РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА СЦИНТИЛЯЦІЙНОГО МЕТОДУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕНЬ 2b–РОЗПАДУ
Фактори, що визначають чутливість експерименту по пошуку 2b–розпаду
Чутливість експерименту до реєстрації 0n2в–розпаду може бути оцінена за
формулою 1.32. Концентрація ядер досліджуваного ізотопу, ефективність
реєстрації подій 0n2в–розпаду, рівень фону та енергетична роздільна здатність –
це ті параметри, значення яких можуть бути поліпшені шляхом вибору і
вдосконалення детектора, конструкції установки, застосуванням методів відбору
фонових подій в ході аналізу даних вимірювань. Час вимірювань залежить від
надійності і стабільності роботи установки. Практично важливою є і дешевизна
детектора, установки, електроніки.
Перевагами сцинтиляційних детекторів, які містять в своєму складі досліджувані
2в–активні ізотопи, є, в першу чергу, висока ефективність реєстрації, простота
і надійність, що дозволяє проводити експеримент протягом років і навіть
десятків років, здатність до дискримінації частинок за формою сцинтиляційних
сигналів, притаманна більшості сцинтиляторів, швидкий відгук. Сцинтиляційні
детектори здатні забезпечити енергетичну роздільну здатність на рівні кількох
відсотків, що достатньо для планування експериментів на рівні чутливості
T1/20n~ 1026 – 1027 років. Енергетична роздільна здатність і, особливо, рівень
фону сцинтиляційних детекторів, залежить від багатьох факторів. Як показує
досвід кількох десятиріч історії пошуків і вимірювань 2в–розпаду, фон
сцинтиляційного детектора може бути зменшений до дуже низького рівня.
Оптимізація конструкції детектора дозволяє отримати високу роздільну здатність
навіть в умовах вимог, які протирічать одна одній: з одного боку до
максимального збору світла, а з іншого – необхідності екранувати сцинтилятор
від випромінювання з ФЕП, порівняно сильно забрудненого радіонуклідами
природного походження. Розглянемо загальні властивості сцинтиляційних
детекторів, які визначають їх енергетичну роздільну здатність та рівень фону.
Енергетична роздільна здатність сцинтиляційних детекторів.
Основними факторами, що визначають енергетичну роздільну здатність
сцинтиляційних детекторів є світловихід, відповідність спектрів емісії
сцинтилятора спектральній чутливості фотоелектронних помножувачів, коефіцієнт
світлозбору, однорідність світлозбору, нелінійна залежність світловиходу від
енергії. В конструкції сцинтиляційного низькофонового детектора обов’язково
треба передбачувати світловоди, оскільки ФЕП містять багато радіоактивних
домішок (уран, торій, калій).
З деяким наближенням можна вважати, що флуктуації величин, які визначають
роздільну здатність сцинтиляційного детектора (R), складаються як вектори:
R2 = Ri2 + Rp2 + RPMT2 (2.1)
Тут Ri – внутрішня роздільна здатність сцинтилятору; Rp та RPMT – роздільні
здатності, пов’язані з розповсюдженням світла та з процесами в ФЕП відповідно
[[ccxxiv],[ccxxv],[ccxxvi]].
Внутрішня роздільна здатність кристала Ri пов’язана з багатьма ефектами, але
найголовнішими є два фактори. Суттєво впливає на внутрішню роздільну здатність
непропорційний відгук сцинтилятора в залежності від енергії g–квантів. Як
правило, для енергій менших ~ 0.1 МеВ, світловихід нелінійно зменшується із
зменшенням енергії. Як результат, сумарна кількість сцинтиляційних фотонів
залежить від флуктуацій розподілу енергії вторинних, так званих d–електронів,
що утворюються в результаті взаємодії первинних електронів, які виникають в
результаті передачі енергії g–кванту через фотоефект, комптонівське розсіяння і
народження пар. Цей ефект дає основний внесок у внутрішню роздільну здатність
при енергіях Ј 1 МеВ. Другий внесок пов’язаний з неоднорідністю світловиходу в
різних точках сцинтилятора. В детекторах з активаторами, як наприклад NaI(Tl),
CsI(Tl), GSO(Ce) (Gd2SiO5:Ce), неоднорідність світловиходу пов’язана з
градієнтами концентрації центрів люмінесценції в сцинтиляційному кристалі. При
цьому, кількість фотонів залежить від точки в кристалі, де відбувається
сцинтиляційний спалах.
Величина компоненти Rp залежить від оптичних властивостей сцинтилятора, його
геометричної форми та розмірів, якості оптичного контакту між кристалом і ФЕП,
наявності світловодів, неоднорідності квантової ефективності фотокатоду і її
залежності від довжини хвилі фотона, кута падіння фотона на фотокатод.
Наприклад, в сцинтиляторах вольфрамату кадмію (CdWO4) ця компонента може бути
досить суттєвою, оскільки вольфрамат кадмію має високий коефіцієнт заломлення
(2.2 – 2.3), невисоку прозорість (10–30 см–1), значну анізотропію, помітну
кількість макро– і мікро–неоднорідностей.
Величина RPMT характеризує статистичні флуктуації сигналу на виході ФЕП, а отже
залежить від ефективності збору електронів на першому диноді, флуктуацій
підсилення електронів в системі динодів, рівня шуму та стабільності апаратури.
Для „ідеального” сцинтиляційного детектора, в якому роздільна здатність
визначається лише флуктуаціями кількості фотоелектронів, роздільну здатність
можна вважати залежною лише від кількості фотоелектронів, що потрапляють на
перший динод „ідеального” фотопомножувача:
R = 2.35 / Nphe1/2 (2.2)
де Nphe – середня кількість фотоелектронів, що збираються на першому диноді.
Формула 2.2 дає оцінку нижньої межі роздільної здатності сцинтиляційного
детектора. Оцінки зроблені по формулі 2.2 тим точніші, чим більшою є енергія
g–квантів (електронів), яка поглинається в сцинтиляторі (в цьому випадку
внесок, пов’язаний з ФЕП стає несуттєвим), а також у випадку, коли забезпечена
висока однорідність збору світла на фотокатод ФЕП.
2.1.2. Джерела фону детекторів по пошуку 2b–розпаду.
Пошуки і досл
- Київ+380960830922