ДЕТЕКТОРИ НЕЙТРОННОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ОСНОВІ ТВЕРДІЛЬНИХ КРЕМНІЄВИХ ФОТОПОМНАЧНИКІВ - тема наукової
Ціна:
Автори роботи:
Науковий журнал:
Рік виходу:
Текст наукової статті на тему «ДЕТЕКТОРИ НЕЙТРОННОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ОСНОВІ ТВЕРДІЛЬНИХ КРЕМНІЄВИХ ФОТОПОМНОЖИВАЧІВ»
ПРИЛАДИ ТА ТЕХНІКА ЕКСПЕРИМЕНТУ, 2009, № 4, с. 60-65
_ ТЕХНІКА ЯДЕРНОГО _
ДЕТЕКТОРИ НЕЙТРОННОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ОСНОВІ ТВЕРДІЛЬНИХ КРЕМНІЄВИХ ФОТОПОМНОЖИЧІВ
С. 3. Шмурак**, Н. В. Классен**
Наведено результати розробки нейтронних детекторів, створених із застосуванням нового типу фотоприймачів - кремнієвих твердотільних фотопомножувачів. Як сцинтиляторів детекторів використовувалися монокристал (ЩЕЦ) і сцинтиляційний екран 6ЫР^п8(А§). Детектори, що описуються, компактні, і це розширює можливості їх використання. Наведено деякі параметри детекторів, дана оцінка їх чутливості до теплових нейтронів і у-випромінювання, вказані можливі способи їх застосування.
Останнім часом з'явився новий клас фотоприймачів - твердотільні кремнієві фотоелектронні помножувачі (ф.е.у.) [1-6], які успішно застосовуються при розробці сцин-тиляційних детекторів у-випромінювання [7-10].
Твердотільний Бьф.е.у. є багатопіксельним приладом (див., наприклад, [1, 2]), всі пікселі якого з'єднані між собою за допомогою А1-шин, і до них прикладена однакова напруга зворотного зміщення, що перевищує пробійне. Це забезпечує роботу приладу у гейгерівському режимі. Незважаючи на те, що кожен піксел працює як незалежний гейгерівський лічильник, весь прилад є аналоговим, так як величина заряду на виході ф.е.у. є сума зарядів його пікселів, що спрацювали.
Такий фотоприймач має низку переваг. Твердотільні ф.е.у. досить компактні: в даний час вітчизняними тазарубіжними виробниками [3-6] випускаються фотоприймачі з чутливою областю від 1 до 9 мм2 (1 х 1, 2 х 2 та 3 х 3 мм2). Коефіцієнт внутрішнього посилення твердотільного ф.е.у. досягає
106 і слабко залежить від напруги зворотного зміщення, температури та магнітного поля. Як правило, величина зворотного усунення твердотільних ф.е.у. не перевищує 20-70 В. Ці переваги дозволяють використовувати їх як фотоприймачі в сцинтиляційних детекторах, що працюють у спектрометричному режимі.
Нижче описано сцинтиляційні детектори, створені для реєстрації нейтронного випромінювання. Сцинтиляційні кристали для детекторів нейтронного випромінювання, як правило, виготовляють із матеріалів, що містять ізотопи 10В або 6И, оскільки вони можуть брати участь в екзотермічних реакціях типу (п, а) з виділенням енергії, яка в сцинтиляторах перетворюється на світлову. Ми використовували кристал ЬЩЕі) розміром 013 х 13 мм і сцинтиляційний екран, створений з дрібнокристалічного порошку на основі 6ЫР/2п8(А§). Обидва сцинтиляційні матеріали мають світлові спектральні характеристики з максимумом на довжині хвилі в області 440-460 нм.
При створенні нейтронних детекторів використані твердотілі ф.е.у. вітчизняного виробництва (ТОВ "Центр перспективних технологій та апаратури", Москва) [3, 4] з чутливою площею 2 х 2 мм2, що складається з 1700 пікселів. З таким розміром чутливої поверхні існують фотоприймачі двох типів: Б8РМ_0606Бв4шш і 88РМ_0611Б4шш, які мають різну спектральну квантову чутливість. На рис. 1 представлена спектральна залежність квантової ефективності цих ф.е.
Обидва сцинтиляційні матеріали випускають світлові кванти в області 450 нм. З рис. 1 слід, що з цих сцинтиляційних матеріалів кращевикористовувати фотоприймач 88РМ_0611Б4шш, так як для довжини хвилі 450 нм його квантова еф-
ефективність майже в 2 рази вище, ніж у 88РМ_0606Б04шш. Однак для сцинтиляторів із довжиною хвилі світлових фотонів
450 нм можна використовувати фотоприймач 88РМ_0710в9шш з чутливою областю 9 мм2, навіть незважаючи на те, що він має максимум квантової ефективності припадає на 580 нм. Це пояснюється тим, що чутливі площі фотоприймачів відрізняються в 2.25 рази, а квантові ефективності лише в 1.4 рази, тому виграш за рахунок світло-збору з використанням 88РМ_0710в9шш може компенсувати більш високу квантову ефективність 88РМ_0606Б04ш.
Як було зазначено вище, на атомах б теплові нейтрони беруть участь в екзотермічній реакції (п, а):
б + п - 3Н + а + 4.8 МеВ (1)
з виділенням енергії 4.8 МеВ, яка розподіляється між тритоном та а-частинкою у співвідношенні 2.73 та 2.05 МеВ.
НЕЙТРОННИЙ ДЕТЕКТОР НА ОСНОВІ СЦИНТИЛЯТОРА ЩЩІ)
Кристал сцинтилятора Ы1(Еи) має густину 4.06 г/см3, його конверсійна ефективність дорівнює 0.7, тобто. світловий вихід складає
32000 фотонів/МеВ. Частинки з високою щільністю іонізації (протони, а-частинки, важкі іони) дають у більшості сцинтиляторів менше світлових фотонів, ніж електрони (в-частинки). Для ЬП(Еі)-сцинтилятора а-^-відношення дорівнює
0.8 (за даними [11] воно дорівнює 0.86, а за даними [12] – 0.73). Це означає, що тритон і а-частка, що мають в результаті основної реакції 6И(п, а)3Н енергію 4.8 МеВ, забезпечуватимуть світловихід
25000 фотонів/МеВ. Пробіги цих частинок у сцинтиляторі становлять 9 мкм (а) та 45.8 мкм (3Н).
Гігроскопічний ЬІ(Еі) містився в циліндричний А1-корпус із відбивачем та скляним вихідним вікном.ЬІ(Еі)-сцинтилятор розмірами 013 х 13 мм виготовлений та упакований в ІФТТ РАН (Чорноголівка). На вихідному вікні упакованого кристала за допомогою оптичного клею прикріплювався фотоприймач, а решта вікна засипалася відбивачем з фторопластового порошку.
Напруга зміщення, подане на 81-ф.е.у., становило
21 В. Сигнал з фотоприймача надходив на підсилювач, а потім - на портатив-
Мал. 1. Спектральні залежності квантової ефективності твердотільних 81-ф.е.у. двох типів [3].
ний аналізатор "Колібрі" [13] для формування апаратурного спектру. Джерело зовнішнього живлення +5 забезпечував роботу підсилювача і напруга зміщення для 81-ф.е.у.
Детектуючі властивості такого детектора досліджувалися на РіБе-джерелі ІБН-25 з виходом 0.94 • 107 н/с та середньою енергією нейтронів
4.5 МеВ. Рибе-джерело випускає також у-кван-ти, в тому числі і високоенергетичні (
4.4 та 7.4 МеВ), із загальним виходом
0.5 у/нейтрон. Як сповільнювач нейтронів використовувався шар полістиролу товщиною 20 см.
Реєстрація теплових нейтронів супроводжується виділенням в сцинтилятор енергії 4.8 МеВ, що призводить до утворення піку в амплітудному спектрі детектора. На рис. 2 наведені апаратурні спектри випромінювання РіБе-джерела, отримані з Се-фільтром і без нього. Се-фільтр товщиною 1 мм практично повністю поглинає теплові нейтрони, тому спектр з фільтром (крива 2) формується, в основному, за рахунок реєстрації у-випромінювання джерела і частково більш високоенергетичних нейтронів, що пройшли через Се-фільтр (надкад-мієві нейтрони).
Слід зазначити, що нейтрони з енергією &1;сцинтилятором. Сумарний переріз цих реакцій для нейтронів таких енергій більший за переріз основної реакції (1), тому в спектрі, отриманому при вимірі з Се-пластиною, крім зареєстрованого у-випромінювання РіБе-джерела, буде присутній внесок швидких нейтронів. Це підтверджують і експерименти, проведені одночасно з Се-і РЬ-фільтром товщиною 15 см, коли у-склад-
Мал. 2. Амплітудний спектр сигналу детектора, отриманий при реєстрації нейтронів та у-квантів РіБе-джерела: 1 - за наявності шару (20 см) сповільнювача нейтронів з полістиролу; 2 - з Се-фільтром товщиною 1 мм. На вставці показано різницевий спектр, зумовлений реєстрацією теплових нейтронів.
ляюча випромінювання джерела практично повністю поглинається, а швидкі нейтрони долають такий захист і реєструються детектором.
Одним з недоліків цього детектора є його висока чутливість до випромінювання. Кадмієве відношення в цьому експерименті дорівнює 4.5, проте слід зазначити, що на величину цього відношення впливає ряд факторів, зокрема, високоенергетичне у-випромінювання джерела нейтронів в області
4 МеВ, що підтверджують прямі експерименти щодо вимірювання його спектру сцинтиляційним Ка1(Т1)-детектором, чутливим тільки до у-квантів.
На рис. 3 показаний апаратурний спектр у-випромінювання, де можна спостерігати зареєстровані кванти в галузі енергій
4 МеВ від випромінювання ядер 12С в нейтронному РіБ-джерела. Ядра 12С можуть залишатися у збудженому стані в результаті реакції 9Бе(а, п)12С з подальшим випусканням у-квантів (першим двом збудженим станом 12С відповідають рівні 4.4 і 7.65 МеВ).
При реєстрації детектором у-квантів з енергією 4.4 МеВ, крім піку повного поглинання, спостерігаються ще двадодаткових, обумовлених вильотом відповідно одного або двох анігіляційних квантів з енергією 511 кеВ, оскільки основним процесом взаємодії
Високоенергетичних квантів у сцинтиляторі детектора є утворення електронно-позитронних пар. Другим фактором, що впливає на величину кадмієвого відношення, є теплові нейтрони, що розсіюються на стінах приміщення, в повітрі і потім потрапляють в детектор, так як Се-фільтр є пластиною, що закриває детектор тільки з боку джерела.
Однак такі детектори мають ряд переваг, зокрема, компактність фотоприймача і детектора в цілому дозволяє використовувати їх в дозиметрах нейтронного випромінювання.
Такі компактні детектори можна використовувати для вимірювання щільності потоку теплових Ф нейтронів. Для ізотропного
Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин. Вартість однієї статті -150 рублів.
Подібні наукові роботи на тему «Фізика»
АЛЕКСЄЄВ А. А., БЕЛЯЄВ А. Д., ІВАНОВ В. І., ІГНАТОВ С. М., КУЗНЕЦОВ В. Л., КУЗНЕЦОВА О. В., ЛИТВИН В. С., МАРІН В. Н., НЕДОРІЗОВ В Г., Садиков Р. А. - 2009 р.
ІГНАТОВ С. М., МАНЕВСЬКИЙ Д. А., ПОТАПОВ В. Н., ЧІРКІН В. М. - 2007 р.
ІГНАТОВ С. М., ПОТАПОВ В. Н. - 2011 р.
ОЛЕКСІЄНКО В. В., ГРОМУШКІН Д. М., СТЕНЬКІН Ю. В. — 2011 р.