении температуры от +18 до —22°С [7]. Это открывает возможности для их применения не только в экспериментах по физике высоких энергий, но и в экспериментах по физике средних и низких энергий. Эксперимент PANDA планирует установить рабочую температуру кристаллов PWO равной —25°С [8]. Охлаждение кристаллов ниже этой температуры оказывается нецелесообразным из-за увеличения времени высвечивания сцинтилляций.
Влияние радиации на изменение оптических свойств данных кристаллов связано как с мощностью дозы облучения, так и с интегральной поглощенной дозой в объеме кристалла в процессе облучения. Согласно данным работы [9], радиация создает в кристаллах так называемые мета-стабильные "центры цветности", поглощающие свет в определенной спектральной области. Данные центры с течением времени могут спонтанно переходить в первоначальное состояние (восстанавливаться).
В общем случае кривая зависимости уменьшения прозрачности кристалла от времени в условиях у-облучения описывается суммой нескольких экспонент, постоянные времени которых являются функциями мощности дозы, температуры кристалла, области спектра и типа центра цветности. В случае, когда скорость образования центров цветности становится равной скорости их восстановления, кривая выходит на плато (не зависит от времени облучения).
Впервые на температурную зависимость радиационной стойкости кристаллов обращено внимание в работе [10]. Более детально исследования влияния температуры кристаллов вольфрамата свинца на их оптические характеристики, используя у-облучение, проведены в ИФВЭ [7, 11]. Было установлено, что с уменьшением температуры кристаллов процесс спонтанного восстановления индуцированных излучением повреждений замедляется и при температуре —25°С практически "замораживается".
В эксперименте PANDA предполагаются непрерывные циклы набора статистики длительностью до шести месяцев. При этом мощности доз в разных частях центрального электромагнитного калориметра ожидаются от 0.001 до 0.03 Гр/ч. Описываемые в данной работе исследования были проведены с целью набора интегральной дозы, близкой к максимально возможной дозе в эксперименте PANDA за шесть месяцев работы на пучке с максимальной светимостью 2 • 1032 см-2 с-1.
Целью исследований было измерение уровня потемнения кристаллов PWO при непрерывном облучении в течение семи недель в условиях низкой скорости спонтанного восстановления прозрачности для оценки времени эффективной работы кристаллов PWO в установке PANDA. В этом эксперименте предполагается использовать модифицированные кристаллы (PWO-II) с повышенным световыходом при сохранении других свойств [8]. Поскольку нас интересуют только относительные изменения прозрачности кристаллов в условиях воздействия на них радиации, в данной работе использовались имевшиеся в наличии в ИФВЭ кристаллы PWO, изготовленные по технологии БЗХТИ для эксперимента CMS.
Приведены результаты исследований потери прозрачности пяти кристаллов PWO при их непрерывном облучении в течение 1175 ч при температуре —15°С. Ранее такие продолжительные по времени исследования при непрерывном облучении не проводились.
Кристаллы облучались при мощности дозы 0.1 Гр/ч в поле у-излучения радионуклидного источника 60Со, что в три раза больше максимальной ожидаемой мощности дозы в эксперименте PANDA.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В ИФВЭ разработана и создана установка, предназначенная для исследования радиационной стойкости материалов и узлов детекторов в режиме реального времени. В состав установки входят источник у-излучения 60Co активностью 6.8 • 1012 Бк; теплоизолированный бокс, изготовленный из непрозрачных материалов, внутрь которого помещается сменная кассета-теплообмен-
ник — в данном варианте для пяти кристаллов PWO и фотоэлектронных умножителей (ф.э.у.); криотермостат LAUDA; аппаратура мониториро-вания; регистрирующая электроника и система сбора данных.
С помощью криотермостата устанавливается и поддерживается требуемая температура облучаемых образцов, размещенных в кассете-теплообменнике, в диапазоне от +40 до —25°С с точностью не хуже 0.2°С. Система мониторирования коэффициента усиления ф.э.у. и прозрачности кристаллов на основе светоизлучающих диодов (голубом — 450 нм и красном — 640 нм), регистрирующая электроника, система сбора данных и программное обеспечение позволяют непрерывно отслеживать изменение изучаемых характеристик облучаемого объекта в процессе облучения. Более подробно аппаратура установки и метод измерения оптических свойств кристаллов описаны в работе [11].
Для измерения светопропускания в диапазоне длин волн 300—800 нм в состав установки добавлен промышленный спектрофотометр AvaSpec-2048 с оптическим разрешением 1 нм [12]. Данный спектрофотометр состоит из излучателя с широким спектром, свет от которого передается к торцу кристалла через кварцевое оптическое волокно, и модуля регистрации спектра с дифракционной решеткой и линейной п.з.с.-матрицей. Свет, прошедший через кристалл, захватывается на его противоположном торце и передается модулю регистрации спектра также с помощью оптического волокна.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследованы четыре кристалла (b1412, b1434, b1447, b1836) длиной 18 см и поперечным сечением 2 х 2 см2 каждый и один кристалл (cms2442) длиной 22 см и поперечным сечением 2.7 х 2.7 см2. Кристаллы были обернуты светоотражающим материалом Tyvek. Мощность дозы излучения в воздухе на поверхности кристаллов составляла 0.1 Гр/ч с неоднородностью <10%. Стабильность температуры кристаллов на уровне —15°С измерялась с точностью 0.1°С.
Измерения сцинтилляционного сигнала (максимум спектра равен 420 нм) кристалла и свето-пропускания спектра голубого светодиода для первых четырех образцов проводились "токовым" методом [4].
Относительные изменения величин сцинтил-ляционного сигнала и сигнала от голубого свето-диода в зависимости от времени облучения четырех кристаллов приведены на рис. 1 и 2 соответственно. После 1175 ч облучения кристаллы потеряли от 45 до 60% своей первоначальной прозрачности в области спектра сцинтилляции и от 20 до 35% — в
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ КРИСТАЛЛОВ
29
Относительные потери сигнала 1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
№ кристалла
Ь1447
* Ь1412 „ Ь1836
200 400 600 800 1000 1200 г, ч
Рис. 1. Зависимость сцинтилляционного сигнала от времени в процессе облучения кристаллов мощностью дозы 0.1 Гр/ч при температуре —15°С.
Относительные потери сигнала
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60 ь
№ кристалла
Ь1434
З^Й^Й Ь1447 ЫМШмМШкк А
Шш^кя Л
Ь1412
Ь1836
0
200
400 600 800 1000 1200 г, ч
Рис. 2. Зависимость сигнала голубого светодиода, мониторирующего светопропускание, от времени в процессе облучения кристаллов мощностью дозы 0.1 Гр/ч при температуре —15°С.
0
Прозрачность, отн. ед.
0.7
? +
Ф ф 650 нм
А 420 нм Т 450 нм
^360 нм , 380 нм
200 400 600 800 1000 1200 Длительность облучения, ч
Рис. 3. Изменения прозрачности кристалла еш82442 для области длин волн света примерно 360, 380, 420, 450 и 650 нм в зависимости от длительности облучения мощностью дозы 0.1 Гр/ч при температуре —15°С.
области длин волн спектра голубого светодиода. Сигналы от светодиодов практически вышли на плато. При этом потери сцинтилляционного сигнала по сравнению с первыми часами облучения значительно замедлились и вышли на уровень примерно 0.1% в день.
Уменьшение прозрачности кристалла ешв2442 для длин волн 360, 380, 420, 450 и 650 нм в процессе облучения отслеживалось с помощью спектрофотометра и показано на рис
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.