Цавелов Стсинтиллятсионные кристаллы для плазмофизического експеримента 2015

Рис. 5.1. Зависимость удельного световыхода от энергии гамма- и рентгеновских квантов для ряда сцинтилляционных кристаллов (см. также с. 22)

21

Рис. 5.1. Окончание

Для всех кривых на рис. 5.1 характерным является наличие ярко выраженных минимумов в величине L/E в области K- и L-краев поглощения элементов, входящих в состав сцинтиллятора. Достаточно сложный вид этих зависимостей определяется совместным влиянием, по крайней мере, двух факторов: физикой взаимодействия рентгеновского и гамма-излучений с атомами вещества и физическими процессами формирования сцинтилляционного сигнала. Причем процесс формирования сцинтилляционной вспышки существенно зависит от пространственного распределения неравновесных носителей заряда в области трека ионизирующей частицы, т.е. от плотности ионизации в области трека.

Приведенные экспериментальные данные относятся к процессу фотоэлектрического поглощения квантов, поэтому интенсивность сцинтилляционной вспышки будет определяться первичными фотоэлектронами и последующими (вторичными) электронами, которые являются результатом заполнения вакансий в ионизированном атоме. Учи-

22

6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Одна из важнейших характеристик детекторов, работающих в спектрометрическом режиме, – энергетическое разрешение. Энергетическим разрешением детектора R (%) = Е/Е называется отношение E ширины на полувысоте пика полного поглощения спектра моноэнергетического гамма-излучения к значению сигнала Е, соответствующего энергии моноэнергетического излучения.

Экспериментальное определение энергетического разрешения R сводится к измерению спектра сигналов при облучении детектора моноэнергетическим пучком частиц и определения отношения Е – ширины пика полного поглощения на полувысоте полученного спектра – к значению Е – сигнала, при котором значение пика полного поглощения имеет максимум.

Имеется много различных факторов, влияющих на энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора. Это шумы измерительных устройств, неоднородности детектора, краевые эффекты (пробег частиц выходит за пределы детектора, потеряв в нем только часть своей энергии).

Исследование зависимости энергетического разрешения от энергии гамма-квантов R проводилось для кристаллов NaI(Tl) (с берил-

лиевым входным окном), CsI(Tl), Bi4Ge3O12, CdWO4, YAlO3:Ce, Y3Al5O12:Ce, CaF2(Eu) с помощью ФЭУ-85. Результаты измерений показаны на рис. 6.1. Лучшее энергетическое разрешение в диапазоне энергий от 24 до 662 кэВ имеет кристалл NaI(Tl).

24

Рис. 6.1. Зависимость энергетического разрешения от энергии гамма-квантов для спектрометра на основе ФЭУ-85 с рядом сцинтилляторов: 1 – NaI(Tl); 2 – CaF2(Eu); 3

– CsI(Tl); 4 – YAlO3:Ce; 5 – CdWO4; 6 – Y3Al5O12:Ce; 7 – Bi4Ge3O12

25

7. ЗАВИСИМОСТЬ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изучение влияния интенсивности регистрируемого потока РИ на световыход кристаллов CsI(Tl), Bi4Ge3O12, СПС, CdI2 проводилось на установке микропинч [34]. Длительность импульса РИ составляла порядка 100 нс при интенсивности от 1018 до 1023 эВ/см2 с. Контроль за параметрами осуществлялся с помощью калиброванных радиолюминесцентных дозиметров. Результаты измерения показаны на рис. 7.1. Для всех кристаллов характерным является спад световыхода при росте интенсивности импульса РИ. Следует отметить, что после облучения кристалла импульсом РИ высокой интенсивности (> 1023 эВ/см2 с) собственный световыход сцинтиллятора падал, и для восстановления световыхода до первоначального состояния (до облучения) кристаллу необходимо было время от нескольких минут до нескольких суток (в зависимости от вида сцинтиллятора и интенсивности облучения).

В настоящей работе также были изучены сцинтилляционные свойства поверхностных слоев ряда неорганических сцинтилляторов. Интерес к данному исследованию вызван тем, что РИ с энергией квантов hν ≤ 3 кэВ практически полностью поглощается в поверхностном слое кристалла. В работе исследовался относительный световыход слоев кристалла при облучении его под разными углами коллимированным α-излучением в вакуумной камере. В случае наличия у кристалла «мертвого слоя» световыход кристалла при облучении его альфа-частицами под различными углами будет меняться. В противном случае изменений наблюдаться не должно. В результате исследований получено, что кристаллы CsI(Tl) имеют толщину «мертвого слоя» ≈ 0,04 мкм, что хорошо согласуется с работой [35]. У кри-

сталлов Bi4Ge3O12, CdWO4, YAlO3-Ce, Y3Al5O12:Ce «мертвого слоя» не обнаружено.

26

Рис. 7.1. Зависимость удельного световыхода ряда сцинтилляционных кристаллов от интенсивности потока РИ

27

8. ВЛИЯНИЕ ЦЕНТРОВ СВЕЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Для полного понимания приведенных выше результатов сцинтилляционных свойств кристаллов необходимо представлять механизм сцинтилляционного процесса, который и определяет эти свойства. Следует обратить внимание, что сцинтилляционные кристаллы содержат в качестве центров свечения ионы с nS2 конфигурацией электронной оболочки: Tl+, Sn2+, Bi3+, Ce3+ и т.д. При прохождении ионизирующей частицей кристалла происходит ионизация основного вещества сцинтиллятора. Перенос энергии возбуждения от основного вещества к центрам свечения является одним из основных процессов, определяющих световыход и временные параметры неорганических сцинтилляторов [33]. Эффект α/β в сцинтилляторах в основном объясняется данным явлением (см. табл. 1.1) [39].

На рис. 8.1 показаны конфигурационные кривые центра высвечивания Bi3+ кристалла Bi4Ge3O12. В результате поглощения большой порции энергии происходит возбуждение 1S0 → 3P1 центра высвечивания с последующим излучательным переходом 3Р1 → 1S0. Переход может быть безызлучательным в случае увеличения температуры кристалла (пересечение конфигурационных кривых), см. рис. 4.1. Конверсионная эффективность кристаллов сильно зависит от его химической чистоты. На рис. 8.2 показана диаграмма энергетических уровней свободного Bi3+ (слева) и когда Bi3+ находится в кристалле (справа). В результате действия поля кристалла уменьшается разделение между основным и возбужденным состояниями. Происходит расщепление возбужденных уровней. А наличие химических примесей дает уширение возбужденных уровней, что приводит (см. рис. 8.1) к спаду интенсивности свечения или к полному безызлучательному переходу в основное состояние.

28

Рис. 8.1. Конфигурационные кривые центра высвечивания Bi3+

На базе проведенного анализа литературных данных и экспериментальных исследований целого ряда сцинтилляционных кристаллов авторами работы создан комплекс аппаратуры для рентгеновской диагностики на основе сцинтилляционных детекторов. С помощью этого комплекса аппаратуры проводятся исследования плазменных объектов [29].

29