ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 1, с. 41-45
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКПЕРИМЕНТА -
УДК 539.165+539.1.074.3
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СВЕЧЕНИЯ
КРИСТАЛЛА СаМо04
© 2009 г. А. В. Вересникова, И. Р. Барабанов, Б. К. Лубсандоржиев, Р. В. Полещук, Б. А. М. Шайбонов, Е. Э. Вятчин, В. Н. Корноухов
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 06.03.2008 г.
Представлены результаты исследований кинетики сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04, выращенных методом Чохральского, при облучении а-частицами и у-квантами от радиоактивных изотопов 238Ри и 137С$ соответственно. Показан сложный многокомпонентный характер кинетики свечения. Обнаружены быстрые и медленные компоненты свечения и определены относительные вклады этих компонент в полный световыход сцинтиллятора. Показана возможность разделения сигналов сцинтиллятора, обусловленных а-частицами или у-квантами.
РЛСБ: 29.40.Mc
Одним из важнейших событий последних лет в экспериментальной физике элементарных частиц явилось открытие нейтринных осцилляций и, как следствие, наличия у нейтрино массы, отличной от нуля. Следующим шагом должно быть определение этой массы и изучение ее природы -является ли она майорановской или дираковской. Ярким подтверждением того, что нейтрино обладают майорановской массой (т.е. того, что нейтрино является частицей, тождественной своей античастице - антинейтрино), явилось бы открытие безнейтринного двойного Р-распада ядер. Эксперименты по поиску такого процесса требуют использования большого количества (десятки и сотни килограммов) дорогостоящих обогащенных изотопов, способных претерпевать двойной Р-распад, и создания низкофоновых установок, размещаемых глубоко под землей [1-5].
Одним из наиболее эффективных способов достижения высокой чувствительности при проведении таких экспериментов является использование сцинтилляционных кристаллов, содержащих обогащенный изотоп, например 100Мо [4]. Интерес к монокристаллам молибдатов вызван возможностью их использования в экспериментах по поиску безнейтринного двойного Р-распада, обозначаемого 0\"2р, ядра 100Мо. Изотоп 100Мо благодаря высокой энергии перехода весьма перспективен для 0у2Р-экспериментов. В данной работе исследована кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 размером 23 х 23 х 23 мм при облучении у-квантами от радиоактивного изотопа 137Сз (Еу ~ 0.662 МэВ) и а-частицами (Еа ~ ~ 5.5 МэВ) от изотопа 238Ри. Кристалл выращен методом Чохральского в установке с высокоча-
стотным нагревом из шихты стехиометрического состава высокой чистоты [6, 7].
Основные сцинтилляционные параметры кристалла СаМо04 - световыход и время высвечивания - будут играть ключевую роль в планировании и осуществлении будущих экспериментов с использованием этого кристалла. Следует отметить, что в более ранних работах [8-11], в которых также сообщалось об исследовании кинетики сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04, подчеркивался простой однокомпонентный характер излучения с постоянной времени высвечивания ~15-17 мкс. Только в работе [12] сообщалось о наблюдении быстрой компоненты с постоянной времени высвечивания т ~ 10 нс, но лишь при достижении криогенных температур ~10 К.
Исследования кинетики сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04 проводились на измерительном стенде, функциональная схема которого приведена на рис. 1. Измерения велись методом счета коррелированных во времени фотонов [13, 14]. Оптический контакт ОК исследуемого кристалла с фотокатодом фотоэлектронного умножителя ФЭУ1 осуществляется с помощью оптической смазки Вюгоп 630. Противоположная грань кристалла через набор оптических фильтров нейтральной плотности Ф и оптическую диафрагму ОД просматривается ФЭУ2, а все боковые стороны кристалла покрыты светоотражающей пленкой УМ2000 (на рисунке не показана) с высоким коэффициентом отражения в широком диапазоне длин волн. Толщина пленки составляет ~100 мкм. ФЭУ1 и ФЭУ2 - это фотоумножительные модули Н3171-03 и Н3167, основными элементами которых являются ф.э.у. соответственно Я1398 и Я1450 производства фирмы Наташа1зи. Спек-
РИ ®
Рис. 1. Функциональная схема измерительного стенда для исследования кинетики свечения кристаллов СаМоО^ РИ — радиоактивный источник; Сц - сцинтилляционный кристалл СаМоО,^ Ф - набор оптических фильтров нейтральной плотности; ОД - оптическая диафрагма; ФЭУ±, ФЭУ2 - фотоэлектронные умножители Ш398 и К1450 соответственно; ОК - оптический контакт; У1, У2 - быстродействующие усилители ЬеСгоу 612АМ; Д1, Д2 - дискриминаторы импульсов ЬеСгоу 621АЬ; ЛЗ - блок кабельной линии задержки; ВЦП1, ВЦП2 - времяцифровые преобразователи БПТ-12А1 и БПВ-15 соответственно; КК - крейт-контроллер КК-009; ПК - персональный компьютер ГВМ-РС/АТ4486.
тральная чувствительность используемых ф.э.у. охватывает область длин волн 300-650 нм, хорошо перекрывая спектр излучения кристалла СаМоО4, который лежит в основном в области длин волн 450-550 нм с максимумом на длине волны X = 510 нм [9, 11]. Облучение производилось а-частицами с энергиями ~5.5 МэВ от изотопа 238Ри и у-квантами с энергиями ~662 кэВ от изотопа 137Св. Радиоактивные источники устанавливаются на боковой грани исследуемого кристалла. Для измерений с а-частицами в пленке УМ2000 сделано отверстие диаметром ~1 мм. Энергетическими потерями а-частиц в воздушном промежутке шириной ~100 мкм можно пренебречь. Анодные сигналы ФЭУ1, усиленные быстродействующим усилителем У1 с коэффициентом усиления =10, поступают на вход дискриминатора с фиксированным порогом Д1, выходные сигналы которого подаются на входы "Старт" времяцифровых преобразователей ВЦП1 и вЦп2.
В описываемых измерениях использовались ВЦП двух типов (быстродействующий и медленный) для детальных измерений соответственно быстрых и медленных компонент сцинтилляцион-ного свечения кристалла. В качестве быстродействующего преобразователя ВЦП1 использовался блок БПТ-12А1 [15] - широкодиапазонный ВЦП с шагом 75 пс и полным диапазоном измеряемых временных интервалов 5 мкс. Для измерения медленных компонент сцинтилляций использовался медленный преобразователь ВЦП2 - блок
БПВ-15 с шагом 67 нс и диапазоном 274 мкс [16]. Анодные сигналы ФЭУ2 используются для выработки сигналов Стоп для ВЦП1 и ВЦП2 с помощью быстродействующего усилителя У2, дискриминатора с фиксированным порогом Д2 и блока кабельной линии задержки ЛЗ.
Оптические фильтры нейтральной плотности и диафрагма используются для обеспечения одно-фотоэлектронного уровня засветки фотокатода ФЭУ2, что необходимо при использовании метода счета коррелированных во времени фотонов для измерения кинетики световых процессов. Уровни дискриминации сигналов ФЭУ1 и ФЭУ2 устанавливаются равными ~3а1 и 0.25а1 соответственно, где а1 - средний заряд однофотоэлектронного импульса каждого ф.э.у. При этом скорости счета импульсов темнового тока при таком уровне дискриминации сигналов не превышают ~10 с-1 и ~200 с-1 для ФЭУ1 и ФЭУ2 соответственно. Влияние темновых токов ф.э.у. на результаты проведенных измерений кинетики сцинтилляционного свечения кристалла практически отсутствует. Оцифрованные преобразователями интервалы времени считываются через крейт-контроллер КК (КК-009 [17]) в персональный компьютер ПК.
Основные результаты измерений приведены в таблице. В ходе измерений обнаружено, что кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМоО4 при облучении а-частицами и у-квантами имеет довольно сложный многокомпонентный характер. На рис. 2 - рис. 4 показана кинетика
сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 при облучении а-частицами и у-квантами в диапазоне 0-120 мкс, измеренная при помощи медленного и быстрого времяцифровых преобразователей. Как видно из этих рисунков, основной вклад в полный световыход кристалла вносят медленные компоненты с постоянными времени высвечивания т ~ 1.4 мкс (А = 5.5%), ~5.0 мкс (29%) и ~15.8 мкс (65%) для у-квантов и ~1.0 мкс (6%), 4.6 мкс (35%) и 15.2 мкс (58%) для а-частиц. Хотя влияния на результаты интенсивности импульсов темнового тока и уровня послеимпульсов ф.э.у. в проведенных измерениях практически нет, в представленных экспериментальных данных фоновая подложка все же вычтена. Вклад фоновых событий в измеренных спектрах не превышает 1-2%.
Интересным фактом является впервые обнаруженное в данной работе существование при комнатной температуре быстрых компонент сцинтилляционного свечения кристаллов СаМо04. Для более детального изучения быстрых компонент были использованы данные, полученные с помощью быстродействующего времяцифрового преобразователя. Кинетика высвечивания быстрых компонент сцинтилляций представлена на рис. 3 и рис. 4. Как видно из рис. 4, можно выделить две составляющие с временами высвечивания ~15 нс и ~46 нс для у-квантов и ~12 нс и ~36 нс для а-ча-стиц. Вклад быстрых компонент в общий свето-
т, мкс; A, %
Т1
т2
Al + A2
т3
Aз
т4
A4 т5 A5
у-кванты
15 • 10-3 46 • 10-3 0.5
1.4
5.5 5.0
29
15.8
65
Примечание: т - постоянная времени высвечивания, Л^ - вклад разных компонент в общий световыход; Л1 + Л2 - суммарный вклад быстрых компонент.
выход кристалла незначителен —1% от общего световыхода кристалла. При этом суммарный вклад быстрых компонент при облучении а-ча-стицами приблизительно в два раза превышает
Рис. 2. Кинетика сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 в широком временном диапазоне (0-120 мкс) при его облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри (а) и у-квантами от источника 137Сб (у). 1 и 3 - фити-рующие кривые с постоянными времени соответственно 4.6 и 15.2 мкс для спектра, полученного при облучении а-ча-стицами; 2 и 4 - 5.0 и 15.8 мкс, при облучении у-квантами.
Время, мкс
Рис. 3. Кинетика высвечивания быстрых компонент сцинтилляционного свечения кристалла СаМо04 в диапазоне 03.0 мкс при его облучении а-частицами от радиоактивного источника 238Ри (а) и у-квантами от источника 137Сб (у). 1, 3 и 5 - фитирующие кривые с постоянными времени соответственно 36 нс, 1 и 4.6 мкс для спектра, полученного при облучении а-частицами; 2, 4 и 6 - 46 нс, 1.4 и 5.0 мкс, при облуч
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.