2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ.........................•..................................... 6
ГЛАВА I. ДЕТЕКТОРЫ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭНЕРГИЕЙ ОД-5 МэВ.. 19
1.1. Кристаллические сцинтилляциошше детекторы........................ 19
1.2. Полупроводниковые детекторы...................................... 33
1.3. Жидкостные детекторы............................................. 41
1.4. Детекторы на основе инертных газов............................... 43
ВЫВОДЫ................................................................ 44
ГЛАВА И. СЖАТЫЙ КСЕНОН КАК РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ГАММА-ДЕТЕКТОРОВ.................................................... 45
2.1. Общая характеристика ксенона..................................... 45
2.2. Эффективность детекторов на основе сжатого ксенона............... 47
2.3. Скорость дрейфа электронов в плотном ксеноне и его смесях........ 49
2.4. Средняя энергия ионообразования.................................. 55
2.5. Рекомбинация на следе первичного электрона....................... 60
2.6. Энергетическое разрешение детекторов на сжатом ксеноне........... 67
2.7. Влияние температуры на спектрометрические характеристики
ксенона........................................................... 74
ВЫВОДЫ................................................................ 79
ГЛАВА III. ПОДГОТОВКА ГАЗА ДЛЯ КСЕИОНОВЫХ ГАММА-
ДЕТЕКТОРОВ............................................................ 81
3.1 .Экспериментальная установка но подготовке и наполнению детекторов 83
3.1.1. Система вакуумной подготовки................................. 83
3
3.1.2. Система очистки промышленного ксенона и приготовления
смеси ксенон-водород........................................... 84
3.1.3. Система напуска............................................. 88
3.2. Измерение чистоты газа.......................................... 91
ВЫВОДЫ............................................................... 93
ГЛАВА IV. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИОНИЗАЦИОННЫХ КАМЕР, РАБОТАЮЩИХ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ 94
4.1. Устройство ионизационной камеры и принцип ее работы............. 94
4.1.1. Плоскопараллсльная ионизационная камера..................... 96
4.1.2. Цилиндрическая ионизационная камера ....................... 99
4.2. Методика расчета основных физико-технических характеристик кссноповых гамма-спекгромсгров на основе ионизационных камер.... 103
ВЫВОДЫ.............................................................. 110
ГЛАВА V. ГАММ-ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ СЖАТОГО КСЕНОНА РАЗРАБОТАННЫЕ В МИФИ, ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА............................................................ 111
5.1. Гамма-детекторы с плоскопараллельной ионизационной камерой 11 I
5.1.1. Конструкция гамма-спектрометра “Ксения”.................. 112
5.1.2. Основные физико-технические характеристики гамма-спектрометра’’Ксения”............................................. 114
5.1.3. Общие замечания о перспективах использования ксеноновых гамма-спектрометров на основе плоскопараллельной ионизационной камеры.............................................. 121
5.2. Гамма-детекторы с цилиндрической ионизационной камерой......... 125
4
5.2.1. Краткий исторический обзор.................................. 125
5.2.2. Конструкция гамма-детектора на основе цилиндрической ионизационной камеры с центральной нитью............................ 126
5.2.3. Исследование основных характеристик гамма- детектора на
основе цилиндрической ионизационной камеры.................... 130
5.3. Га мм а-детекторы на основе цилиндрической ионизационной камеры
с экранирующий сеткой............................................ 138
5.3.1. Конструкция ионизационной камеры с экранирующий сеткой 139
5.3.2. Исследование основных характеристик гамма-детектора на основе цилиндрической ионизационной камеры, с экранирующей сеткой.. 144
ВЫВОДЫ............................................................... 159
ГЛАВА VI. ПРИМЕНЕНИЕ ГАММА-ДЕТЕКТОРОВ НА СЖАТОМ КСЕНОНЕ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ........................................................ 161
6.1. Применение ксеноновых детекторов в геологии..................... 161
6.1.1. Исследование работоспособности ксенонового гамма- детектора в условиях повышенных гемперагур...................................... 166
6.1.2. Исследование работоспособности ксеноновых гамма-детекторов
при виброакустических воздействиях............................ 171
6.1.3. Измерения концентрации соли КС1 на горно-обогатительных предприятиях................................................. 177
6.2. Применение ксеноновых детекторов для проведения космофизических исследований..................................... 184
6.2.1. Исследование влияния потоков нейтронов, протонов и электронов
на спектрометрические характеристики ксеноновых гамма-детекторов 187
5
6.2.2. Подготовка эксперимента “Ксенон” на борту орбитальной
станции “Альфа”............................................. 199
6.3. Применение ксеноновых детекторов для решения задач контроля и нераспространения делящихся материалов......................... 203
6.3.1. Гамма-нейтронный контрольно-измерительный комплекс 207
6.3.2. Основные характеристики гамма-спектрометров, включенных в гамма- нейтронный конгрольно-измерительный комплекс.............. 210
6.4. Международное сотрудничество в области создания и применения гамма-спектрометров на основе сжатого ксенона.................. 224
ВЫВОДЫ............................................................. 228
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................... 230
ЛИТЕРАТУРА......................................................... 234
6
ВВЕДЕНИЕ
Современная гамма-спектрометрия предоставляет уникальные возможности для проведения различных исследований во многих областях знаний: ядерной физике, астрофизике, геофизике, экологии, медицине, и т.д. Энергетический диапазон гамма-квантов от десятков до нескольких тысяч кэВ является наиболее информативным, так как ему соответствует гамма-излучение большинства естественных и искусственных радионуклидов. Основная задача спектрометрических измерений заключается в определении энергии, интенсивности дискретных гамма-линий от различных гамма-источников, их идентификации и локализации. Однако наличие естественного и искусственного фонов, процессы рассеяния и поглощения гамма-излучения в среде, несовершенство детектирующей аппаратуры существенно осложняют решение этой задачи. Первостепенное значение для надежного выявления гамма-линий от различных гамма-источников имеет энергетическое разрешение, эффективность и пространственное разрешение применяемых гамма-детекторов.
В настоящее время в гамма-спеюрометрии используется целый "арсенал" гамма-детекторов: полупроводниковые, сцинтилляционные,
пластиковые, жидкостные, газовые и т.д. Они существенно отличаются как но своим спектрометрическим свойствам, так и по эксплуатационным характеристикам, а также по технологии и стоимости изготовления.
Среди гамма-детекторов с точки зрения энергетического разрешения лидирующее положение занимают полупроводниковые - их энергетическое разрешение на гамма-линии 662 кэВ (' ' Сб) составляет 1,5-2 кэВ. Однако
7
эти детекторы могут работать лишь при криогенных температурах, что существенно ограничивает область их применения.
Большинство же гамма-детекторов обеспечивают энергетическое разрешение почти на два порядка хуже: 80 - 100 кэВ. Тем не менее, например, сцинтилляционные гамма-детекторы благодаря своей высокой чувствительности и достаточно хорошим эксплутационным свойствам широко применяются в гамма-спектроскопии.
Несмотря на существование большого разнообразия гамма-дегекторов, проблема создания более совершенного, возможно, даже универсального гамма-детектора остается все еще не решенной. До сих пор не созданы такие гамма-детекторы, которые могли бы при обычных температурах обеспечивать энергетическое разрешение, близкое к полупроводниковым детекторам. Помимо этого, универсальный гамма-детектор должен иметь высокую чувствительность, хорошие эксплуатационные свойства и, конечно, низкую себестоимость.
Над решением этой проблемы работают многие лаборатории во всем мире. Работы ведутся как над усовершенствованием ранее созданных гамма-детекторов, так и над созданием принципиально новых.
В последнее время наблюдается огромный интерес к созданию газовых детекгоров на основе сжатого ксенона, так как их развитие представляется достаточно перспективным, а область применения весьма широкой. Основной вклад в развитие этого направления сделан МИФИ, где более двадцати лет ведутся непрерывные работы над созданием и совершенствованием гамма-спектрометров на основе ионизационных камер, наполненных сжатым ксеноном.
8
Исследования в этой области, разработка и создания ксеноновых гамма-спектрометров постоянно расширяются, а техника их изготовления совершенствуется. При этом появляются новые возможности применения этих гамма-детекторов и в областях, далеких от экспериментальной ядерной физики.
Одним из направлений, где могут успешно использоваться ксеноновые гамма-спектрометры, является гамма-каротажные исследования глубоких газонефтяных скважин. Основное преимущество этих спектрометров заключается в том, что они надежно функционируют при высоких температурах, сохраняя при этом хорошее энергетическое разрешение.
Следующее направление - экологический гамма-мониторинг различных объектов. Эта задача может быть успешно решена путем создания на основе ксеноновых детекторов гамма-спектрометров большой светосилы, что позволяет регистрировать незначительное превышение гамма-излучения над естественным фоном.
Ксеноновые гамма-спектрометры, обладая хорошей устойчивостью к воздействию виброакустических нагрузок (например, вибрации на борту вертолета или в салоне автомобиля) и большой светосилой, позволяют широко использовать их в аэро-гамма-методах для картирования и поиска полезных ископаемых, в частности, урана, золота, алмазов, редкоземельных элементов и т.д.
Начиная с 1990 года и до настоящего времени проводятся измерения космического гамма-излучения на борту орбитальной станции “МИР” с помощью ксеноиового гамма-спектрометра “Ксения”. Этот эксперимент демонстрирует возможность использования ксеноновых гамма-детекторов
9
для проведения длительных измерений как вспышечного, так и фонового гамма-излучения в условиях космического пространства. За время проведения эксперимента, длящегося уже более девяти лет, было установлено, что основные спектрометрические характеристики этой аппаратуры практически не изменились. Это обстоятельство позволяет планировать в недалеком будущем дальнейшие космофизические эксперименты с помощью более современных (с более хорошим энергетическим разрешением и большой светосилой) ксеноновых гамма-спектрометров. В частности, представляется весьма перспективным создание гамма-спектрометра для регистрации космических гамма-
«А 7 о
вспышек с чувствительностью 10' -10' квант/см с.
В последнее время уделяется большое внимание вопросам таможенного контроля при перемещении ядерных и радиоактивных материалов через границу различных государств, а также совершенствования контроля, связанного с несанкционированным выносом этих материалов с контролируемых территорий. Применение для этих целей гамма-спектрометров на основе сжатого ксенона представляется также перспективным, так как эти спектрометры можно сделать весьма чувствительными к малым количествам таких материалов за счет возможности увеличения общей светосилы этой аппаратуры.
Одной из актуальных задач современности является контроль, инспекция и идентификация различных систем ядерного оружия. Решение этих задач целесообразно осуществлять комплексными методами с использованием как гамма-спектрометрической, так и нейтронной аппаратуры. Одновременная регистрация потоков гамма-квантов и нейтронов от делящихся материалов светосильными с высоким
10
энергетическим разрешением гамма-спектрометрами и чувствительными нейтронными детекторами значительно увеличивает достоверность обнаружения и идентификации ядерного оружия. Задача создания гамма-спектрометрической аппаратуры на основе сжатого ксенона, как составной части гамма-нейтронных измерительных комплексов, предназначенных для решения этой задачи, также является весьма перспективной.
Таким образом, далеко не полный перечень возможных областей применения гамма-спектрометров на сжатом ксеноне с высоким энергетическим разрешением при обычных температурах, показывает, что их разработка и создание позволит значительно расширить возможности использования гамма-спектрометрических методов для решении различных задач фундаментального и прикладного характера.
Нель диссертационной работы состояла в изучении и анализе спектромегрических свойств сжатого ксенона как рабочего вещества для гамма-детекторов с высоким энергетическим разрешением, в разработке методов построения многоцелевых высокочувствительных ксеноновых гамма-спектрометров с оптимальными характеристиками, в создании реальных гамма-спектрометров различных конфигураций и разработке методик изучения их физико-технических характеристик как расчетным, так и экспериментальным путем, разработке методов использования этих гамма-спектрометров в различных экспериментах, фундаментальных и прикладных исследованиях.
11
Основные результаты работы.
1. Результаты анализа экспериментально полученных зависимостей спектрометрических характеристик сжатого ксенона от различных параметров (энергии регистрируемых гамма-квантов, состава, плотности и температуры газа, напряженности электрического и магнитного полей), на основании чего были определены оптимальные параметры газа, как рабочего вещества гамма-детекторов: плотность - (0,5-0,6) г/см3,
концентрация водорода - (0,3-0,4)%, при этом напряженность
электрического поля должна быть не менее 2 кВ/см.
2. Методика расчета оптимальных параметров гамма-спектрометров на основе сжатого ксенона различных конфигураций, при которых достигаются наилучшие энергетическое разрешение и чувствительность, с учетом результатов исследования спектрометрических характеристик рабочего вещества и анализа особенностей формирования электрических сигналов, возникающих в детекторах при регистрации гамма-излучения.
3. Разработанные и созданные гамма-детекторы различных конфигураций с высоким энергетическим разрешением на основе ионизационных камер, наполненных сжатым ксеноном.
4. Результаты расчетов, калибровок и испытаний созданного на основе плоскопараллельной ионизационной камеры гамма-спектрометра “Ксения", предназначенного для регистрации гамма-квантов с энергией 0,1-8 МэВ в околоземном космическом пространстве.
5. Результаты лабораторных, полевых и летных испытаний (на борт>' вертолета) ксеноновых цилиндрических ионизационных камер с центральной нитью, которые обеспечивают энергетическое разрешение <
12
4%, могут работать в широком диапазоне температур (20-200°С) и при большом уровне вибро-акустических нагрузок (7 м/с2, 100 дБ).
6. Результаты расчетов, измерений основных характеристик, калибровок и испытаний ксеноновых гамма-спектрометров с различными чувствительными объемами на базе цилиндрической ионизационной камеры с экранирующей сеткой. Для последних модификаций этих гамма-спектрометров получено энергетическое разрешение ~2% (для энергии 662 кэВ).
7. Результаты измерения уровня активации гамма-спектрометров на основе сжатого ксенона под воздействием нейтронов с энергией 0.1-11 МэВ, в которых показано, что данная аппаратуры в десятки раз меньше активируется нейтронами, чем сцинтилляционные детекторы (Nal(Tl)) при идентичных условиях облучения. Результаты исследования длительного воздействия потоков протонов, электронов и нейтронов в околоземном космическом пространстве на спектрометрические характеристики гамма-спектрометра “Ксения”, в которых установлено, что в условиях орбитальной станции данная аппаратура может использоваться для космофизических экспериментов в непрерывном режиме работы без изменения своих спектрометрических характеристик в течение длительного времени (более десяти лет).
8. Методика создания спектрометрической аппаратура на базе ксеноновых гамма-спектрометров для определения концентрации соли К.С1 с точностью менее 1 % в горных породах и различных растворах, которые используются в производстве калийных удобрений. Результаты лабораторных и опытных испытаний созданной для этой цели гамма-
13
спектрометрической аппаратуры на горно-обогатительном предприятии “Сильвинит” (г. Соликамск, Пермская область).
9. Результаты исследования возможностей использования созданной на основе ксеноновых детекторов гамма-спектрометрической аппаратуры, входящей в состав гамма-нейтронного измерительного комплекса, для контроля за перемещением делящихся материалов. В частности, показано, что с помощью созданной аппаратуры можно обнаружить и идентифицировать один грамм плутония (2*9Ри) на расстоянии одного метра с уровнем достоверности 95% за время экспозиции 1-2 сек.
Научная новизна работы.
Впервые разработана методика расчета оптимальных параметров гамма-детекторов различной конфигурации, в которой учтены результаты исследований спектрометрических характеристик сжатого ксенона.
Впервые созданы гамма-спектрометры цилиндрической конфигурации, которые сохраняют свои спектрометрические характеристики в условиях повышенных температур, акустических шумов и вибрационных нагрузок.
Впервые достигнуто энергетическое разрешение гамма-детекторов на сжатом ксеноне с большим чувствительным объемом, близкое к теоретически предсказанному.
Впервые экспериментально подтверждена возможность проведения длительных космофизических исследований на борту орбитальных станций с помощью гамма-спектрометров на основе сжатого ксенона.
14
Впервые исследовано влияние потоков протонов, электронов и нейтронов околоземного космического пространства на спектрометрические характеристики детекторов на сжатом ксеноне.
Впервые создана спектрометрическая аппаратура на базе ксенонових гамма-дстекторов для определения концентрации соли КС1 в горных породах и различных растворах при производстве калийных удобрений.
Впервые создана спектрометрическая аппаратура на базе ксенонових гамма-детекторов для гамма-нейтронного регистрирующего комплекса, предназначенного для контроля за перемещением делящихся материалов.
Научная и практическая ценность работы:
- на основании анализа экспериментально полученных спектрометрических характеристик сжатого ксенона определены оптимальные значения его параметров, при которых обеспечиваются наилучшие свойства создаваемых на его основе гамма-спектрометров;
- разработана методика создания гамма-спектрометров с высоким энергетическим разрешением на основе сжатого ксенона и алгоритм расчета их оптимальных характеристик для регистрации линейчатого гамма-излучения в диапазоне энергий 0,05 - 10 МэВ;
- разработаны и созданы на основе сжатого ксенона гамма-спектрометры различных конфигураций, обладающие высоким энергетическим разрешением и способные работать в условиях высоких температур (до 200°С) и при наличии значительных уровнях виброакустических нагрузок, что позволяет широко их использовать в различных областях науки и техники;
15
- в состав комплекса научной аппаратуры орбитальной станции “Мир'’ включен гамма-спектрометр на основе сжатого ксенона, многолетняя работа которого в условиях космического полета продемонстрировала принципиальную возможность использования такого типа аппаратуры для проведения длительных прецизионных измерений космического гамма-излучения;
- разработана методика, создана аппаратура на основе ксеноновых гамма-детекторов для определения концентрации соли КС1 при производстве калийных удобрений и проведены опытно-производственные испытания данной аппаратуры;
- созданы гамма-спектрометры с большими чувствительными объемами, вошедшие в состав гамма-нейтронного комплекса, предназначенного для контроля и обнаружения делящихся материалов при их перемещении.
Таким образом, итогом данной работы являются результаты анализа спектрометрических свойств сжатого ксенона как рабочего вещества гамма-детекторов, создание на этой основе нового класса гамма-спектрометрической аппаратуры, обладающей высокими
эксплуатационными характеристиками, и результаты применения этих гамма-спектрометров в различных областях фундаментальных и прикладных исследований.
На защиту автор выносит следующие положения:
1. Результаты анализа экспериментальных зависимостей спектрометрических характеристик сжатого ксенона от различных параметров (состава, плотности и температуры газа, напряженности
16
электрического и магнитного полей, энергии регистрируемых гамма-квантов).
2. Методику расчета оптимальных параметров гамма-спектрометров на основе сжатого ксенона, основу которых составляют ионизационные камеры плоскопараллельной и цилиндрической конфигураций как с экранирующей сеткой, так и без нее.
3. Методику построения ксеноновых гамма-спектрометров с различными чувствительными объемами на базе плоскопараллельных и цилиндрических ионизационных камер.
4. Результаты лабораторных, нолевых и летных (на борту вертолета) испытаний созданных ксеноновых гамма-спектрометров.
5. Результаты исследования длительного воздействия космических протонов, электронов и альбедных нейтронов на спектрометрические характеристики гамма-спектрометра на сжатом ксеноне ‘‘Ксения”, с помощью которого на борту орбитальной станции “Мир” в течение десяти лет практически непрерывно осуществлялась регистрация космического гамма-излучния. Результаты измерения уровня активации гамма-спектрометров на основе сжатого ксенона под воздействием нейтронов с энергией 0.1-11 МэВ,
6. Результаты влияния температуры и акустических шумов на спектрометрические характеристики ксеноновых гамма-спектометров.
7. Результаты испытаний спектрометрической аппаратура на базе ксеноновых гамма-спектрометров, созданной для определения концентрации соли КС1 в горных породах и различных растворах, которые используются при производстве калийных удобрений.
17
8. Результаты испытаний созданной гамма-спектрометричесой аппаратуры на основе сжатого ксеноне для гамма-нейтронного измерительного комплекса, предназначенного для контроля за перемещением делящихся материалов.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на: научных семинарах МИФИ, СНИМИ, ФИАН им. П.П.Лебедева, НИИЯФ МГУ, ВИРГ-Рудгеофизика, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, LETI-DEIN-SPE CEA/SACLAY (Франция), Waseda University (Япония), Института трансурановых элементов (Германия), Columbia University (США), научных конференциях МИФИ (1998,1999 гг.) Всесоюзных конференциях по космическим лучам (Москва 1994, 1998 гг.);
Международных симпозиумах по космическим лучам (Ноттенгем 1990 г., Аделаида 1990 г., Калгари 1993 г.), по оптике, отображению и приборостроению (San-Diego, 1993, 1994), по оптической науке,
конструированию и приборостроению (Denver, Colorado, 1996, 1999, San-Diego, 1997, 1998 гг.), Международных конференциях по жидкостным гамма-детекторам (Токио, 1992, 1999 гг.), NSS 1ЕЕЕ (Анахейм 1996 г., Виржиния 1994г., по технологиям мониторинга (Philadelphia, US, 1996 г.), INMM 39 Annual Meeting (Naples, Florida, 1998).
Публикации.
Диссертация основана на работах, результаты которых опубликованы в период с 1979 по 1999 годы в советских, Российских и зарубежных журналах, материалах Международных и Всесоюзных конференций и
18
симпозиумов, в сборниках научных трудов и отчетах МИФИ, депонированных в ВНТИЦ. Количество работ, опубликованных за этот период и использованных в диссертации составляет 60, из них 44 основных приведены в автореферате. Полный список работ с участием автора содержит более 120 наименований.
Структура диссертации. Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения и списка литературы. Каждая из глав содержит краткое резюме ее содержания. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объем диссертации - 247 страниц, 67 рисунков, 21 таблиц, 150 наименований цитируемой литературы.
19
ГЛАВА I. ДЕТЕКТОРЫ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИЙ 0,1-5 МэВ.
1.1. Кристаллические сцинтилляционные детекторы.
В конце сороковых годов началось активное развитие сцинтилляционного метода регистрации элементарных частиц. Этому обстоятельству способствовало прежде всего открытие сцинтилляционных свойств монокристаллического Ыа1(Т1) [1] и создание примерно в это же время первых фотоэлектронных умножителей, которые обеспечили преобразование светового сигнала в электрический.
К настоящему времени разработано несколько десятков неорганических монокристаллических сцинтилляторов, среди которых Ыа1(Т1) и по сей день является наиболее широко применяемым из всех известных сцинтилляторов. Как правило сцинтилляторы изготавливаются на базе различных монокристаллов начиная от традиционных щелочногалоидных кристаллов до экзотических монокристаллических соединений Т1С1(Ве,1) или Са12(Ви).
Обладая высокой эффективностью и чувствительностью, хорошим быстродействием и в ряде случаев достаточным энергетическим разрешением сцинтилляционные детекторы нашли широкое применение для регистрации как заряженных, гак и нейтральных частиц.
Описанию физических и эксплуатационных характеристик сцинтилляторов, технологии их изготовления и методам использования посвящено много работ, книг и монографий [2-4]. В данном обзоре представляется целесообразным рассмотреть лишь свойства тех сцинтилляционных кристаллов, которые широко используются для
20
регистрации гамма-квантов, и провести в дальнейшем сравнительный анализ их физических и эксплуатационных характеристик с аналогичными характеристиками гамма-детекторов на сжатом ксеноне, которым посвящена данная работа.
В основе детектирования гамма-излучения сцинтилляционными детекторами лежат процессы передачи энергии фотона электрону и преобразованию этой энергии в энергию световых квантов, которые с помощью фотоумножителя создают электрический сигнал, пропорциональный энергии гамма-кванта. Эта схема измерения энергии гамма-квантов является классической и точность ее измерения определяется прежде всего свойствами самого сцинтилляционного кристалла.
Для детектирования гамма-излучения в первую очередь применяют сцинтилляционные детекторы, имеющие большую эффективность пика полного поглощения. Основой таких детекторов служат соединения с достаточно высоким Z - неорганические монокристаллические сцинтилляторы.
Большой световой выход (или сцинтилляционная эффективность) является также необходимым требованием, предъявляемым к сцинтилляционным материалам при использовании их для регистрации частиц. Известно [5], что максимальным световым выходом обладает монокристалл Са^Еи), который, однако, из за своей чрезвычайной гигроскопичности не применятся.
В таблице 1.1. перечислены основные щелочно-галоидные сцинтилляторы и приведены их характеристики. За основу этой таблицы были взяты данные, приведенные в работах [3,6].
21
Таблица 1.1. Основные характеристики щелочно-галоидных кристаллов.
СЦИНТИЛЛЯТОР N»1(71) СЛ(№) С»ЦТ1) С81 СбЦСОД ЫГ(\\) Ш(Еи)
Плотность (г/см ) 3,67 4,51 4,51 4,51 4,51 2.64 4,08
Эффективный атомный номер 50 54 54 54 54 8,2
Температура плавления (К) 924 894 894 894 894 1133 719
! Температурный 1 коэфф. Линейного расширения (К'1 *10’6) 47,4 49 54 49 49 37 40
Плоскость скола <100> нет нет нет нет <100> <100>
| Твердость по Моосу 2 2 2 2 2 3 2
Г игроскопичность да да слабая слаб ая да нет очень
Длина волны в максимуме спектра излучения Х,,их (им) 415 420 550 315 405 430 470
Коэффициент Преломления ДЛЯ Яшах 1,85 1,84 1,79 1,95 1,84 1,4 1,96
Относительный световой выход (% от Ка1(Т1) для у-лучей) 100 85 45 5-6 60 3,5 30-35
Время высвечивания сцинтилляции (мке) 0,23 0,63 1 0,01 2 40 1,4
Послесвечение (после 6 мс, %) 0,3-5 0,5-5 0,1 0,06
Длина волны для края поглощения материала (нм) 300 300 320 260 300 426
22
Значения величии, представленных в шести последних колонках данной таблицы, соответствуют комнатной температуре. Световой выход приведенных в таблице Таблица 1.1. сцинтилляционных кристаллов дан в процентах относительно светового выхода Ыа1(Т1).
Йодистый натрий, активированный таллием, №1(Т1) обладает совокупностью свойств (см. табл. 1.1.), которые делают его более предпочтительным по сравнению с другими для спектрометрии и регистрации гамма-излучения средних и низких энергий. Среди этих свойств следует отметить:
- наибольшую сцинтилляционную эффективность;
- сравнительно большие атомный номер и плотность, что обеспечивает высокую эффективность регистрации гамма- квантов;
-довольно короткое время высвечивания;
- высокую прозрачность к свету собственного излучения (к~5*10'3 см1), необходимую для хорошего светособирания в монокристаллах больших размеров;
- относительную простоту и дешевизну выращивания кристаллов.
Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов определяется статистикой образования фотонов. конверсионной эффекгивностью сцинтиллятора, геометрическим фактором, от которого зависит вероятность попадания фотона из сцинтиллятора на фотокатод ФЭУ, конверсионной эффективностью фотокатода, нестабильностью коэффициента усиления и шумами ФЭУ, а также температурой окружающей среды. В общем виде зависимость энергетического разрешения от энергии регистрируемого излучения, можно представить в виде суммы трех слагаемых:
- Київ+380960830922