ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.12.074.3
ПАРАМЕТРЫ НОВЫХ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ
© 2011 г. С. М. Игнатов, В. Н. Потапов
РНЦ "Курчатовский институт " Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 Поступила в редакцию 11.10.2010 г.
Описаны результаты экспериментальной оценки параметров сцинтилляционных детекторов двух типов: ЬОБО + твердотельный ф.э.у. и ЬаБг3 + ФЭУ-184, представляющих интерес с точки зрения регистрации у-излучения.
ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ LGSO И ТВЕРДОТЕЛЬНОГО Ф.Э.У.
Для изготовления этих детекторов у-излучения были использованы кристаллы LGSO, разработанные и изготовленные в Институте сцинтилляционных материалов НАН Украины (Харьков), и так называемые твердотельные фотоумножители (т.ф.у.) (Solid State Photomultiplier (SSPM)) или кремниевые фотоумножители (Si Photomultiplier (SiPM)) [1-7].
Твердотельный ф.э.у. представляет собой многопиксельную кремниевую систему, детальное описание которой приведено в работах [3, 4]. Такой фотоприемник имеет высокий коэффициент внутреннего усиления (~106), невысокое напряжение обратного смещения (30-80 В) и слабую зависимость коэффициента внутреннего усиления от напряжения смещения и температуры, а также от воздействия магнитных полей. Эти достоинства позволяют использовать прибор в качестве фотоприемника света, генерируемого сцин-тилляционными детекторами, предназначенными для решения спектрометрических задач определенного класса.
При разработке и изготовлении макетов детекторов у-излучения использовались т.ф.у. российского производства. В настоящее время в ООО "Центр перспективных технологий и аппаратуры" изготавливают т.ф.у. с чувствительной площадью размером 1, 4 и 9 мм2 [8]. При изготовлении детекторов, как правило, использовались фотоприемники четырех типов: СРТА 143-30 (576 пикселов), СРТА 151-30 и СРТА 149b-26 (1764 пикселов), СРТА 140-17 (8100 пикселов) [8, 9].
Сцинтилляторы LGSO относятся к классу быстрых, что позволяет использовать их при создании спектрометрических детекторов, работающих в полях с высоким уровнем мощности дозы, т.е. при больших загрузках. Кристаллы LGSO (Lu2xGd2 - 2xSiO5, р = 6.3 г/см3, X = 420 нм, т, = 40 нс) имеют достаточно высокий световой выход (Ly «
» 15000—25000 фотонов/МэВ) и слабую зависимость светового выхода от температуры.
При изготовлении детектора использовался кристалл ЬС8О размером 03 х 5 мм. Наиболее оптимальны по размеру для такого кристалла фотоприемники типа СРТА 149Ь-26 и СРТА 149-35. Чувствительная площадь этих фотоприемников 4.41 мм2. Поскольку длина волны света, на которую приходится максимум люминесценции для этих кристаллов, составляет ~420 нм, то целесообразнее использовать фотоприемник 88РМ с максимальной чувствительностью в области синего света, т.е. т.ф.у. типа СРТА 149Ь-26 [8] с напряжением обратного смещения ~26 В. У этого фотоприемника максимум чувствительности приходится на длину волны ~450 нм (рис. 1).
Твердотельный ф.э.у. приклеивался к сцинтил-лятору с помощью оптического клея Epotek. В качестве отражателя света на боковых поверхностях
PDE, % 30
25 -20 -15 10 5
400 500 600 700 800
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектральные зависимости эффективности регистрации фотонов (PDE) кремниевых т.ф.у. двух типов [9] с одинаковой чувствительной площадью 4.41 мм2.
Генератор импульсов напряжения точной амплитуды
Предусилитель
Анализатор
Рис. 2. Условная схема эксперимента со световыми импульсами.
кристалла использовался мелкодисперсный фторопластовый порошок.
Одной из первых метрологических задач для такого детектора была оценка величины свето-сбора (т). Если сцинтиллятор со световыходом Ьу поглощает у-квант с энергией Е, то на фотоприемник детектора попадет NрН = (т)ЕуЕ световых фотонов. Для быстрого сцинтиллятора (у которого время высвечивания меньше времени восстановления пикселов 88РМ) зависимость числа сработавших пикселов фотоприемника от числа падающих на него световых фотонов определяется выражением
Nя = Np Л1 - ехр
= Np Л - ехр
РБЕ ■ N..
NP
/Ч)Е(т)1.уЕ ~
N.
р* I _
(1)
где Ng — число пикселов твердотельного ф.э.у., испытавших гейгеровский разряд; Nр — общее число пикселов фотоприемника; РБЕ — эффективность регистрации световых фотонов.
Количество сработавших пикселов N определяет величину сигнала детектора, т.е. формирует заряд, поступающий на вход предусилителя, а значит, с точностью до константы к позволяет установить номер канала аппаратурного спектра детектора, в котором расположен пик полного поглощения у-кванта с энергией Е. Поэтому, если умножить левую и правую части выражения (1) на к, то получим выражение, определяющее номер канала пика полного поглощения в зависимости от поглощенной энергии у-кванта Е:
к к тах °
1 - ехр
РБЕ{т)ЕуЕ N.
(2)
где Nk = kNg — номер канала пика полного поглощения, а Nk тах = kNp — предельное значение канала, в который попадает сигнал, когда все пикселы твердотельного ф.э.у. испытывают гейгеровский разряд. Условие (2) свидетельствует о том, что детекторы с такими фотоприемниками
имеют нелинейную энергетическую шкалу и обусловлена она ограниченным числом пикселов т.ф.у. и наличием конечного времени восстановления (мертвого времени) отдельного пиксела.
Выражение (2) может быть использовано для оценки коэффициента светосбора (т). Из выражения следует, что
<т> = -
N.
РБЕ ■ ЕуЕ
-1п
1 -
N.
N.
к тах _
(3)
т.е. для оценки величины светосбора нужно знать паспортные характеристики т.ф.у. (РБЕ, Nр) и сцинтиллятора (Еу), которые, как правило, известны. При использовании в качестве источника излучения 137Сб по аппаратурному спектру можно определить положение пика полного поглощения (N1^). Для определения величины Nk тах использовался другой подход — засветка фотоприемника световыми фотонами от светодиода. Условная схема такого эксперимента представлена на рис. 2.
Генератор импульсов зажигал светодиод с длительностью свечения ~30 нс (60 нс), имитируя вспышки света сцинтилляционного кристалла. Изменяя напряжение, подаваемое от генератора на светодиод, можно менять засветку фотоприемника, в том числе и до предельного уровня, когда все пикселы т.ф.у. оказываются засвеченными, т.е. находятся в режиме гейгеровского разряда. Такой режим обеспечивает предельный уровень сигнала, соответствующий его положению в канале Nk тах. Определив таким образом Nk тах, по формуле (3) можно оценить величину светосбора (т).
Такие эксперименты проводились с детекторами, в которых использовались фотоприемники двух типов: СРТА 149Ь-26 и СРТА 149-35, имеющие различную фоточувствительность для света с длиной волны X тах = 420 нм. Согласно рис. 1, эффективность регистрации света (РБЕ) на этой длине волны составляет ~22.5% для т.ф.у. СРТА 149Ь-26 и 10% для СРТА 149-35. Для этих значений РБЕ были проведены оценки коэффициента светосбора (т) детекторов, использующих один и тот же кристалл Ь080, но различные т.ф.у. Очевидно, что от типа используемых т.ф.у. коэффи-
Номер канала
137
Рис. 3. Аппаратурные спектры излучения Cs, измеренные детектором на основе фотоприемника SSPM (CPTA 149b-26) и кристалла LGSO (03 х 4 мм) с различной степенью обработки поверхности: 1 — мелкая шероховатость, 2 — крупная шероховатость. Увеличение коэффициента светосбора составило 24%.
циент светосбора (т) не зависит, поэтому оценка его по формуле (3) должна дать одно и то же значение для т.ф.у. различных типов. Действительно, результаты экспериментов показали, что для детектора с фотоприемником СРТА 149Ь-26 значение коэффициента светосбора оказалось равным 0.22, а для СРТА 149-35 - 0.21. При этом следует отметить, что поверхность кристалла сцинтилля-тора была достаточно гладкой, но неполированной. Однако наилучший коэффициент отражения света достигается от шероховатой боковой поверхности сцинтиллятора. Это позволяет улучшить светосбор, что сказывается на характеристиках детектора.
Изменение коэффициента светосбора легко контролировать по положению пика полного поглощения на аппаратурном спектре излучения 137Св. При увеличении коэффициента светосбора пик полного поглощения смещается вправо по шкале, т.е. увеличивается номер канала, определяющий его положение. Качество обработки отражающей поверхности кристалла сцинтиллятора определялось условно — как "мелкая и крупная шероховатость" и зависело от механического
способа обработки. После первого этапа обработки и достижения мелкой шероховатости поверхности кристалла сцинтиллятора коэффициент светосбора увеличился на 17%. На втором этапе обработки после достижения крупной шероховатости поверхности коэффициент светосбора увеличился еще на 24%. Это иллюстрирует рис. 3, где приведены два аппаратурных спектра излучения 137Св, полученные после первой и второй стадии обработки отражающей поверхности сцинтиллятора. Из рисунка видно, что амплитуда, соответствующая положению пика полного поглощения у-квантов с энергией 662 кэВ, увеличилась почти на четверть. Увеличение коэффициента светосбора обеспечило формирование пика характеристического излучения цезия в энергетической области ~33 кэВ. Это указывает на то, что такой детектор способен регистрировать у-кванты в низкоэнергетической области спектра, так как граница уровня шума оказалась равной ~15 кэВ. На рис. 4 приведены спектры излучения радионуклидов 137Св и 241Ат и указана полуширина на полувысоте (FWHM) для низкоэнергетических пиков 33 и 59.5 кэВ.
5000
4000
„ 3000
л о л
£ с
S
^ 2000
1000
0
0 200 400 600 800 1000
Номер канала
Рис. 4. Аппаратурные спектры излучения 137Cs (1) и 241Am (2), измеренные детектором на основе фотоприемника
SSPM (CPTA 149b-26) и кристалла LGSO (03 х 4 мм) с грубой обработкой его поверхности (крупная шероховатость).
Таким образом, увеличение шероховатости поверхности кристалла LGSO путем ее механической обработки позволило увеличить коэффициент светосбора от 0.22 до ~0.32, что заметно улучшило характеристики детектора и, в частности, его энергетическое разрешение (см. рис. 3).
Следует отметить, что указанные абсолютные значения коэффициента светосбора были получены в предположении, что PDE используемых фотоприемников соответствуют да
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.