ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 4, с. 94-100
УДК 539.1.074.5:620.179.152
ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ
© 2014 г. Г. П. Васильев, В. К. Волошин, А. С. Деев, С. К. Киприч, Н. И. Маслов, С. В. Наумов, В. Д. Овчинник, С. М. Потин, М. Ю. Шулика, В. И. Яловенко
ИФВЭЯФ ННЦХарьковский физико-технический институт, Харьков, Украина Поступила в редакцию 17.07.2013 г.
Представлены результаты измерений энергии излучения для разработанных в ННЦ ХФТИ однока-нальных детектирующих систем на основе кремниевых неохлаждаемых планарных детекторов и спектрометрической считывающей электроники. В экспериментах применялись источники излучения 55ре, 241дт, 57Со, 13705, 99МТс и характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ). Спектрометром на основе РГЫ-детектора измерены значения энергии излучения в диапазоне Еу = 3—140 кэВ. Энергетическое разрешение (FWHM) в указанном диапазоне энергий изменяется с увеличением энергии квантов от 0.97 до 1.3 кэВ. Кремниевым планарным детектором с алюминиевой входной фольгой зарегистрировано ХРИ Са (Ка = 3.69 кэВ). С помощью детектирующей системы сцинтиллятор С81(Т1)— кремниевый РГЫ-фотодиод измерены линии излучения в диапазоне энергии Еу = 0.04—0.662 МэВ. Энергетическое разрешение спектрометра изменяется с увеличением энергии квантов от 22 до 70 кэВ. Зарегистрировано ХРИ от С8 и I (Ка = 31 и 28.6 кэВ).
БО1: 10.7868/80207352814040209
ВВЕДЕНИЕ
Кремниевые неохлаждаемые планарные детекторы и комбинированные детектирующие системы на их основе (сцинтиллятор—фотодиод) широко используются в физике высоких энергий (ЬНС) [1, 2]. Показана возможность их применения в ядерно-физических исследованиях [3, 4], радиационной диагностике окружающей среды [5], медицине [6] и для решения различных прикладных задач [7—9]. Применение комбинированных устройств типа сцинтиллятор—81 РШ-фото-диод значительно расширяет энергетический диапазон регистрации частиц. Детектирующие системы на базе 81 РШ-детекторов обладают высокой чувствительностью регистрации излучений, высоким пространственным и временным разрешением, хорошим энергетическим разрешением при комнатной температуре. Герметизированные модули кремниевых детекторов устойчивы к изменениям температуры и влажности [10].
Вместе с тем существует ряд особенностей регистрации излучений, которые необходимо детально знать при интерпретации экспериментальных спектров. Это зависимость эффективности регистрации и энергетического разрешения от энергии частиц, предельный уровень шумов спектрометра, минимальные значения энергии устойчиво регистрируемых излучений, различные виды искажения спектров и другие. Например, экспе-
e-mail: deev@kipt.kharkov.ua.
риментальные спектры излучения меняются, если источник излучения или детектор помещен внутрь защитного корпуса или окружен фольгами. Подавляются низкоэнергетические линии излучения, регистрируются линии ХРИ из материалов окружения, а также линии "обратного рассеяния" [11].
В настоящей работе представлены результаты измерений энергии излучения на разработанных в ННЦ ХФТИ экспериментальных детектирую -щих системах на основе неохлаждаемых кремниевых детекторов [5, 10]. Исследуются спектрометрические детектирующие системы двух типов: на основе планарных 81 детекторов с размером активной области 2 х 2 мм, толщиной 300 мкм (диапазон измеряемых энергий Еу = 3—140 кэВ) и систем типа сцинтиллятор С81(Т1)—кремниевый РШ-фотодиод (Еу = 0.04-0.662 МэВ). Используется спектрометрическая считывающая электроника с зарядочувствительным усилителем с рези-стивной обратной связью.
Задачи настоящей работы: 1) получить экспериментальные значения энергетического разрешения, предельной энергии регистрируемого излучения и уровня шумов спектрометрической системы на основе герметизированого детектирующего модуля (неохлаждаемый 81 РШ-детектор) и зарядо-чувствительного усилителя с резистивной обратной связью; 2) получить значения энергетического разрешения, предельной энергии регистрируемого излучения и уровня шумов спектрометрической системы на основе системы сцинтилятор С81(Т1)—81
РШ-фотодиод; 3) экспериментально и с помощью расчетов в коде GEANT4 установить эквивалентность интенсивностей излучений (241Ат, 99МТс), регистрируемых обеими системами; 4) определить различные искажения в форме спектров.
ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
СПЕКТРОМЕТРОМ НА ОСНОВЕ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАНАРНЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Для исследований применялось излучение источников 55Fe, 241Am, 57Co, 137Cs, 99МТс и характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ), возбуждаемое в различных материалах. Измерения выполнены в диапазоне энергии 3.7—140 кэВ. Моделирование экспериментальных спектров проведено в программном коде GEANT 4 [12].
На рис. 1, 2 представлены результаты измерений линий ХРИ кальция и титана неохлаждае-мым детектором с предусилителем с резистивной обратной связью. ХРИ Ca и Ti возбуждалось рентгеновской трубкой с максимумом тормозного излучения 10 кэВ. Рентгеновские кванты регистрировались герметизированным детектирующим модулем с Si PIN-детектором (размер активной области 2 х 2 мм, толщина 300 мкм) и входной алюминиевой фольгой толщиной 7 мкм.
Наличие входной фольги уменьшает эффективность регистрации низкоэнергетического излучения. Другим ограничением становятся шумы детектирующей системы. Таким образом, регистрация ХРИ Са является практически пределом измерения низкоэнергетического излучения для данной детектирующей системы.
Результаты моделирования в GEANT4 показали, что эффективность регистрации излучения с энергией 3 кэВ уменьшается до 0.1 из-за наличия входной фольги. Максимальная эффективность герметизированного детектора достигает 0.87 для энергии квантов около 9 кэВ, затем эффективность спадает. Рассчитанная эффективность регистрации в фотопике для линии 241Am с энергией 59.54 кэВ составляет менее 0.009, для линии 57Со с энергией 122 кэВ — <0.0008, для линии 99МТс с энергией 140.5 кэВ - <0.0005.
На рис. 3 представлены результаты измерений ХРИ Cu, измеренного неохлаждаемым Si PIN-де-тектором; ХРИ возбуждалось источником 241Am. Спектр излучения состоит из двух линий Ка = 8 кэВ и Кр = 8.8 кэВ, которые не удается полностью разделить при комнатной температуре. Однако проявляется отчетливая асимметрия энергетического распределения относительно Ка-линии. Получено энергетическое разрешение (FWHM — ширина распределения на полувысоте) для линии Cu с энергией 8.046—0.97 кэВ. Аналогичные измерения проведены для ХРИ Mn, Fe, Zr, Mo, Sn, Ag,
6000
m
о
H <u F о
о
[3
о о F
s
ч о
а
4000
2000
100
300
500 700 Каналы
900
Рис. 1. Спектр линий ХРИ Ca, измеренный неохлаждаемым Si PIN-детектором.
100
300
500 Каналы
700
900
Рис. 2. Спектр линий ХРИ Ti, измеренный неохлаждаемым Si PIN-детектором.
2400
и 2000
о н
g 1600
о
| 1200
8.04 кэВ
800 -
400 -
0
325 350 375 400 425 450 475 500 525 Номер канала
Рис. 3. Спектр линий ХРИ Cu, измеренный неохлаждаемым Si PIN-детектором.
0
т о н и
о о
о ¡^
и
ч о
а
18000 15000 12000 9000 6000 3000
Ц 0 20 40 60 80 100 120 140 Энергия, кэВ
Рис. 4. Результаты измеренного энергетического разрешения для 81 РШ-детектора, 300 мкм (Р^НМ в кэВ) — кривая 1. Кривая 2 — вклад в величину полуширины электронных шумов спектрометрического тракта. Кривая 3 — вклад в ширину на полувысоте фактора Фано.
РЬ и линий 241Ат и 57Со. Максимальный край фоновых шумов измерен на уровне <2 кэВ.
На рис. 4 представлено энергетическое разрешение для 81 РШ-детектора (FWHM в кэВ) в зависимости от энергии излучения. При энергии квантов 4—16 кэВ разрешение находится в диапазоне 0.97—1 кэВ, при Еу 25—60 кэВ — в диапазоне 1.0—1.1 кэВ. При увеличении Еу до 122—140 кэВ энергетическое разрешение увеличивается до 1.19—1.3 кэВ. В целом зависимость разрешения от энергии при комнатной температуре выражена слабо. Рассчитан фактор Фано, вычтен его вклад в энергетическое разрешение. Получен вклад в величину разрешения электронных шумов спектрометрического тракта по аналогии с [13, 14]. Вклад шумов спектрометра образует почти постоянную величину порядка 1 кэВ, что соответствует стабильной работе спектрометрического тракта.
Измерены спектральные распределения излучения реальных образцов фармпрепарата 99МТс, находящегося в специальной упаковке (стеклянной ампуле). На рис. 5 показан измеренный спектр излучения для фармпрепарата объемом 8 см3 и активностью 1.5 мКи. 81 РШ-детектор расположен на расстоянии 10 см от ампулы.
Спектр излучения состоит из высокоэнерге-тичной линии 140.5 кэВ (эффективность регистрации ~5 х 10-4), комптоновского распределения (край 49.8 кэВ) и двух линий ХРИ технеция (с энергией 18.36 и 20.6 кэВ и эффективностью регистрации 0.31 и 0.23 соответственно). ХРИ технеция возникает вследствие процесса внутренней конверсии электронов с К-оболочки и составляет 10% от интенсивности основной линии 140.5 кэВ. Важным контролируемым фактором становится толщина слоя фармпрепарата и стенки стеклянной колбы, отвечающих за ослабление линий
0 200
- 99МТС
ХРИ Тс
140 кэВ
1 1 Л
600
1000 1400 Каналы
1800 2200
Рис. 5. Спектр излучения 99МТс.
ХРИ. Расчет в GEANT4 показывает согласие активностей, полученных по регистрации ХРИ и основной линии излучения. Предложено измерение технеция не только по основной линии 140 кэВ (FWHM = 1.3 кэВ), но и по излучению ХРИ, что значительно повышает скорость набора данных.
Проведены сравнительные измерения активности препарата тремя вариантами спектрометров: HPGе, 81 РШ-детектором и системой С81(Т1)—81-фотодиод. С учетом спада интенсивности излучения 99МТс со временем (Т1//2 = 6 ч) результаты совпадают. Также показано совпадение регистрируемых квантов с энергией 59.54 кэВ от источника 241Ат для двух типов спектрометров: 81 РШ-детектором и системой С81(Т1)—81-фотодиод.
ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ СПЕКТРОМЕТРОМ НА ОСНОВЕ
ДЕТЕКТИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ТИПА СЦИНТИЛЛЯТОР-КРЕМНИЕВЫЙ РШ-ФОТОДИОД
Детектирующей системой сцинтиллятор С81(Т1)-кремниевый РШ-фотодиод измерены линии источников излучения 241Ат, 57Со,
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.