Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц

 

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений с помощью сцинтилляционных кристаллов. Способ заключается в том, что в качестве сцинтилляционного материала используют прозрачный монолитный поликристаллический сульфид цинка, легированный теллуром, с максимумом излучения в области 410 нм. Техническим результатом является повышение эффективности регистрации заряженных частиц в широком диапазоне энергий и масс, а также обеспечение спектрометрии энергии частиц по времени пролета в условиях сопутствующего интенсивного фона γ-излучения. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений с помощью сцинтилляционных кристаллов, в частности для обнаружения и регистрации заряженных частиц.

Измерения осуществляются при воздействии на сцинтилляционный материал ионизирующего излучения, которое, преобразуясь в свет, детектируется фотоприемником.

Обнаружение и регистрация заряженных частиц осуществляется, в частности, путем: 1. процесса преобразования входящей в сцинтилляционный материал энергии заряженных частиц в электронно-дырочные пары; 2. процесса передачи энергии электронно-дырочных пар люминесцентному центру; 3. эмиссионного процесса, при котором центр люминесценции возвращается из возбужденного в исходное состояние, излучая при этом сцинтилляционный свет; 4. процесса детектирования сцинтилляционного света с помощью фотоприемника.

Известно использование сцинтилляционных кристаллических материалов в медицинской диагностике, в науке, в физике высоких энергий, в ядерной физике [1].

Известно применение неорганических сцинтилляторов на основе сульфида цинка, активированного серебром (ZnS-Ag), для обнаружения заряженных частиц (α-частиц) [2] . Этот материал среди сцинтилляторов имеет один из наиболее высоких световыходов среди сцинтилляционных материалов. ZnS-Ag отличается малой чувствительностью к γ- квантам. Однако, поскольку ZnS-Ag доступен в порошкообразном состоянии, он может применяться только для визуальной регистрации заряженных частиц. Кроме того, время затухания световой вспышки ZnS-Ag составляет от нескольких сотен наносекунд до 10 мкс, что значительно ограничивает максимальную частоту считывания импульсов (временное разделение соседних импульсов).

Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц с помощью сцинтилляционного детектора на основе Csl-T1 описан в [3]. Способ заключается в том, что при воздействии ионизирующих излучений на монокристаллический сцинтиллятор Csl-T1 возникает световая вспышка, которая регистрируется фотоприемником. Данный способ выбран за прототип, поскольку Csl-T1 (также как и ZnS-Ag) отличается наиболее высоким световыходом среди известных на настоящий момент сцинтилляционных материалов [1, 2]. Кроме того, Csl-T1 имеет и наиболее высокое энергетическое разрешение, что обеспечивает его широкое использование в ядерной физике для регистрации заряженных и незаряженных частиц в широком диапазоне энергий. Недостатками прототипа являются: высокая чувствительность Csl-T1 к γ- -квантам, что значительно усложняет регистрацию заряженных частиц в условиях интенсивного фона γ- излучения; относительно длительное время нарастания световой вспышки, составляющее не менее 20 нс; длительное время затухания Csl-TI, составляющее до 1000 нс; гигроскопичность Csl; невысокая механическая прочность; невысокая радиационная стойкость;
нелинейность световыхода в области высоких энергий.

Задача настоящего изобретения состоит в увеличении эффективности регистрации заряженных частиц в широком диапазоне энергий и масс, а также в обеспечении спектрометрии энергии частиц по времени пролета в условиях сопутствующего интенсивного фона γ-излучения за счет достижения улучшенных характеристик сцинтилляционного материала в части:
повышения световыхода в 1,6 раза по сравнению с прототипом;
повышения быстродействия: уменьшения времени нарастания световой вспышки до 3-4 нс для ZnS-Te по сравнению с 20 нс у Csl-T1 и времени затухания до 200-250 нс;
низкой чувствительности к γ-излучению;
высокой механической прочности и радиационной стойкости;
отсутствия гигроскопичности;
линейности световыхода в области высоких энергий.

Задача решается следующим образом.

Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, заключающийся в воздействии на сцинтилляционный материал ионизирующего излучения, преобразовании этого излучения в свет, регистрации световых импульсов с помощью фотоприемника, в котором, в отличие от прототипа, в качестве сцинтиллятора используют прозрачный монолитный поликристаллический сульфид цинка, легированный теллуром.

Указанный технический эффект достигается за счет того, что, во-первых, в качестве матричной решетки выбран материал ZnS, который отличается очень высокой способностью к эффективному преобразованию возбуждающего излучения в эмиссию [1], в частности, эффективность преобразования сцинтиллятора ZnS-Ag составляет 25-28% [3, 4]. Во-вторых, благодаря введению в ZnS изоэлектронной легирующей примеси - Те, обеспечивается не только высокая эффективность, но и быстродействие. В-третьих, вследствие относительно невысоких плотности ZnS и атомного номера составляющих его компонентов, чувствительность ZnS-Te сцинтиллятора к высокопроникающим γ- -квантам низка.

Кроме того, в отличие от прототипа, который относится к классу щелочно-галоидных соединений, нестабильных при климатических и радиационных воздействиях, заявляемый сцинтилляционный материал так же, как и другие соединения A₂B₆, обладает стойкостью к атмосферному, механическому, радиационному и термическому воздействию и повышенной прочностью [5].

До сих пор был известен монокристаллический ZnS-Te, который обладает катодолюминесцентными характеристиками. В предлагаемом поликристаллическом монолитном сцинтилляционном материале ZnS-Te выявлены свойства, необходимые для решения поставленной выше задачи.

На фигурах 1, 2, 3, 4 и 5 представлена иллюстрация сравнительных характеристик сцинтиллятора ZnS-Te, отражающая работу заявляемого способа.

На фиг. 1 изображены фрагмент спектра пропускания (кривая 1) и спектр эмиссии (кривая 2) при Т=300 К монолитного поликристаллического ZnS-Te, где τ- коэффициент пропускания, I - относительная интенсивность эмиссии, λ- длина волны. Возбуждение осуществлялось азотным лазером ЛГИ-21. Толщина образца 1,3 мм.

На фиг. 2, (а и б) представлены формы импульсов на выходе фотоумножителя (ФЭУ) (напряжение - U вых) при облучении α- частицами с энергией 5,3 МэВ сцинтилляторов на основе монолитного поликристаллического ZnS-Te (а) и монокристаллического Csl-T1 (б).

На фиг. 3 показаны различные формы импульсов (напряжение на выходе ФЭУ - Uвых) при облучении сцинтиллятора на основе ZnS-Te потоком фрагментов деления ²⁵²Cf (на воздухе).

На фиг. 4 приведены формы импульсов (напряжение на выходе ФЭУ - Uвых) при облучении сцинтиллятора Csl-T1 γ-квантами (а) и α-частицами (б).

На фиг. представлены зависимости амплитуды импульсов на выходе спектрометрического тракта (U мВ) для сцинтилляционных детекторов на основе Csl-T1 (а) и ZnS-Te (б) от энергии регистрируемых частиц (E МэВ), полученные при облучении детекторов потоком моноэнергетических заряженных частиц: C (углерод, E = 43 МэВ), Si (кремний, E = 108 МэВ), Fe (железо, E = 194 МэВ), Xe (ксенон, E = 475 МэВ).

Для реализации предложенного способа сцинтилляционный материал в виде пластины толщиной 4 мм устанавливается на выходном окне фотоумножителя на смазке, обеспечивающей оптический контакт, на расстоянии 1 см от источника α-частиц. Источник α-частиц представляет собой стандартную смесь изотопов ²³³U, ²³⁸Pu, ²³⁹Pu. Для наблюдения импульса на выходе ФЭУ используется широкополосный цифровой осциллоскоп типа Le Croy-9310, имеющий полосу частот 300 МГц.

Предложенный способ осуществляется следующим образом: поток α- частиц с энергией 5,3 МэВ воздействует на сцинтилляционный материал; сцинтиллятор преобразует это излучение в световой импульс, который регистрируется с помощью фотоприемника ФЭУ-30; в отличие от прототипа в качестве сцинтилляционного материала используют прозрачный (см. фиг. 1, кривая 1) монолитный поликристаллический сульфид цинка, легированный теллуром (спектр эмиссии на фиг. 1, кривая 2), что обеспечивает:
увеличение светового выхода в 1,6 раза (это обнаруживается при сравнении амплитуды импульсов ZnS-Te и Csl-T1, представленный на фиг. 2, а и б);
увеличение быстродействия в ≥6 раз, что также хорошо демонстрирует фиг. 2, а и б: длительность нарастания и спада выходного сигнала (импульса) для ZnS-Te составляет 3-10 нс и ≅250 нс соответственно, в то время как для Csl-T1 эти длительности соответствуют 20 нс и 600-1000 нс. Высокое быстродействие ZnS-Te обеспечивает высокую скорость счета частиц и открывает возможность применения этого сцинтилляционного материала для спектрометрии энергии частиц по времени пролета;
возможность идентификации частиц по заряду (Z- идентификация), что определяется малой длительностью спада световой вспышки ZnS-Te в отличие от прототипа. Это показано на фиг. 3, где импульсы, имеющие одинаковые амплитуды, имеют разное время спада. Эти данные получены при облучении ZnS-Te потоком фрагментов деления ²⁵²Cf;.

уменьшение чувствительности к фону гамма-излучения, что обнаруживается при облучении сцинтилляционных материалов гамма-квантами, испускаемыми источником ⁶⁰Со. В этом случае, когда облучается ZnS-Te, на выходе ФЭУ импульсов не наблюдается, а при облучении Csl-T1 амплитуда импульсов значительна и соизмерима с амплитудой импульса при облучении α- частицами (см. фиг. 4, а и б);
линейную зависимость энергии световой вспышки от энергии регистрируемых частиц в широком диапазоне их атомных масс, что упрощает процедуру энергетической калибровки сцинтилляционного детектора. Как видно из данных, представленных на фиг. 5(б), для сцинтиллятора Csl-T1 эта зависимость не линейна.

Кроме того, в отличие от прототипа Csl-T1, который гигроскопичен (его растворимость в H₂O при 14^oC - 66 г/100 г H₂O [5]) и требует защиты от окружающей атмосферы, имеет невысокие механические характеристики (твердость по Моосу - 1-2; модуль Юнга E_ю=5,5х10⁹ н/м² [5] и радиационную стойкость (радиационные повреждения наблюдаются при дозе 10³ рад [2]), прозрачный монолитный сцинтилляционный материал ZnS-Te не гигроскопичен (не растворим в H₂O, имеет более высокие механические свойства (твердость по Моосу - 3,4-4, модуль Юнга E_ю=8х10¹⁰ н/м²) и радиационную стойкость (при облучении изотопом ⁶⁰Со дозой 28,35 Мрад коэффициент отражения ZnS-Te в видимой области спектра уменьшается на 4-7%).

В таблице отражены основные свойства сцинтиллятора на основе ZnS-Te в сравнении с аналогичными характеристиками известных сцинтилляторов, в том числе прототипа Csl-T1.

Из таблицы видно, что сцинтиллятор ZnS-Te имеет те или иные преимущества практически перед всеми представленными материалами. Так, по сравнению с цинксульфидным аналогом (ZnS-Ag), ZnS-Te имеет высокий коэффициент пропускания в области собственной эмиссии (см. фиг. 1, кривая 1), который сопоставим с таковым для монокристаллического ZnS (т. е. приближается к теоретически возможному), и замечательными временными параметрами. По величине быстродействия и световыходу ZnS-Te превосходит также не только Csl-TI, но и CaF-Eu.

По сравнению с Nal-T1 ZnS-Te имеет более высокие эксплуатационные характеристики (прочность, отсутствие гигроскопичности и т.п.), хотя несколько уступает по величине световыхода.

Таким образом, по совокупности полученных свойств прозрачный монолитный поликристаллический ZnS-Te представляется весьма перспективным материалом для использования в сцинтилляционных детекторах для обнаружения и регистрации заряженных частиц в широком диапазоне энергий, в том числе высокоэнергетичных заряженных частиц космического происхождения.

Изложенные сведения подтверждают новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость заявленного способа.

Список литературы
1. Blasse. Scintillator Materials. American Chemical Society, 1994, vol. 6, No 9, pp. 1465-1475.

2. HARSHAW/QS Scintillation Detector Catalog. Saint-Gobain, Ceramiques Industrielles, 1992, p. 111.

3. M. H. Медведев. Сцинтилляционные детекторы. М., Атомиздат, 1977, с. 94-105.

4. О. H. Казанкин, Л.Я. Марковский, И.А. Миронов и др. Неорганические люминофоры. Л., "Химия", 1975, с. 192.

5. А. Блистанов и др. Акустические кристаллы. Справочник. М.: Наука, 1982, с. 430.

Формула изобретения

Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц, основанный на воздействии на сцинтилляционный материал ионизирующего излучения, преобразовании его в свет, регистрации световых импульсов с помощью фотоприемника, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллятора используют прозрачный монолитный поликристаллический сульфид цинка, легированный теллуром, с максимумом излучения в области 410 нм и высоким быстродействием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6