ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 16-24
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.07+539.1.074.3
ОСОБЕННОСТИ СОБСТВЕННОГО ФОНА В СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ ЬаВг3 : Се И СеВг3
© 2009 г. А. Ф. Июдин, В. В. Богомолов, С. И. Свертилов, И. В. Яшин, Н. В. Классен*,
С. З. Шмурак*, А. Д. Орлов *
НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Россия, 111992, Москва, Воробьевы горы, 1, стр. 2 Е-таП: aiyudin@srd.sinp.msu.ru, sis@coronas.ru *Институт физики твердого тела РАН Россия, 142432, Черноголовка Московской обл., Институтская ул., 2 Поступила в редакцию 27.04.2009 г.
Рассмотрены результаты измерений собственного фона сцинтилляционных кристаллов ЬаВг3:Се и СеБг3, выращенных в Институте физики твердого тела РАН. Измерения проводились в диапазоне энергий регистрируемых у-квантов от 20 кэВ до ~5 МэВ. Использовались образцы цилиндрической формы размером 0 1.5 х 1.8 см для ЬаВг3:Се и 0 0.5 х 1.5 см для СеБг3. Полученный фоновый спектр ЬаВг3:Се воспроизводит известные особенности, обусловленные радиоактивными изотопами 138Ьа и актиноидами примеси. Впервые измерен детальный спектр собственного фона кристалла СеВг3, который при энергиях >200 кэВ оказался намного меньше в сравнении с фоном ЬаВг3:Се как в континууме, так и в наличии особенностей, связанных с радиоактивностью возможных примесей.
РАСЯ: 29.40Ус, 29.30Ер, 29.30.-h
ВВЕДЕНИЕ: СВОЙСТВА СЦИНТИЛЛЯТОРОВ ЬаВг3 : Се И СеВг3
Как известно, сцинтилляционные спектрометры широко используются в экспериментальной ядерной физике и космических исследованиях, в первую очередь, для детектирования и спектроскопии жесткого рентгеновского и у-излучения (а также нейтронов). Важнейшими требованиями, предъявляемыми к таким детекторам, являются высокие световой выход и эффективность регистрации у-квантов, быстродействие и минимальное время высвечивания, линейность и невысокая стоимость. Строго говоря, ни один из коммерчески производимых сцинтилляторов не удовлетворяет всей совокупности перечисленных требований. Поэтому поиск новых сцинтилляци-онных материалов остается одним из важных направлений развития методов экспериментальной ядерной физики и ее приложений, включая астрофизические.
В последнее время были разработаны методы получения кристаллов ЬаВг3:Се и бромида церия (СеВг3), которые благодаря своим характеристикам — высокому световыходу (~6 • 104 фото-нов/МэВ) и относительно высокой плотности (~5.3 г/см3), представляются весьма привлекательными в качестве детекторов-спектрометров у-излучения. Малое время высвечивания (~20 нс) таких сцинтилляторов делает их применение оптимальным для временных измерений высокой
точности и в случае необходимости высокой пропускной способности измерительного тракта.
Основные характеристики некоторых наиболее популярных неорганических сцинтилляторов приведены в табл. 1.
Как видно из табл. 1, по сравнению с широко используемыми сцинтилляторами №1(1!) и С81(Т1) бромид церия и активированные церием бромиды лантана и, в меньшей степени, хлориды лантана дают более высокий световыход и соответственно более высокое энергетическое разрешение. В частности, разрешение с учетом разброса сигнала на выходе фотоумножителя ~2.6%, достигнутое при комнатной температуре для кристалла ЬаВг3:Се объемом 1 см3, почти в 2 раза лучше, чем в случае кристалла №1(11) такого же размера [3].
Важной характеристикой сцинтиллятора является линейность, характеризуемая пропорциональностью амплитуды сигнала на выходе (амплитуды отклика) и величины поглощенной энергии частицы в кристалле. Измерения, выполненные с различными изотопами (241Ат (60 кэВ), 57Со (122 кэВ), 22Ш (511, 1275 кэВ), 137Сз (662 кэВ)), показали, что сцинтиллятор ЬаВг3:Се обладает высокой линейностью: в диапазоне энергий от 60 до 1275 кэВ отклонения от пропорциональности световыхода составляют не более 6%, что существенно лучше, чем для многих сцинтилляторов известных типов [5]. Заметим,
Таблица 1. Основные характеристики неорганических сцинтилляторов (* — радиоактивные изотопы в этих веществах до настоящего времени не идентифицированы)
Сцинтиллятор NaI(Tl) [1, 2] CsI(Tl) [2] LaBr3 : Ce [2] LaCl3 : Ce [2] CeBr3 [3] YAlO3 : Ce [4]
Плотность, г/см3 3.67 4.51 5.29 3.79 5.2 5.55
Световыход, 104 фотонов/МэВ 4 5.4 6.8 5 6.8 1.4
Собственное энергетическое разрешение (662 кэВ), % 5.9 3.8 1.2 -2.0 -3.6 19 (59.5 кэВ)
Время высвечивания, нс -200 -2 • 103 -16 -28 -17 -28
Максимум спектра излучения, нм 415 550-5б5 370 350 371 223-298
Естественная радиоактивность Нет Нет Распад 138La Распад 38La Нет?* Нет?*
Гигроскопичность Есть Нет Есть Есть Есть Нет
что в указанном диапазоне энергий непропорциональность световыхода для сцинтиллятора Ь80 составляет около 35%, а для №1(1!) — порядка 20% [6].
Кристаллы ЬаБг3 и СеБг3 имеют гексагональную структуру. Температура плавления подобных веществ не очень велика: например, для ЬаБг3 она равна 783°С, что делает возможным выращивание кристаллов из расплава по относительно несложной технологии и создает предпосылки для получения кристаллов большого объема [5]. При этом основным недостатком этих неорганических сцинтилляторов является очень высокая гигроскопичность, ограничивающая их использование только в специальных защитных корпусах (капсулах).
При рассмотрении возможных применений этих кристаллов в ядерной гамма-спектроскопии особое внимание уделяется изучению особенностей их собственного фона, который обусловлен радиоактивными изотопами как основных элементов сцинтилляторов (Ьа, Бг, Се), так и примесей в исходном сырье (шихте), из которого выращиваются кристаллы. Собственный внутренний фон кристалла сцинтиллятора характеризуется некоторым континуумом, уровень которого в широком диапазоне энергий (от десятков кило- до нескольких мегаэлектронвольт) ограничивает чувствительность детектора к у-излучению от внешних источников. Кроме того, спектр фона может иметь особенности — линии, которые следует учитывать при интерпретации результатов спектрометрических измерений.
Следует отметить, что если собственный фон кристаллов ЬаБг3:Се изучен достаточно подробно [7, 8], то относительно кристаллов СеБг3 такого сказать нельзя, поскольку до недавнего времени детальных исследований собственного фона этих кристаллов не проводилось.
Существует лишь несколько фирм, производящих бромиды лантана в промышленных мас-
штабах, наиболее известные из которых Saint-Gobain (Франция), RMD (США). С недавнего времени выпуск кристаллов LaBr3:Се и СеBr3 был освоен в Институте физики твердого тела (ИФТТ) РАН. В данной работе рассмотрены результаты измерений собственного фона сцинтил-ляционных кристаллов LaBr3:Се и СеBr3, выращенных в ИФТТ РАН.
СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Схема экспериментальной установки, использовавшейся нами для измерений параметров кристаллов LaBr^Œ и ŒBr^ приведена на рис. 1 (положение аналоговых ключей соответствует исходному состоянию). Установка включает детекторный узел, состоящий из исследуемого сцинтилляцион-ного кристалла и фотоэлектронного умножителя (ф.э.у., Hamamatsu R1307), помещенных в светоизо-лирующую коробку (на схеме не показана), а также измерительную электронику. В состав установки также входят персональный компьютер, с помощью которого считываются и обрабатываются сигналы выходных регистров, а также осциллограф (Tektronix TDS3012B) и генератор импульсов (Tektronix AFG3102), использовавшиеся для настройки электроники. Исследуемый кристалл устанавливался примерно в центр входного окна ф.э.у., который размещался в светоизолирующей коробке вертикально. При этом обеспечивался оптический контакт между выходным окном упаковки кристалла и входным окном ф.э.у. с помощью специальной смазки на основе глицерина.
В состав электроники входят 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 (использовались микросхемы AD8014), к выходу которого были подключены усилители-формиро-
Усилитель-формирователь
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
ватели (AD8014) трактов измерения амплитуды и формирования триггерного сигнала. Последний формируется с помощью амплитудного дискриминатора на основе компаратора (AD8561), как только выходной сигнал ф.э.у. превысит определенный "фоновый" уровень, соответствующий энерговыделению в сцинтилляционном кристалле ~10 кэВ. Этот триггерный сигнал (прямоугольный т.т.л.-импульс длительностью 0.5 мкс) соответствует началу регистрируемого события и запускает своим фронтом схему формирования управляющих сигналов, которая вырабатывает т.т.л.-импульсы, управляющие аналоговым ключом и выходным регистром.
Аналоговый ключ используется для преобразования 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 находятся в замкнутом положении, как на рис. 1. В этом состоянии осуществляется интегрирование сигнала с характерным временем ~150 нс. По сигналу Хранение, поступающему из схемы управляющих сигналов, первое плечо ключа размыкается, в результате чего на конденсаторе, отсоединенном от входа, продолжает сохраняться заряд, накопленный с момента начала импульса. Переключение происходит через интервал времени ~50 нс, что с учетом времени высвечивания сцинтиллятора (~20 нс) обеспечивает практически полный светосбор.
Сформированный в результате интегрирования уровень напряжения через дополнительный развязывающий усилитель подается на АЦП (AD7492). По истечении времени преобразования (~1 мкс) по сигналу Разряд, также поступаю-
щему из схемы управляющих сигналов, интегрирующий конденсатор замыкается на "землю", что обеспечивает его быстрый разряд и готовность к преобразованию следующего сигнала. Примерно через ~1 мкс оба плеча аналогового ключа возвращаются в исходное состояние.
Код амплитуды, записанный в разрядах АЦП, запоминается в выходном рег
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.