Применение тонких сцинтилляционных счетчиков в детекторах частиц (обзор)

Texto integral

1. ВВЕДЕНИЕ

Тонкие сцинтилляционные счетчики с характерной толщиной до 5 мм и широкой геометрической апертурой находят широкое применение в ядерной физике и физике промежуточных энергий. Применение таких счетчиков в физических экспериментах в основном в качестве пучковых и различного типа вето-счетчиков заряженных частиц позволяет минимизировать фон, возникающий при прохождении через сцинтилляторы и световоды счетчиков интенсивных потоков частиц из-за взаимодействия с веществом счетчиков, и сохранить высокую эффективность регистрации заряженных частиц.

Конструктивно тонкие счетчики можно разделить на два типа: состоящие из сцинтилляционной пластины, сочлененной с фотоприемником, и с использованием вывода излучения из сцинтилляционных пластин с помощью спектросмещающих (wave length shifters, WLS) волокон. В качестве фотодетекторов обычно используются вакуумные или полупроводниковые фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Необходимость применения тонких счетчиков можно показать на примере нескольких экспериментов в области промежуточных энергий.

В экспериментах по исследованию редких распадов K⁺-мезонов на установке ОКА [1] используется пучок частиц с импульсом 17.7 ГэВ/с и интенсивностью вплоть до 3 × 10⁶ частиц/с, обогащенный каонами. Для получения триггера на прохождение каонов крайне необходимо сделать триггерные счетчики как можно тоньше, чтобы, во-первых, не возникал фон от взаимодействия пучковых частиц в этих счетчиках и, во-вторых, чтобы минимизировать многократное рассеяние, которое приводит к ухудшению точности измерения треков частиц и их импульсов. Для этого на установке используются триггерные счетчики толщиной 1 мм.

В эксперименте Гиперон-М [2–4] на серии ядер (Be, C, Al, Cu, Sn, Pb) проводятся прецизионные измерения масс легких мезонов, образующихся в пион-ядерных взаимодействиях и распадающихся в конечном счете на фотоны. При этом толщина тяжелых мишеней (Cu, Sn, Pb) не может быть больше нескольких миллиметров из-за конверсии фотонов в веществе этих мишеней. Это, в свою очередь, накладывает жесткие ограничения на толщину триггерного счетчика, расположенного непосредственно перед мишенью и определяющего сам факт прохождения пучковой частицы через мишень установки. Поэтому для успешного проведения эксперимента минимально возможная толщина этого счетчика является принципиальной, так как это приводит к уменьшению фона от взаимодействий частиц пучка со счетчиком. При этом оказалось также недопустимым и наличие у этого счетчика пластмассового световода для сопряжения с фотоумножителем из-за черенковского излучением, возникающего в световоде при прохождении через него пучковых частиц. Все это в целом предъявляет достаточно жесткие требования к характеристикам и конструкции счетчика.

Аналогичные требования к толщине триггерных сцинтилляционных счетчиков при сохранении высокой эффективности регистрации заряженных частиц предъявляются и в эксперименте Гиперон+ [5]. Это касается прежде всего мишенного счетчика, регистрирующего прохождение пучковой частицы через мишень, и счетчиков вето-детектора заряженных частиц установки. Требования обостряются достаточно плотной компоновкой этих счетчиков в составе мишенного узла установки, показанного ниже на рис. 7.

Тонкие сцинтилляционные счетчики с высокой эффективностью регистрации заряженных частиц находят широкое применение и в прикладных задачах. Мы остановимся здесь для примера на практическом применении таких счетчиков в установках для контроля бета-загрязнений, где именно минимальная толщина сцинтиллятора при необходимых размерах детектора определяет уровень подавления гамма- и, соответственно, выделение бета-излучения счетчиком и его эффективность, т. е. в конечном счете определяет качество установки для контроля бета-загрязнений.

2. ТОНКИЕ СЧЕТЧИКИ НА ОСНОВЕ ВАКУУМНЫХ ФЭУ

2.1. Пучковые мониторные счетчики на установке ОКА

Нет особых проблем изготовить тонкий сцинтилляционный счетчик даже толщиной в доли миллиметра, когда необходимая площадь сцинтилляционной пластины составляет десятки квадратных сантиметров. Проблемы начинаются, когда эта площадь составляет сотни квадратных сантиметров. При таких площадях пластин потери света при сочленении с помощью световодов торцов пластин с плоскими окнами фотокатодов обычных вакуумных ФЭУ становятся значимыми. Применение адиабатических световодов, обеспечивающих относительно небольшие потери света, затрудняется сложностью и трудоемкостью их изготовления и стыковки со сцинтиллятором и фотокатодом ФЭУ, а также громоздкостью этих световодов. Эффективным в этом случае оказалось решение на основе применения фотоумножителя ФЭУ-КС [6], разработанного в НИЦ “Курчатовский институт” – ИФВЭ, который представляет собой стеклянную колбу диаметром 40 мм с бищелочным фотокатодом размерами 15 × 200 мм², 10-динодной умножительной системой длиной 200 мм и одним или двумя протяженными анодами, рис. 1.

 

Рис. 1. Фотоумножитель ФЭУ-КС.

 

Такая конструкция фотоумножителя позволяет существенно упростить узел сочленения сцинтиллятора с окном фотокатода за счет исключения использования световода. Это значительно улучшает эффективность собирания сцинтилляционного излучения на фотокатод ФЭУ. Чувствительность фотокатода ФЭУ-КС составляет около 70–80 мА/Вт. Величина усиления динодной системы находится в пределах 2 × 10⁶–5 × 10⁶. На рис. 2 представлен общий вид детектора на основе ФЭУ КС с пристыкованной к фотокатодному окну на оптическом контакте сцинтилляционной пластиной с размерами 1 × 200 × 300 мм³.

 

Рис. 2. Фото общего вида тонкого сцинтилляционного счетчика с размерами рабочей области сцинтиллятора 1 × 200 × 300 мм³.

 

Измеренное количество фотоэлектронов, регистрируемое счетчиком при прохождении минимально ионизирующих частиц (MIP) от космических мюонов через удаленную от фотокатода область сцинтиллятора, составляет 20 фотоэлектронов, что соответствует величине световыхода около 100 фотоэлектронов/МэВ (фэ/МэВ) выделенной в сцинтилляторе энергии. Именно такие счетчики с необходимыми размерами сцинтилляторов используются в качестве мониторных в эксперименте ОКА уже более 10 лет.

2.2. Тонкий сцинтилляционный счетчик установки Гиперон-М.

Как уже отмечалось выше, с целью оптимизации условий проведения эксперимента Гиперон-М для выделения пучковых частиц, проходящих через мишень, был использован счетчик с минимально возможной толщиной сцинтиллятора. Общий вид счетчика представлен на рис. 3.

 

Рис. 3. Общий вид тонкого счетчика, расположенного перед мишенью установки Гиперон-М.

 

В счетчике используется ФЭУ-КС и круглая сцинтилляционная пластина диаметром 120 мм и толщиной 0.5 мм, подвешенная на высоте 28 мм над окном фотокатода с помощью трех нитей. Сцинтиллятор размещен внутри трапециевидного кожуха, закрепленного на цилиндрическом корпусе ФЭУ-КС. Кожух обклеен внутри алюминизированным лавсаном с высоким, не менее 80%, коэффициентом отражения и представляет собой воздушный световод, собирающий свет на фотокатод благодаря плавному сужению размеров кожуха по высоте и толщине с удалением от фотокатода. Положение сцинтиллятора внутри кожуха обозначено белым кругом. Количество фотоэлектронов от MIP, проходящих через наиболее удаленную от фотокатода область сцинтиллятора составляет 15 фэ, что соответствует световыходу около 150 фэ/МэВ.

2.3. Детектор загрязнений на основе ФЭУ-КС

Высокий световыход счетчиков на основе ФЭУ-КС, превышающий 100 фэ/МэВ при достаточно больших размерах сцинтилляторов и толщинах менее 1 мм, делает потенциально привлекательным их использование в качестве детекторов бета-загрязнений. По требованиям МЭК-61098 [7] размеры рабочих площадей детекторов для контроля загрязнений источниками бета-излучений должны составлять не менее 120 × 200 мм² для контроля ладоней рук и не менее 150 × 350 мм² для контроля ступней ног. Одним из важных является требование, чтобы при приближении к плоскости детектора на расстояние 10 мм источника бета-излучения типа 4СО-212 скорость счета на выходе детектора увеличивалась не менее чем в 5 раз. Как было показано ранее в нашей работе [8], тонкие счетчики на ФЭУ-КС вполне удовлетворяют как требованию по размерам рабочих площадей, так и остальным требованиям МЭК-61098. На рис. 4 показан такой детектор, предназначенный для обнаружения бета-загрязнений рук. Он состоит из двух отдельных тонких счетчиков, которые обращены друг к другу тонкими светонепроницаемыми окнами, изготовленными из светозащитной пленки толщиной 50 мкм. Сцинтилляционная пластина установлена на окне фотокатода с оптическим контактом при помощи прозрачной силиконовой прокладки, изготовленной из компаунда СИЭЛ [9]. На рис. 5, 6 показано, что сцинтилляционная пластина прижимается к прокладке с помощью “домика” – отражателя из алюминизированного лавсана, обеспечивающего дополнительный сбор света, выходящего через фронтальные стенки сцинтиллятора. Световыходы обоих счетчиков составляют около 110 фэ/МэВ.

 

Рис. 4. Фото проведения измерения бета-загрязнений с помощью детектора.

 

Рис. 5. Вид счетчиков детектора: сняты светозащитные пленки-отражатели левого и правого счетчиков, правый счетчик вынут из корпуса.

 

Рис. 6. Вид счетчика детекторов бета-загрязнений с “домиком” – отражателем из алюминизированного лавсана.

 

Счетчики помещены в корпусы из черного непрозрачного пластика (поливинилацеталь) толщиной в несколько мм. Габаритные размеры корпуса – 360 × 80 × 225 мм³. Размеры рабочего окна детектора – 200 × 150 мм². Расстояние внутри корпуса по пластине сцинтиллятора от фотокатода до рабочего окна примерно 1 см. Рабочее положение опытного образца детектора вертикальное (для измерения загрязнения правой или левой руки).

Детекторы этого типа по таким основным параметрам детекторов бета-загрязнений, как толщина сцинтилляционной пластины (1 мм) и световыход (более 100 фэ/МэВ), остаются по настоящее время одними из лучших.

3. ТОНКИЕ СЧЕТЧИКИ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОСМЕЩАЮЩИХ ВОЛОКОН И ВАКУУМНЫХ ИЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФЭУ

3.1. Развитие методики вывода излучения из сцинтилляторов и его регистрации с помощью WLS и фотодетекторов.

В последнее десятилетие наблюдается активное внедрение в практику физического эксперимента методики использования “бюджетных” сцинтилляторов и вывода излучения из них с помощью WLS-волокон. Такие недорогие сцинтилляторы, имеющие стоимость в несколько раз меньшую, чем полимеризованные, в основном производятся из опудренных сцинтилляционными добавками полистирольных гранул. Для изготовления сцинтилляторов применяются технологии экструдирования, литья под давлением и плавления опудренных сцинтилляционными добавками гранул в формах с зеркальными стенками [10]. Целый ряд экспериментальных физических установок оснащен экструдированными сцинтилляторами, о масштабах производства которых можно судить по используемым только в эксперименте МИНОС [11], в количестве 100 000 штук, сцинтилляционных полос с размерами поперечного сечения 10 × 41 мм² длиной 8 м и канавкой на широкой грани полосы для укладки в нее одного WLS-волокна. По этой технологии возможно изготовление с высокой производительностью сцинтилляционных полос толщиной от 10 мм до долей миллиметра.

Производительность современных литьевых машин соответствует двухминутному рабочему циклу, что позволяет изготовлять огромное количество сцинтилляционных пластин с максимальной толщиной в несколько мм. Так, для адронного калориметра установки АТЛАС [12] изготовлено около 460 000 пластин различной формы. Еще большее количество сцинтилляционных пластин различных размеров было изготовлено для модулей электромагнитных калориметров типа “Шашлык”, например в эксперименте PHENIX [13] общее количество пластин составляло более 933 000. В этих детекторах каждая пластина вместе с проходящими через нее WLS-волокнами по сути является тонким счетчиком. Подобные пластины нашли широкое применение и для изготовления многочисленных отдельных тонких счетчиков с WLS и полупроводниковыми фотоумножителями (SiPM) в качестве фотодетекторов.

Технология плавления гранул в формах с зеркальными стенками заключается в плавлении опудренных гранул в формах в атмосфере нейтрального газа. Эта технология является более универсальной, но менее производительной, чем экструдирование и литье под давлением. Например, методом плавления на действующем в НИЦ “Курчатовский институт” – ИФВЭ оборудовании можно изготовлять в сутки 6 сцинтилляционных пластин толщиной от 1 мм до 50 мм при габаритах до 500 × 1000 мм² и одновременно 6 полос (стрипов) с размерами до 50 × 100 × 2600 мм³. На этом оборудовании было изготовлено несколько тысяч стрипов и сцинтилляторов с размерами 50 × 500 × 500 мм³. По указанной технологии были изготовлены и рассматриваемые ниже сцинтилляторы тонких счетчиков, и тонкие счетчики для детекторов бета-загрязнений.

3.2. Тонкие счетчики для охранной системы детектора эксперимента Гиперон+

Установка Гиперон+ [5] предназначена для изучения адрон-ядерных взаимодействий, в результате которых образуются вторичные ядра в различных возбужденных состояниях. Идентификация уровней возбуждения осуществляется путем измерения энергий последующих гамма-переходов методами прецизионной ядерной гамма-спектроскопии. Детектор гамма-ядерных переходов представляет собой систему из трех колец сцинтилляционных счетчиков (по шесть счетчиков в кольце) на основе кристаллов NaI и BGO. В центре детектора расположена ядерная мишень. Чтобы подавить фон от заряженных частиц, попадающих в кристаллы счетчиков наряду с фотонами гамма-переходов, ближние к мишени торцы этих счетчиков перекрыты шестью продольными сцинтилляционными счетчиками вето-детектора заряженных частиц, основное требование к которым – высокая эффективность регистрации заряженных частиц. Гамма-счетчики и счетчики вето-детектора вместе с мишенью образуют мишенный узел установки Гиперон+, показанный на рис. 7.

 

Рис. 7. Общий вид мишенного узла установки Гиперон+ на 18 канале У-70: красным цветом показаны продольные счетчики вето-детектора заряженных частиц, черные тубусы – сцинтилляционные счетчики на основе кристаллов NaI и BGO, внизу видна панель с усилителями для SiPM.

 

Продольный сцинтилляционный счетчик вето-детектора представляет собой светоизолированную сцинтилляционную полистирольную пластину с размерами 3.5 × 86 × 309 мм³, содержащую стандартные добавки (2% РТР + 0.05% РОРОР). В канавки на ее поверхности вклеены WLS-волокна, торцы которых собраны и вклеены в жгут с поперечным сечением 3 × 3 мм². Отшлифованный торец жгута соединяется с SiPM, фоточувствительная область которого также имеет размеры 3 × 3 мм². Выходные сигналы SiPM через тонкий коаксиальный кабель длиной 1 м поступают на усилители (рис. 7, внизу). На рис. 8 показан продольный тонкий счетчик без светоизолирующей бумажной и светоотражающей (Тайвек) оберток, а на рис. 9 – счетчик в сборе вместе со встроенным SiPM.

 

Рис. 8. Фото продольного тонкого счетчика ветодетектора без светоизолирующей бумажной и светоотражающей (Тайвек) оберток.

 

Рис. 9. Фото продольного тонкого счетчика ветодетектора в сборе.

 

По измерениям на MIP (космические мюоны) световыход счетчиков составляет не менее 55 фэ или 87 фэ/МэВ. Неоднородность светосбора по площади счетчиков, измеренная с помощью радиоактивного источника ²⁰⁷Bi, составляет ±10%.

В случае использования сцинтилляционных счетчиков на основе WLS и SiPM в экспериментах на интенсивных пучках частиц [1] остается неясным, до каких интенсивностей счетчики могут регистрировать частицы. Измерения, проведенные при возбуждении сцинтиллятора описанного выше продольного тонкого счетчика импульсами ультрафиолетового света, подтвердили данные [14], что при использовании “быстрого“ вывода сигнала SiPM предельная частота световых импульсов не менее 20 МГц.

4. ТОНКИЕ СЧЕТЧИКИ ДЕТЕКТОРОВ БЕТА-ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОСМЕЩАЮЩИХ ВОЛОКОН И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФЭУ

Широкое распространение методики вывода излучения сцинтилляторов спектросмещающими волокнами и его регистрации с помощью кремниевых ФЭУ (SiPM) привели к разработкам тонких счетчиков на этих элементах, в том числе и для детекторов бета-загрязнений [15]. Ниже обсуждаются конструкции и характеристики тонких счетчиков для детекторов бета-загрязнений ног и рук, разработанные в НИЦ “Курчатовский институт” – ИФВЭ.

4.1. Конструкция счетчиков

Конструктивно счетчик детектора загрязнений рук или ног представляет собой светоизолированную коробку из черного поливинилацеталя с тонким входным окном, состоящим из светоотражающей алюминизированной лавсановой пленки толщиной 12 мкм и светозащитной пленки толщиной 15 мкм. В коробке находится тонкая сцинтилляционная пластина с размерами 2.5 × 140 × 210 мм³ или 2.5 × 170 × 320 мм³ для детекторов загрязнений рук и ног соответственно. Пластина изготовлена из полистирольного сцинтиллятора со стандартными добавками (2% РТР + 0.05% РОРОР). Светосбор осуществляется с помощью 9 петель WLS волокон типа Y11 (производство фирмы Kuraray, Япония [16]) диаметром 1 мм, вклеенных в канавки в сцинтилляционной пластине и двух SiPM (типа MicroFC-30035-SMT производства фирмы SensL, Ирландия [14]). Обратная сторона пластины соединена с диффузным отражателем – листом Тайвека толщиной 0.2 мм. Концы волокон объединяются в 2 жгута, которые с оптическим контактом пристыковываются к SiPM. Сигналы SiPM подаются на встроенный электронный модуль, состоящий из усилителей-формирователей, схемы совпадений с разрешением 30 нс и формирователя выходного ТТЛ-сигнала (ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика) длительностью 200 нс. Общие виды счетчика представлены на рис. 10 и рис. 11.

 

Рис. 10. Фото общего вида счетчика без светоотражающей и светозащитной оберток: сцинтилляционная пластина с WLS-волокнами, двумя SiPM, к которым присоединены торцы волокон, и электронным модулем.

 

Рис. 11. Фото общего вида счетчика в сборке.

 

Следует отметить, что необходимость использования схемы совпадений сигналов SiPM связана с большой скоростью счета темновых (шумовых) импульсов. На рис. 12 показаны зависимости скорости счета отдельного SiPM и SiPM в составе счетчика от порога дискриминации формирователя. Калибровка каналов АЦП в фотоэлектронах описана ниже.

 

Рис. 12. Скорость счета (при напряжении смещения 30.5 В) в зависимости от порога дискриминации формирователей: линия с круглыми маркерами – счет шумов и естественного радиоактивного фона счетчика с размерами 50 × 500 × 500 мм³, с использованием WLS и одного SiPM, линия с квадратными маркерами – собственный шумовой счет изолированного SiPM.

 

Отметим, что при использовании схемы совпадений на каждый из двух используемых SiPM поступает только половина излучения, собираемого WLS-волокнами. Поэтому пороги формирователей сигналов от каждого SiPM соотносятся с соответствующей половиной общего светового сигнала, что приводит к падению отношения сигнал/тепловой шум SiPM. Однако при порогах регистрации около 3 фэ и шумовом счете каждого канала регистрации порядка 30000 импульсов/с схема совпадений позволяет существенно подавить шумы – примерно в 200 раз.

4.2. Изучение характеристик детектора бета-загрязнений

Рассматриваемые детекторы бета-загрязнений рук и ног различаются как по длине, так и по ширине сцинтилляционных пластин, что приводит при одинаковом числе петель использованных WLS волокон, к несколько большему световыходу в случае детекторов для рук. Поэтому далее мы будем рассматривать детекторы загрязнений для ног, тем более что последние были изучены на большой статистике.

Среднее количество фотоэлектронов n_фэ, регистрируемых при прохождении частиц с минимальной ионизацией через сцинтиллятор счетчика, определялось как отношение наиболее вероятной величины зарядов сигналов в измеренных спектрах к заряду однофотоэлектронного импульса. Калибровка каналов АЦП в фотоэлектронах (определение числа каналов, соответствующих такому импульсу) производилась при малом количестве фотоэлектронов, регистрируемых SiPM при возбуждении сцинтилляционной пластины счетчика импульсами ультрафиолетового излучения светодиода; калибровочный спектр приведен на рис. 13. Указанные выше измерения проводились с помощью многофункционального осциллографа LeCroy Wave Runner 606 Zi 600 MHz.

 

Рис. 13. Калибровочный спектр при малом количестве фотоэлектронов. Левый пик в спектре соответствует пьедесталу, последующие – импульсам однофотоэлектронных сигналов, двухфотоэлектронных и так далее.

 

На рис. 14 приведен суммарный спектр сигналов SiPM – одного из лучших счетчиков при регистрации электронов от радиоактивного источника ²⁰⁷Bi. Следует отметить [17], что пересечение аппроксимации линейной части правого склона этого спектра с энергетическою осью (каналы АЦП) соответствует максимальной энергии наиболее интенсивной линии электронов распада ²⁰⁷Bi с максимальной энергией 975 кэВ. Действительно, при установке пластмассового (плексиглас) фильтра толщиной 1мм между этим источником и детектором загрязнений правый склон спектра значительно “съезжает” в сторону меньших энергий (рис. 15), что может быть связано только с поглощением фильтром части энергии электронов.

 

Рис. 14. Амплитудный спектр суммы сигналов обоих SiPM при регистрации излучения от источника ²⁰⁷Bi.

 

Рис. 15. Амплитудный спектр суммы сигналов обоих SiPM при регистрации излучения от источника ²⁰⁷Bi с плексовым фильтром.

 

Использование в рассматриваемых детекторах загрязнений “стандартного” вывода сигнала от SiPM позволяет получить более высокое спектрометрическое разрешение по сравнению с использованием “быстрого вывода“ [14]. Испытания счетчиков, проведенные при их возбуждении ультрафиолетовыми световыми импульсами, генерирующими сигналы со средним числом фотоэлектронов n_фэ = 20, показали, что загрузочная способность счетчиков составляет не менее 500 кГц.

По стандарту МЭК [7], параграф 7.1.3.2, однородность отклика детектора по его рабочей площади измеряется с помощью небольшого бета-источника в каждой из 44 фиксированных МЭК координат. Влияние окружающего фона вычитается из каждого измерения (счет – фон). Наибольшее отличие от среднего значения не должно превышать коэффициента 2. В нашем случае однородность отклика измерялась с помощью источника ²⁰⁷Bi c диаметром рабочей площади 5 мм и активностью 11000 Бк с максимальной энергией электронов около 1 МэВ. Наибольшее отклонение отклика от средней величины не превысило ±15%.

При использовании этого ²⁰⁷Bi как реперного источника электронов с максимальной энергией 975 кэВ были определены ожидаемые величины эффективности регистрации средним по качеству счетчиком электронов с фиксированной энергией. Для этого после калибровки шкалы каналов в кэВ и, соответственно, в фотоэлектронах измерялись эффективности регистрации УФ-импульсов светодиода, соответствующие по числу фотоэлектронов электронам с различной энергией (рис. 16, квадратные маркеры). Измерения эффективности регистрации проводились при порогах формирователей сигналов SiPM, соответствующих n = 3фэ. С целью прогнозирования зависимости эффективности регистрации электронов от световыхода сцинтилляционных пластин с помощью распределения Пуассона были рассчитаны зависимости вероятности событий с n ≥ 3фэ для средних чисел регистрируемых каждым SiPM фотоэлектронов, равных 142, 97, 77 и 45. Указанные зависимости с возведенными в квадрат значениями вероятности событий для каждого числа фотоэлектронов n_фэ моделируют работу детектора загрязнений с использованием схемы совпадений. Они показаны на рис. 16 соответственно пунктирной, штриховой, сплошной и сплошной, проходящей через экспериментальные точки линиями.

 

Рис. 16. Зависимости эффективности регистрации электронов от их энергии при значениях напряжения смещения SiPM 30 В: квадратные маркеры – результаты измерений эффективности счетчика загрязнений. Пунктирная, штриховая, сплошная и линия, проходящая через экспериментальные точки, соответствуют расчетным результатам вероятности событий с n_фэ ≥ 3, полученным для средних значений чисел, регистрируемых каждым SiPM фотоэлектронов, равных 142, 97, 77 и 45.

 

Хорошее соответствие измеренных и расчетных значений эффективностей регистрации электронов для случая со средним n_фэ = 45 (эффективность 40%) позволяет прогнозировать значения эффективностей с ростом световыхода сцинтилляционных пластин. Так, для уже достигнутого уровня световыхода пластин в n_фэ = 97 ожидаемая эффективность регистрации электронов с энергией 100 кэВ составляет 98%. При дальнейшем повышении световыхода пластин до n_фэ = 142, который соответствует световыходу таких же по размерам пластин из сцинтилляторов BC-408 [18] или EJ-200 [19], эффективность регистрации электронов с энергией 100 кэВ должна составить уже практически 100%. В табл. 1 приведены измеренные и расчетные значения эффективностей регистрации электронов детекторами бета-загрязнений.

 

Таблица 1. Параметры тонких счетчиков детекторов загрязнений ног при напряжении на SiPM 30 В

Размеры, мм3	Порог формирователя, фэ	Световыход SiPM от MIP, фэ	Световыход SiPM от 975 кэВ e–, фэ	Эффективность регистрации 100 кэВ e–, %	Фоновый счет, 1/с	Загрузочная способность, кГц
2.5×170×320	3	19	45	40 (измерения, расчет)	800, измерения.	200
2.5×170×320	3	27	77	92, расчет	800, измерения	200
2.5×170×320	3	41	97	98, расчет
2.5×170×320	3	60	142	100 расчет

 

Следует отметить, что при фиксированных значениях порогов формирователей импульсов SiPM фоновый (шумовой) счет детектора можно регулировать как временным разрешением схемы совпадений, так и понижением температуры фотоприемника.

Основные параметры счетчиков для регистрации бета-загрязнений ног представлены в табл. 1.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе подробно рассмотрены конструкция и характеристики различных тонких сцинтилляционных счетчиков с большой геометрической апертурой, которые широко применяются в практике физического эксперимента, равно как и в приборах контроля бета-загрязнений. Показано, что счетчики со светосбором на основе спектросмещающих волокон, сопряженных с кремниевыми фотоумножителями в качестве фотодетекторов, легко адаптируются к множеству актуальных в настоящее время задач. В частности, показано, что данный тип тонких счетчиков может быть эффективно использован в качестве детектирующего элемента в комплексных системах обнаружения радиоактивных загрязнений персонала. У рассмотренного в данной работе образца детектора загрязнений эффективность регистрации электронов с энергией 100 кэВ составляет около 40% (рис. 16). Но уже у детекторов с достигнутым уровнем световыхода сцинтилляционных пластин в 97 фотоэлектронов эффективность должна составить 98%. Актуальной задачей здесь, тем не менее, остается повышение световыхода сцинтилляторов счетчиков и подавление шумов кремниевых фотоумножителей.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность А.М. Зайцеву за поддержку работы, М.Н. Уханову за интерес к работе и полезные обсуждения и всему коллективу сектора сцинтилляционных и фотоэлектронных приборов НИЦ “Курчатовский институт“ – ИФВЭ за помощь в изготовлении сцинтилляционных счетчиков.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-12-00095, https://rscf.ru/project/22-12-00095/).

Sobre autores

В. Бреховских

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Autor responsável pela correspondência
Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

А. Горин

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

В. Дятченко

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

С. Евдокимов

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

А. Зайцев

Объединенный институт ядерных исследований

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Дубна

В. Изучеев

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

М. Медынский

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

В. Рыкалин

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

С. Садовский

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

А. Шангараев

Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: brekhovs@ihep.ru
Rússia, Протвино

Bibliografia

Arquivos suplementares