Исследование характеристик спектрометрического детектора на онове кристалла LaBr3:Ce и фотоумножителя ФЭУ-184

     ВВЕДЕНИЕ  

     В последние годы значительно возросла потребность в новых, более эффективных преобразователях ионизирующего излучения в кванты света (сцинтилляторах). Это обусловлено широким применением сцинтилляторов в различных областях науки, техники и медицины. Они используются для мониторинга окружающей среды, контроля работы атомных электростанций, проведения исследований в астрофизике, физике высоких энергий, в компьютерных томографах, для геологической разведки полезных ископаемых, в системах, используемых для таможенного досмотра, обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ [1-5].

     Для решения вышеперечисленных задач требуются сцинтилляторы, имеющие высокий световой выход, малое время высвечивания и высокое энергетическое разрешение. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяет бромид лантана, легированный церием, который является самым эффективным из используемых в настоящее время сцинтилляторов. Его световой выход при регистрации γ-квантов составляет ~65000 фотонов/МэВ, что примерно в 1,5 раза выше светового выхода широко используемых сцинтилляторов Csl:TI и Nal:Tl. Время высвечивания (τ) сцинтиллятора LaBr₃:Ce составляет ~18 нс, что примерно на порядок меньше, чем для Nal:Tl, и почти на два порядка меньше, чем для Csl:Tl. Монокристалл LaBr₃:Ce имеет высокое энергетическое разрешение. Рекордное разрешение, полученное на кристалле LaBr₃:Ce на линии 662 кэВ (¹³⁷Cs), составило 2,8%. Это почти в 2 раза выше, чем наилучшее разрешение, полученное для Nal:Tl. Основные характеристики сцинтилляторов Nal:Tl и LaBr₃:Ce представлены в табл. 1 [6-8].

     Таким образом, по целому ряду параметров — высокому световому выходу, малому времени высвечивания, энергетическому разрешению — LaBr₃:Ce превосходит известные преобразователи ионизирующего излучения. Пожалуй, единственным недостатком бромида лантана, легированного церием, является его крайне высокая гигроскопичность.  
Свечение, возникающее при возбуждении кристалла LaBr₃:Ce ионизирующим излучением, регистрируется, как правило, фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) фирм Hamamatsu (Япония) или ET Enterprises Ltd (Англия). Представляется целесообразным установить, какие ФЭУ, выпускаемые отечественной промышленностью, способны реализовать спектрометрические возможности кристалла LaBr₃:Ce.

     Исследования, проведенные в настоящей работе, показали, что при специальной схеме подключения фотоумножитель ФЭУ-184 позволяет получать на кристалле LaBr₃:Ce такое же разрешение, как и ФЭУ R-1306 (Hamamatsu). В работе исследованы такие спектрометрические характеристики сборки LaBr₃:Ce с ФЭУ-184, как пропорциональность амплитуды сигнала энергии излучения (линейность), а также энергетическое разрешение при разных энергиях γ-квантов.

     МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА  

     Выращивание монокристаллов LaBr₃:Ce диаметром 25 мм и высотой 25 мм проводилось методом Стокбаргера в запаянной кварцевой ампуле. Кристалл помещался в герметичный контейнер, в одном из торцов которого находилось кварцевое окно. Сцинтилляционные характеристики сборок LaBr₃:Ce и ФЭУ исследовались на установке, схема которой представлена на рис. 1. В работе исследовались серийно выпускаемые фотоэлектронные умножители ФЭУ-85, ФЭУ-115МУ, ФЭУ-181-1 с диаметром фотокатода 25 мм и ФЭУ-184 с диаметром фотокатода 46 мм. Максимальная чувствительность этих ФЭУ находится в диапазоне длин волн 360-440 нм, что соответствует области излучения LaBr₃:Ce, максимумы свечения которого расположены при 365 и 385 нм. Для обеспечения оптимального светосбора контакт между контейнером со сцинтиллятором и входным окном ФЭУ осуществлялся через тонкую прослойку оптического вазелина. Сигнал с ФЭУ через зарядочувствительный усилитель подавался на амплитудный анализатор.

     Источник γ-излучения располагался на расстоянии 5 см от входного торца кристалла. Для каждого ФЭУ подбиралось оптимальное напряжение питания. Критерием оптимальности служило наилучшее энергетическое разрешение при условии линейности сигнала, регистрируемого с ФЭУ. Выполнение линейности отклика сцинтилляционной сборки проверялось путем сравнения отношения номеров каналов расположения максимумов фотопиков спектра ⁸⁸Y с величиной отношения энергий соответствующих γ-линий ⁸⁸Y: 898 и 1836 кэВ, равной 2,044. Для каждого значения напряжения питания ФЭУ также определялось энергетическое разрешение на линии 662 кэВ γ-источника ¹³⁷Cs. Таким способом были изучены характеристики сцинтилляционных сборок кристалла LaBr₃:Ce с каждым фотоэлектронным умножителем, исследуемым в настоящей работе.

     РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ  

     Изучение сцинтилляционных характеристик исследуемого детектора LaBr₃:Ce с использованием ФЭУ R-1306 показало, что энергетическое разрешение LaBr₃:Ce для энергии γ-квантов 662 кэВ равно Δ₆₆₂ = 3.18%. Энергетическое разрешение детекторных сборок кристалла LaBr₃:Ce с ФЭУ-85, ФЭУ-115МУ и ФЭУ-181-1 на линии 662 кэВ заметно хуже. Для этих ф.э.у. Δ₆₆₂ находится в пределах 4.5-5.0%. Например, для ФЭУ-85 Δ₆₆₂ = 4.6%. Несколько лучшие результаты были получены для ФЭУ-184, включенного в схему со стандартным делителем напряжения: R₁ = 4R; R₂ = R₅ = 1.3R; R₃ = 1.5R; R₄ = R₆ = R₇ =... = R₁₁ = R. В этом случае энергетическое разрешение для энергии 662 кэВ составляло ~4.0-4.6%. Так как среди исследованных нами отечественных ФЭУ наилучшее разрешение получено для сборки LaBr₃:Ce с ФЭУ-184, то дальнейшие поиски возможностей улучшения энергетического разрешения проводились для ФЭУ-184.

     С увеличением напряжения питания ф.э.у. энергетическое разрешение улучшается, однако при этом нарушается линейность из-за перегрузки зарядочувствительного усилителя. Для предотвращения перегрузки усилителя вместо традиционного способа регистрации сигнала с анода ФЭУ использовалась регистрация сигнала с предпоследнего динода (рис. 2). При такой схеме для ФЭУ-184 наиболее оптимальным оказалось использование равномерного делителя напряжения. При регистрации сигнала с предпоследнего динода и использовании равномерного делителя напряжения энергетическое разрешение сборки LaBr₃:Ce с ФЭУ-184 для энергии 662 кэВ составило Δ₆₆₂ = 3.2% (рис. 3). Это значение практически совпадает с энергетическим разрешением Δ₆₆₂, полученным с использованием ФЭУ R-1306.

     Следует отметить, что значение Δ₆₆₂ = 3.2-3.3% сохраняется при изменении напряжения на ФЭУ-184 в диапазоне 570-660 В. При этих напряжениях наблюдалась также и пропорциональность между энергией γ-квантов и амплитудой сигнала (рис. 4). Следует отметить, что из девяти фотоумножителей ФЭУ-184 только четыре экземпляра показали разрешение для линии 662 кэВ в пределах 3.2-3.3% при сохранении линейности отклика в диапазоне изменения высокого напряжения 570-660 В. При использовании остальных пяти ФЭУ-184 энергетическое разрешение сборки кристалла с ФЭУ находилось в пределах 3.5-4.2%. Энергетическое разрешение сборки LaBr₃:Ce с ФЭУ-184 при разных энергиях γ-квантов представлено в табл. 2. В исследованной нами области энергий 60 кэВ-2 МэВ энергетическое разрешение LaBr₃:Ce заметно лучше (в 1.3-2.6 раза), чем у Nal:Tl (см. табл. 2).

     На рис. 5 и в табл. 3 приведена зависимость положения фотопика спектра, регистрируемого детекторной сборкой LaBr₃:Ce с ФЭУ-184, от энергии γ-квантов. В табл. 3 приведены также данные по отклонению от линейности Δ = (Mэксп - M/ Mэксп) • 100% для LaBr₃:Ce. Согласно рис. 5 и табл. 3, бромид лантана обладает хорошей линейностью в диапазоне от 60 кэВ до 2 МэВ. Максимальное отклонение от линейности составляет ~2% (см. табл. 3), что значительно меньше, чем отклонение от линейности для многих известных типов сцинтилляторов. Например, для Nal:Tl отклонение от линейности в диапазоне энергий 0.06-2 МэВ составляет более 10% [9].

     ВЫВОДЫ  

     Таким образом, показано, что при регистрации сигнала ФЭУ-184 с предпоследнего динода и использовании равномерного делителя напряжения для сборки LaBr₃:Ce с ФЭУ-184 получено такое же энергетическое разрешение, как и для LaBr₃:Ce с ФЭУ R-1306. При таком способе подключения ФЭУ-184 обеспечивается линейная зависимость между положением фотопика и энергией γ-квантов в исследованном нами диапазоне энергий 60-2000 кэВ, максимальное отклонение от линейности составляет ~2%. Энергетическое разрешение и линейность сохраняются при изменении напряжения на ФЭУ-184 в интервале 570-660 В.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1. Дорин А.Б., Ельцин В.Ф., Скакун Г.Е., Чудаков А.К. // Техническое и методическое обеспечение спек-трометрических комплексов СКС, используемых в системах радиационного контроля АЭС. ht- tp://www.greenstar.ru
2. 2. Июдин А.Ф., Богомолов В.В., Свертилов С.И. и др. // ПЭ. 2009. Nº 6. C. 16.
3. 3. Shah K., Higgins W., Van Loef E.V. // Final Report, High Resolution Sensor for Nuclear Waste Character-ization. Watertown, United States: Radiation Monitoring Devices Inc., 2005.
4. 4. Иванов А.Ф., Пугачев А.Н., Савин В.М. и др. // Устройства детектирования на основе сцинтилляционных кристаллов бромида лантана (LaBr3:Сe) и спектрометрические системы, построенные на их базе. http://www.aspect.dubna.ru
5. 5. Быстрицкий В.М., Замятин Н.И., Кадышевский В.Г. и др. // Изучение ядерно-физических методов идентификации скрытых веществ в ОИЯИ. ht- tp://nanonewsnet.ru
6. 6. Van Loef E.V. Halide Scintillators. Netherlands: Delft University of Technology, 2003.
7. 7. Глобус М.Е., Гринев Б.В. Неорганические сцинтил-ляторы. Новые и традиционные материалы. Харь-ков: Изд-во Акта, 2000. С. 283.
8. 8. Milbrath B.D., Fast J.E., Kouzes R.T. et al. // Report Pacific Northwest National Laboratory. Comparison of LaBr:Ce and Nal:Tl scintillators for Radio-Isotope Identification Devices (Revision 0). PNNL-15831. Department of Energy USA, 2006.
9. 9. Guillot-Noel O., van't Spijker J.C., de Haas J.T.M. et al. // TEEE Tras. Nucl. Sci. 1999. V. 46. P. 1274

Смотрите так же

Способ получения мелкодисперсного порошка титана

Получение отечественных кристаллов для приборов фотоники. Часть 1-сцинтилляторы

Способ очистки тетрахлорида гафния селективным восстановлением примесей