ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 6, с. 24-28
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.165+539.1.074.3
ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТОВОГО ВЫХОДА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СВЕЧЕНИЯ КРИСТАЛЛА СаМоО4
© 2010 г. Р. В. Васильев, С. Б. Лубсандоржиев, Б. К. Лубсандоржиев, Р. В. Полещук, Б. А. М. Шайбонов, P. Grabmayr*, J. Jochum*, Ch. Sailer*, И. Р. Барабанов, А. В. Вересникова
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а *Kepler Center of Astro and Particle Physics, University of Tübingen, Germany Поступила в редакцию 16.04.2010 г.
Представлены результаты измерения светового выхода сцинтилляционного свечения кристалла CaMoO4 при облучении а-частицами и у-квантами от радиоактивных изотопов 241Am и Cs соответственно. Показано, что световой выход данного кристалла в диапазоне длин волн 400—700 нм, измеренный при комнатной температуре (22°С), для у-квантов составляет ~3000 фотонов/МэВ, а отношение а/ß ~0.25.
Последние 25—30 лет можно смело назвать триумфальными в истории экспериментальной физики нейтрино. Действительно, перечень достижений экспериментальной нейтринной физики за этот период впечатляет. В этом перечне достойные места должны занимать детектирование нейтринного сигнала от взрыва сверхновой звезды 8№987Л и открытие нейтринных осцилля-ций. Существование же нейтринных осцилляций возможно только при наличии у нейтрино массы, отличной от нуля, что в свою очередь делает возможным двойные безнейтринные в-распады ядер или как принято их обозначать 0vPP-процессы.
Поиск 0 vPP-процессов — одна из важнейших задач современной экспериментальной физики [1—5]. Детектирование 0vPP-процесса для нескольких изотопов с хорошей статистической обеспеченностью явилось бы доказательством того, что нейтрино является майорановской, а не дираков-ской частицей, как предполагается в большинстве теорий с расширением Стандартной модели.
Эксперименты по поиску такого процесса требуют использования большого количества (десятки и сотни килограммов) дорогостоящих обогащенных изотопов, способных претерпевать 0 vPP-распады, и создания низкофоновых установок, размещаемых глубоко под землей. Одним из возможных кандидатов для поиска 0 vPP является 100Мо. Преимущество 100Мо в качестве кандидата для поиска 0vPP-процессов связано с тем, что его энергия распада (3.07 МэВ) является одной из самых больших. Большое значение энергии распада, с одной стороны, увеличивает вероятность 0 vPP, а с другой стороны, существенно упрощает проблему подавления как внешнего, так и внутреннего фона. В качестве рабочего материала в экспери-
менте планируется использование сцинтилляци-онных кристаллов СаМо04. Использование сцин-тилляционных кристаллов обеспечивает практически 100%-ную эффективность регистрации таких процессов, что также является важным преимуществом, учитывая редкую частоту появления событий. Измерение абсолютной величины светового выхода является определяющим для возможности использования сцинтилляционно-го кристалла СаМо04 в качестве детектора 0vPP-процесса, поскольку значение световыхода определяет энергетическое разрешение всего детектора и в конечном итоге вклад фоновых событий.
Исследуемый кристалл размерами 24.7 х 24.7 х х 26.7 мм выращен методом Чохральского в установке с высокочастотным нагревом из шихты сте-хиометрического состава высокой чистоты [6, 7]. Все грани кристалла тщательно отполированы. Измерения спектра излучения кристалла СаМо04 выполнены при облучении кристалла световыми импульсами от ультрафиолетового светоизлучающего диода (светодиода) ЦУ10Р255-Р^Т039 с максимумом спектра излучения на длине волны X = = 255 нм. Спектр излучения кристалла определялся с помощью набора интерференционных фильтров и измерений отклика хорошо прокалиброванного микропиксельного лавинного фотодиода, работающего в режиме ограниченного Гейгеровского разряда (МРП ЛФД [8, 9], производство Центра перспективных технологий и аппаратуры — ЦПТА, Москва). Результаты измерений спектра излучения СаМо04 представлены на рис. 1. Точки — экспериментальные данные, кривая — спектр излучения кристалла СаМо04 из ра-
—I-1-1-1-1-1_
400 450 500 550 600 650 700
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектр излучения сцинтилляционного кристалла СаМо04. Точки — экспериментально измеренные данные, кривая — спектр излучения кристалла СаМо04 при облучении у-квантами с энергиями 6 кэВ из работы [10].
боты [10], полученный при облучении у-квантами с энергиями ~6 кэВ. Видно, что эти спектры хорошо согласуются. Таким образом, кристалл СаМо04 характеризуется довольно широким спектром излучения — 400—>700 нм с максимумом в диапазоне длин волн 530—570 нм.
Другим важным параметром кристалла является его показатель преломления. Прямые измерения показателя преломления кристалла СаМо04 выполнены по схеме, основанной на измерении угла отклонения 9 от первоначального направления пучка света после прохождения через кристалл. Данный метод поясняется на рис. 2. Для измерений использовались узкие коллимированные пучки света 0 < 0.5 мм от источников на основе светодио-дов и лазерного диода, излучающих в диапазоне длин волн 520-655 нм. Значения показателя преломления п определялись из следующей формулы [11, 12]:
9 = ¥ + агс8т{п 8т[а — агс8т(8т(¥/п))]} — а, (1)
где 9 — угол отклонения светового пучка от первоначального направления после прохождения через кристалл; ¥ — угол падения светового пучка на грань кристалла; а — угол, образованный гранями кристалла. В нашем случае а = 90°. Формула (1) получена в предположении, что показатель преломления воздуха пвз = 1.
Измерения показывают, что кристалл имеет довольно высокий показатель преломления в диапазоне длин волн 520—650 нм: п = 2.0 ± 0.1. В силу этого, для уменьшения потерь света при измерениях с кристаллом СаМо04 необходимо использование оптического контакта между кристаллом и входным окном фотодетектора. При этом желательно, чтобы показатель преломления
Рис. 2. Схема измерения показателя преломления кристалла. ¥ — угол падения светового пучка на кристалл; 0 — угол отклонения светового пучка от первоначального направления после прохождения через кристалл; а — угол между гранями кристалла.
материала оптического контакта имел значения, лежащие в промежутке между значениями показателя преломления кристалла и входного окна фотодетектора.
Измерение светового выхода данного кристалла представляет определенные экспериментальные сложности, поскольку характерная постоянная времени импульса сцинтилляционного излучения СаМо04 составляет ~15 мкс [13—17] и реальный сцинтилляционный импульс, зарегистрированный фотодетектором, представляет собой набор выходных импульсов фотодетектора с амплитудами, близкими к однофотоэлектрон-ным.
Функциональная схема измерительной системы для исследования световыхода кристалла СаМо04 показана на рис. 3. Кристалл просматривается со стороны одной из граней фотоэлектронным умножителем (ф.э.у.) ХР5301В (серийный номер № 104746, производство фирмы РИо1ош8). Остальные грани кристалла обклеены многослойной полимерной пленкой УМ2000 (производство фирмы 3М) с высокой отражательной способностью (~100%) в диапазоне длин волн сцинтилляционного излучения кристалла. Оптический контакт между исследуемым кристаллом и ф.э.у. осуществляется с помощью оптического клея Вюгап ВС-600 с показателем преломления п = 1.58. Анодные импульсы ф.э.у. поступают на вход спектрометрического усилителя-формирователя CУ(CANBER-ИЛ 2010) с постоянными времени интегрирования и дифференцирования ~12 мкс. Для подавления выбросов обратной полярности используется метод компенсации полюса нулем. Выходные импульсы усилителя подаются на вход многоканального анализатора амплитуды импульсов МКА (CANERRA 3100). Кристалл облучается у-квантами с энергиями 662 кэВ от радиоактивного источника 137С8 или а-частицами с энергиями ~5.5 МэВ от источника 241Лт.
26
ВАСИЛЬЕВ и др.
ОП
Рис. 3. Функциональная схема измерительного стенда для исследования абсолютного световыхода кристалла CaMoO^ РИ — радиоактивный источник; К — сцинтилляционный кристалл CaMoO^ ОП — отражающая пленка VM2000; ОК — оптический контакт; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель XP5301B; СУ— спектрометрический усилитель-формирователь CANBERRA 2010; МКА — многоканальный анализатор CANBERRA 3100.
Значение абсолютного световыхода кристалла в единицах [фотон/МэВ] оценивается по формуле:
¥ = Лф/(^екрЕу), (2)
£ — эффективная квантовая эффективность ф.э.у. (ДОф — число зарегистрированных фотоэлектронов; £ = (п)СЕ, СЕ — эффективный коэффициент сбора фотоэлектронов на динодную систему ф.э.у.; (п) — квантовая эффективность фотокатода ф.э.у., усредненная по спектру излучения кристалла в диапазоне длин волн 400-700 нм); в — коэффициент сбора сцинтилляционных фотонов на фотокатод ф.э.у.; Кр — параметр, показывающий долю сцинтилляционных фотонов, собирающихся за время интегрирования усилителя т = 12 мкс при облучении кристалла у-квантами; Еу, МэВ — энергия у-квантов.
Для определения абсолютного световыхода кристалла необходимо хорошее знание зависимости квантовой эффективности ф.э.у., использовавшегося в измерениях, от длины волны света. Измерения этой зависимости проводились с помощью наборов интерференционных фильтров и светодиодов, излучающих на длинах волн от 400
П, % 50
40 30 20 10 0
300 400 500 600 700 Длина волны, нм
Рис. 4. Зависимость эффективной квантовой эффективности ф.э.у. ХР5301В от длины волны.
до 700 нм, и калиброванного ф.э.у. ХР3112В. Результаты измерений представлены на рис. 4. Значение квантовой эффективности ф.э.у. ХР5301В, усредненное по спектру излучения кристалла в диапазоне длин волн 400-700 нм, составляет (п) = = 16.3%. Следует отметить, что данный ф.э.у. характеризуется высокой эффективностью сбора фотоэлектронов на динодную систему — СЕ« 100%. Таким образом, величина эффективной квантовой эффективности ф.э.у. в формуле (2) равна £ = 16.3%. Измерения зарядового спектра однофотоэлектронных импульсов данного ф.э.у. показывают, что квадрат относительной дисперсии коэффициента усиления С этого ф.э.у. равен (аС/С)2 ~ 0.3. Параметр шум-фактор ф.э.у. [18] оказывает существенное вл
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.