ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 4, с. 77-80
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 53.06
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ В СЦИНТИЛЛЯЦИОННОЙ МЕТОДИКЕ
© 2009 г. Т. С. Брантова, В. А. Канцеров, Ф. Ф. Кашмов*
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 *Физический институт им. ПН. Лебедева РАН Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 E-mail: solnce_84@mail.ru, Vadim.Kantserov@cern.ch Поступила в редакцию 22.12.2008 г.
Представлены результаты исследований применения твердотельных кремниевых фотоумножителей для считывания оптической информации со сцинтилляторов. Проведены измерения со сцинтил-ляционными волокнами, пластинами и сцинтилляторами с большим Z. Результаты применения кремниевых фотоумножителей показали, что в сцинтилляционных волокнах эффективность регистрации релятивистских частиц составила 97-98%, а число фотоэлектронов (ф.э.) ~9 ф.э. При считывании информации со сцинтилляционных пластин с использованием переизлучающих волокон число фотоэлектронов составило ~15 ф.э. Энергетическое разрешение при регистрации у-квантов с энергий 500-600 кэВ в кристаллах LSO составило ~25%.
PACS: 29.30.Ep, 29.30.Kv
Кремниевый фотоэлектронный умножитель Бьф.э.у. представляет собой фотоприемник на основе упорядоченного набора (матрицы) р-п-пе-реходов, выполненных на общей подложке. Размер одной ячейки составляет ~30 х 30 мкм. Посредством алюминиевых шин все ячейки объединены, и к ним приложено одинаковое напряжение смещения, превышающее пробойное, что обеспечивает работу в гейгеровском режиме. При попадании кванта света в активную область ячейки в ней развивается самогасящийся гейгеровский разряд. Гашение, т.е. прекращение разряда, происходит из-за падения напряжения на р-п-перехо-де ниже пробойного благодаря наличию в каждой ячейке токоограничивающего резистора. Токовые сигналы от сработавших ячеек суммируются на общей нагрузке, поэтому отклик детектора на слабые световые вспышки пропорционален их интенсивности. Каждая ячейка матрицы работает в гейгеровском режиме с коэффициентом усиления ~106. Бьф.э.у. представляет собой аналоговый детектор, так как выходной сигнал есть сумма сигналов с каждой ячейки фотодиода [1].
Бьф.э.у. производства ГУП "НПП Пульсар" имеет следующие характеристики:
- внутреннее усиление
- разброс коэффициента усиления
- эффективность регистрации видимого света
~106; <10%; ~20%;
- напряжение смещения
- временное разрешение
- чувствительность коэффициента усиления:
к изменению температуры
к изменению напряжения смещения
- нечувствителен к магнитному полю
25-60 В; 30-50 пс;
~3% на 10°С, 1% на 30 мВ;
вплоть до 4 Тл.
Малая площадь чувствительной поверхности Бьф.э.у. ограничивает возможность их применения. Однако использование волоконной оптики позволяет применять Бьф.э.у. в сцинтилляцион-ной методике физики высоких энергий [2]. Сцин-тилляционное волокно диаметром 1 мм в оптическом контакте с Бьф.э.у. площадью 1 х 1 мм2 может служить ячейкой координатного детектора пучка частиц. Схема эксперимента по регистрации сигнала от релятивистской частицы в сцин-тилляционном волокне, в качестве которого использовалось волокно фирмы Кигагау 8С8Р-78М, была следующей. Для выделения частиц от Р-ис-точника 90Бг, проходящих через исследуемое волокно, использовался коллиматор, а в качестве триггера - совпадение сигналов от трех ф.э.у. Один из них регистрировал сигналы от дополнительного сцинтилляционного волокна, расположенного в коллиматоре над исследуемым волокном, состыкованным с Бьф.э.у. Два других состы-
Число отсчетов
800
600
400
200
6 7
10
Число отсчетов
60 40 20 0
300
400
500
600
700 800 Каналы
0 200 400 600 800 1000 1200
Каналы
Рис. 1. Спектр сигналов при регистрации Бьф.э.у. р-частиц с помощью сцинтилляционного волокна Кигагау 8С8Р-78М. Цифры у кривых - количество сработавших ячеек.
кованы со сцинтиллятором, расположенным под коллиматором. Пороги для сигналов от этих двух ф.э.у. выбраны таким образом, чтобы из сплошного спектра ^-источника выделять электроны с энергией ~1-2 МэВ.
Типичный спектр сигналов, зарегистрированных Бьф.э.у. в волокне, представлен на рис. 1. Каждый пик в спектре соответствует определенному количеству сработавших ячеек. Среднее число сработавших ячеек от в-частицы с энергией ~1-2 МэВ составляет ~9.
Эффективность регистрации электронов составляет 97-9
Для обеспечения светосбора со сцинтиллято-ров большой площади (3 х 3 см2, 5 х 5 см2 и более) используются спектросмещающие волокна диаметром 1 мм. Волокно размещается в выфрезеро-ванной канавке. Бьф.э.у. вклеивается в паз сцин-тиллятора на расстоянии <100 мкм от торца во-
Число отсчетов
300 -
Рис. 2. Типичный спектр сигналов от Si-ф.э.у.
локна. Для улучшения светосбора второй торец волокна покрыт отражателем. Размер сцинтил-лятора равен 30 х 30 х 5 мм, в качестве спектро-смещающего волокна использовано волокно фирмы Kuraray Y11(200).
Детектирующая сборка облучалась в-источни-ком через коллиматор. Триггером электронов служили двойные совпадения сигналов двух ф.э.у., состыкованных со сцинтиллятором. Пороги для сигналов этих ф.э.у. выбраны так, чтобы выделять электроны с энергией 1-2 МэВ. На рис. 2 представлен типичный спектр сигналов от Si-ф.э.у. Характерный одноэлектронный спектр сигналов с Si-ф.э.у. при малых импульсных засветках от све-тодиода (рис. 3) предоставляет возможность калибровки шкалы в фотоэлектронах (ячейках). Расстояние между соседними пиками в спектре от светодиода в каналах соответствует одному фотоэлектрону (ф.э.). Положение максимума в спектре от в-источника (рис. 2) соответствует ~15 ф.э.
На основе проведенных исследований детектирующих сборок был разработан, изготовлен и прошел успешное испытание на пучке электронов прототип электромагнитного калориметра MINICAL [3], содержавший ~100 сборок (tails). Полученные на нем положительные результаты стимулировали разработку нового прототипа ад-
200
100 -
240 260 280 300 320 340 360 380 400 420
Каналы
Рис. 3. Характерный одноэлектронный спектр сигналов с Бьф.э.у. при малых импульсных засветках от светодиода.
0
5
8
4
9
3
2
0
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ... ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ
79
Рис. 4. Геометрическое расположение точек исследуемого сцинтиллятора размером 30 х 30 х 5 мм без спектросмещающего волокна со скошенным углом площадью 5 х 4 мм2.
Шум, 107
106
105
104
103
102
101
1000
п-1
N 50
40
30
20
10
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Порог, MIP
Рис. 6. Зависимость частоты шума от порога в долях сигнала от минимально ионизирующей частицы.
Число отсчетов 120
с
80
40
(а)
точка 2, сигнал 75 каналов
0 160
120
80
40
0
100 200 300 400
500
+ 1.
(б)
точка 2, сигнал 209 каналов
200 400
Каналы
600
Рис. 5. Типичные амплитудные спектры от р-источ-ника 90Sr для Si-ф.э.у. площадью: 3 х 3 мм2 (а) и 5 х х 5 мм2 (б).
ронного калориметра размером 1 х 1 х 1 м, содержащего ~8000 сборок.
Использование спектросмещающего волокна усложняет конструкцию и приводит к потере света при светосборе и переизлучении. Поэтому была предпринята попытка прямого светосбора от сцинтиллятора размером 30 х 30 х 5 мм. Для более эффективной регистрации вспышки света использовались Бьф.э.у. с большей площадью чувствительной поверхности: 3 х 3 мм2, 5 х 5 мм2.
Геометрия исследуемой сцинтилляционной сборки представлена на рис. 4.
Амплитудные измерения проводились при [3-облучении четырех точек через коллиматор (рис. 4). Типичные амплитудные спектры представлены на рис. 5. Максимальный разброс амплитуд сигналов в точках, указанных на рис. 4, составил ~20% для Si-ф.э.у. площадью 3 х 3 мм2 и ~8% для Si-ф.э.у. площадью 5 х 5 мм2.
Для эффективной регистрации минимально ионизирующей частицы (MIP - Minimum Ionising Particle) принципиальное значение имеет отношение сигнал/шум на выходе Si-ф.э.у. Уровень шума может быть установлен по интегральному шумовому спектру, измеренному при тех же условиях, что и спектр сигнала от MIP. Зависимость частоты импульсов шума от порога в долях сигнала от MIP приведена на рис. 6.
Перспективная область применения Si-ф.э.у. -позитронная томография. Выбор кристалла LSO (эффективный атомный номер Z = 66) в качестве сцинтиллятора для позитронной томографии обусловлен тем, что по времени высвечивания и све-товыходу он превосходит другие кристаллы. Использование ф.э.у. в качестве чувствительного элемента имеет ряд неудобств и ограничений, связанных со значительными габаритами, высоким напряжением питания, чувствительностью к магнитным полям. Применение Si-ф.э.у. упрощает конструкцию томографа и позволяет улучшить пространственное разрешение.
Схема установки, на которой проводились исследования, приведена на рис. 7. В качестве исследуемого образца использован кристалл LSO размером 4 х 4 х 20 мм, состыкованный с Si-ф.э.у. площадью 3 х 3 мм2.
*
Источник
Аналог
Триггер
ОБС
Рис. 7. Блок-схема установки для проведения исследований сборки кристалла Ь80 размером 4 х 4 х 20 мм с 8ьф.э.у. площадью 3 х 3 мм2. У - усилитель; ЛР - линейный разветвитель; Ф - формирователь; QDC - кодировщик.
Число отсчетов 100 г
80 60 40 20
0
140 120 100 80 60 40 20
0
(а)
п.4--'.. ,
■'. ? ей
- -и
(б)
> 4
£
Л.
200
400 600 Каналы
800
1000
Рис. 8. Спектр от у-источника (а) и от светодиода (б).
Область максимальной чувствительности Бьф.э.у. не совпадает с областью излучения ЬБО. В связи с этим проводились исследования для по-зитронного источника (22Ка, Еу = 511 кэВ) и для у-источника (137С$, Еу = 662 кэВ) с использованием спектросмещающей пленки марки ВВО (макси-
мум поглощения X = 280 нм; максимум излучения X = 510 нм) и без нее. Использование сместителя улучшило разрешение с 31% до 25% для пози-тронного источника (22Ка) и с 26% до 20% для у-источника (137С$).
Следует отметить, что полученное энергетическое разрешение содержит две компоненты: разрешение собственно Бьф.э.у. и разрешение кристалла ЬБО. При измерениях с 137Сз (рис. 8а) была сделана попытка разделения этих составляющих. Для этого Бьф.э.у.
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.