Как оценить количество светосбора сцинтиллятора

Конференция «Исследуем и проектируем» Исследование светосбора в нейтронном сцинтилляционном детекторе

Конференция «Исследуем и проектируем»

Исследование светосбора в нейтронном сцинтилляционном детекторе

1 Введение

2 Взаимодействие нейтронов с веществом

3 Нейтронный сцинтилляционный детектор

4 Моделирование численными методами эффективности детектора и алгоритм программы

5 Результаты моделирования

5.1 Средняя эффективность

5.2 Расчет количества фотонов, собираемых фотоприёмником

5.3 Моделирование с использованием Geant4

6 Вывод

7 Список литературы

В данной работе исследуется светосбор в детекторе нейтронного излучения, изготовленного на основе органического сцинтиллятора. Главной целью являлось получение оценки эффективности светосбора с помощью моделирования численными методами (на основе принципа Монте-Карло) и с использованием инструментария Geant4.

Данная работа необходима на начальном этапе создания и подготовки детектора для подбора оптимальных параметров устройства. Впоследствии моделируемый детектор будет использован для исследования нейтронных импульсных генераторов или других источников нейтронного излучения, применяемых в научных и медицинских сферах. Знание параметров нейтронного источника в позволяет рассчитать необходимую дозу облучения опухоли для лечения онкологических заболеваний с помощью нейтронно-захватной терапии.

Нейтронозахватная терапия более безопасна, чем стандартная рентгенотерапия. Однако этот вид лечения находится в фазе развития и имеет свои ограничения.

2. Взаимодействие нейтронов с веществом

Кинетическая энергия нейтронов, которые возникают от естественных источников нейтронного излучения или созданных человеком нейтронных генераторов, как правило, не превышает 100 МэВ. Для нейтронов таких энергий характерны следующие реакции:

• Упругое рассеяние (ядра отдачи)

При столкновении нейтронов с ядрами вещества, образуются быстро летящие ядра, которые называются ядрами отдачи. Эти заряженные частицы расходуют свою энергию на ионизацию (электрон покидает атом) и на возбуждение атомов вещества (переход электрона на уровень с большей энергией). Поэтому в исследовании использовался детектор, изготовленный из сцинтиллятора, вещества, обладающего способностью излучать свет при прохождении через него ионизирующего излучения (в исследовании использовался полистирол).

3. Нейтронный сцинтилляционный детектор

Детектор нейтронов представляет собой прибор, который состоит из вещества, интенсивно взаимодействующее с нейтронами.

Регистрация нейтронов в веществе осуществляется с помощью реакции упругого рассеяния, то есть по ядрам отдачи

Параметры детектора использованного в работе:

• Коэффициент затухания света(l=1000 mm)

• Коэффициент отражения алюминиевой фольги(A=90%),

• Коэффициент преломления сцинтиллятора(N=1.5)

4. Моделирование численными методами эффективности детектора.
Алгоритм программы

Распространение света, возникающего в сцинтилляционном детекторе в результате пролёта нейтронов, имеет сложную и случайную зависимость. Поэтому вывести общее уравнение траектории движения для каждого фотона представляется затруднительным. Для этого можно использовать численные методы, т. е. находить траекторию шаг за шагом. Алгоритм соответствующей программы описан ниже:

• Задается отрезок, на котором происходит сцинтилляция

• Задается направление движение фотона (изотропное распределение). Направляющие углы φ и θ генерируются с равномерным распределением на отрезках [0,2π] и [0,π], соответственно.

• Программа рассчитывает направляющие вектора движения фотона:

• Пошагово находит траекторию движения фотона в соответствии с формулами:

• Через каждые Δ=0,01 мм программа проверяет состояние фотона: поглощение в объёме сцинтиллятора, отражение на границе детектора, попадание в фотоприёмник

• При попадании на границу разыгрывается вероятность отразиться или поглотиться. Вероятность отразиться составляет 90%.

• Отражение фотона происходит по закону зеркального отражение.

В ходе работы был построен график, показывающий как меняется эффективность светосбора от отклонения от центральной оси. Это нужно затем, чтобы найти общие закономерности и среднюю эффективность светобора.

При отдалении от центральной оси эффективность светосбора, то есть определение количества света, собираемого фотоприёмником в органическом сцинтилляционном детекторе, уменьшается.

График 2- График зависимости эффективности светосбора E, % от расстояния пролета нейтрона до фотоприёмника H, mm

При отдалении от фотоприемника эффективность светосбора также уменьшается.

5.1 Средняя эффективность светосбора

Рис. 2 – Вид сбоку траектории движения одного фотона в сцинтилляторе, смоделированный программой использующей, численные методы и принцип Монте-Карло

5.2 Расчет количества фотонов, собираемых фотоприёмником

• Энергия нейтрона 10 МэВ

• В среднем на ионизацию тратиться 5 МэВ

• Конверсионная эффективность сцинтиллятора 2%( доля энергии от ионизационных потерь, которая идёт на сцинтилляцию), следовательно количество фотонов Nф≈33000 шт. ( Nф=(5 МэВ ∙ 2 % )/ 3 эВ, где 3 эВ – энергия одного фотона)

• Количество фотонов, регистрируемых фотоприёмником Nрег=NФ∙Еc∙E0=181 шт.

5.3 Моделирование с использованием Geant4

· Среднее количество фотонов, возникающих в сцинтилляторе при пролёте нейтрона с энергией 10 МэВ

· Среднее количество зарегистрированным фотоприёмником фотонов

Рис. 5 – Вид сверху траектории движения одного фотона в сцинтилляторе, смоделированный в Geant4

Рис. 6 – Вид сбоку траектории движения одного фотона в сцинтилляторе, смоделированный в Geant4

1. «Фотонные методы регистрации излучений», Дубна, 2006, стр. 84-87

2. Официальный сайт инструментария Geant4 для моделирования экспериментальной ядерной физики www. geant4.cern. ch

Источник

Радиация: детекторы. Как подружить сцинтиллятор и SiPM

Выбор материала

Вспомнив опыт со своим сцинтилляционным радиометром, я сразу сказал: BGO здесь едва ли будет работать. Детектор от Atom Fast 8850 начинает надежно «видеть» гамма-кванты от 30 кэВ, а BGO имеет сцинтилляционную эффективность раз в десять хуже. Добавим сюда упавшую в разы эффективность светосбора из-за больших поперечных размеров шайбы по отношению к детектору, огромный показатель преломления BGO и конструкцию детектора, сделанную на тяп-ляп, вот и получаем порог в районе 0,5-0,6 МэВ. Его можно снизить до 150-200 кэВ при должном старании, но не более. Ищи, говорю, цезий-йод. Тем временем разобрал конструкцию, оттер SiPM от вазелинового масла, припаял поаккуратнее проводочки из МГТФа к его контактным площадкам и убрал его в надежное место.

И подходящий кристалл CsI(Tl) нашелся, причем очень удачной для SiPM геометрии. «Палочка» диаметром 20 мм и длиной 80 мм во вполне стандартном алюминиевом корпусе с окном. Тип СДН.25.20.80, «Для регистрации». Правда, нашелся он на «Авито», у широко известного в узких кругах украинского продавца. И вот прошло десять дней и сцинтиллятор уже лежал на моем столе. Кристалл, надо сказать, большого доверия не внушал: внутри имелась прослойка включений в виде нескольких черных точек и легкой вуали, окно немного отстало от кристалла по краям. Но по крайней мере, целый, не мутный, не желтый, да и другого все равно нет. Будем работать с ним.

Первая проба

Ну что ж, для начала попробуем сделать, как положено. Заодно оценим, насколько нужны те или иные ухищрения.

Соединяем Si-ФЭУ и сцинтиллятор грамотно

Как мы можем оптимизировать светосбор в нашем случае? Если не распаковывать кристалл, у нас возможностей немного. И мы ими воспользуемся.

Какие это возможности? Во-первых, мы должны устранить воздушную прослойку между кристаллом и ФЭУ. Как вы думаете, сколько излучения теряется при ее наличии? Казалось бы, немного. Коэффициент отражения на границе стекло-воздух равно

4%, и можно ожидать, что потеряем мы лишь 8% света. Но это было бы верно, если бы все излучение падало бы на фотокатод перпендикулярно. Но это не так: из сцинтиллятора свет выходит под всеми углами. И при наличии прослойки часть света просто не покидает кристалл из-за полного внутреннего отражения, а излучение внутри «конуса выхода» тоже частично отражается внутрь кристалла, и чем больше угол, тем сильнее.

Кто сказал «фокон»?

Дело в том, что чем больше отношение входной площади фокона к выходной, тем уже конус, из которого фокон собирает свет. Свет, падающий под углом больше критического, отражается обратно. А сцинтиллятор светит во все стороны, и ограничивая угол сбора света, мы теряем его часть, так что обмануть природу не получится. В статье [2] показано, что фоконное сопряжение не дает ничего ни для эффективности светосбора, ни для спектрального разрешения при аналогичном нашему соотношении размеров кристалла и сборки из SiPM (кристалл диаметром 2″ и сборка 2х2 из MicroFC 60035).

Сборка детектора

Поскольку наш кристалл находится в стандартном контейнере с кварцевым окном в торце, нам не нужно заботиться о светоотражающем покрытии всего кристалла. Им нужно закрыть его торец, оставив в покрытии квадратное окошко по размерам SiPM, то есть 7х7 мм. Всю остальную площадь окна нужно закрыть полосками ФУМ-ленты в 5-6 слоев. Затем из алюминиевого скотча вырезать круг диаметром около 50 мм, в его центре прорезать макетным ножом такое же квадратное отверстие и наклеить его поверх ФУМ-ленты, чтобы отверстия совпали. Теперь аккуратно заворачиваем его края на цилиндрическую поверхность корпуса, максимально тщательно разглаживая и разравнивая складки, через которые может проникать свет.

В свободный от ФУМ-ленты и фольги квадратик вклеиваем SiPM с помощью квадратика, вырезанного под его размер из OCA-пленки. Сверху на него наклеиваем кусочек каптоновой пленки, чтобы не замкнуть выводы кремниевого ФЭУ фольгой, а затем заклеиваем сверху кружком из алюминиевого скотча для защиты попадания света, пропустив провода от SiPM вдоль цилиндрической поверхности кристалла и оборачиваем боковую поверхность полосой алюминиевого скотча, спрятав под ней некрасивые и могущие пропустить свет складки. Правда, первое включение показало, что этого недостаточно и детектор нормально работает только если прикрыть его от света. Поэтому я закрыл конструкцию еще одним слоем самоклеящейся фольги и пропустил провода под ним в виде петли. В окончательном варианте детектор выглядит вот так.

Результат не заставил себя ждать: амплитуда сигнала от америция возросла более чем вдвое, достигая 20 мВ, что позволяет его уверенно выделять на фоне темнового шума. Вот сколько можно потерять света только из-за того, что пара квадратных сантиметров вокруг сиФЭУ закрыта неидеальным отражателем, и из-за зазора между ним и сцинтиллятором, заполненного воздухом.

Импульсы от америция с детектора, сделанного абы как (слева) и после доработки (справа)

Показательным является то, что уровень сигнала не меняется заметно при перемещении америциевого источника вдоль кристалла. Это говорит о том, что даже при столь субоптимальном сопряжении кристалла и фэу светосбор остается относительно равномерным.

Источник

ВНИМАНИЕ!

1. Изучение аппаратурной формы линии сцинтилляционных детекторов……………………………. 19

2. Проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора при регистрации гамма-излучения……………. 20

3. Исследование влияния удельных потерь энергии частиц на конверсионную эффективность сцинтиллятора…………21

Обработка результатов ……………………………………. 23

Контрольные вопросы и задания……..………………………25

Цель работы: исследование характеристик сцинтилляционного детектора (конверсионная эффективность сцинтиллятора, эффективность регистрации ионизирующего излучения, разрешение по энергии), проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора, изучение влияния удельных потерь энергии ионизирующего излучения на значение конверсионной эффективности сцинтилляторов.

Сцинтилляционный метод основан на регистрации коротких вспышек света – сцинтилляций, возникающих в некоторых веществах в результате прохождения через них заряженных частиц. Каждая такая вспышка вызвана отдельной заряженной частицей и состоит из большого количества (10 3 – 10 6 ) фотонов с энергией в несколько электронвольт. Сцинтилляции отличаются от других видов свечения, образующегося при взаимодействии частиц с веществом (например, свечения Вавилова–Черенкова) тем, что они возникают вследствие электронных переходов внутри центров свечения. Центром свечения может быть атом, молекула, ион или более сложное образование.

Сцинтилляционный процесс можно разбить на три этапа: 1 – возбуждение заряженными частицами основного вещества, находящегося в твердой, жидкой или газообразной фазе (генерационный этап); 2 – перенос энергии, потерянной заряженной частицей в веществе к центрам свечения (миграционный этап); 3 – возбуждение и высвечивание центров свечения (внутрицентровой этап).

Для регистрации возникающих под действием отдельных ионизирующих частиц сцинтилляций обычно используются фотоэлектронные умножители – ФЭУ, рис.1. Фотоны сцинтилляционной вспышки попадают на фотокатод ФЭУ, образуя в результате фотоэффекта фотоэлектроны. Фотоэлектроны движутся под действием электрического поля и попадают на диноды ФЭУ.

Сцинтиллятор

Фотокатод

Диноды

Выход ФЭУ

Рис.1. Принцип действия и схема включения сцинтилляционного детектора

В динодах в результате вторичной электронной эмиссии число электронов увеличивается в 10 6 – 10 9 раз. Электроны собираются на аноде ФЭУ, в результате чего возникает электрический импульс, который регистрируется электронными схемами.

Основные характеристики некоторых сцинтилляторов

Эффективный атомный номер

Пластмас­совые (тер­финил в по­листироле)

Физической конверсионной эффективностью сцинтиллятора (или энергетическим выходом) называется отношение энергии световой вспышки E _св к поглощенной в объеме сцинтиллятора энергии заряженной частицы Е_п:

где N _ф – полное число фотонов, образованных в объеме сцинтиллятора заряженной частицей; h ν _св – средняя энергия одного фотона сцинтилляции.

Чем выше конверсионная эффективность сцинтиллятора, тем большая доля энергии заряженной частицы преобразуется в световую вспышку, тем, следовательно, больше амплитуда сигнала при одной и той же потерянной в детекторе энергии.

Конверсионная эффективность сцинтиллятора служит мерой его спектрометрических качеств. Сцинтилляторы можно количественно сравнивать друг с другом по отношению их конверсионных эффективностей. При этом обычно конверсионную эффективность NaI ( Tl ) полагают условно равной единице. Таким образом, относительная конверсионная эффективность CsI ( Tl ) c оставляет

ω _ф = (2)

Значения h n _{c в} и ω _ф для некоторых типов сцинтилляторов приведены в табл.1. Наряду с понятием физической конверсионной эффективности вводится величина технической конверсионной эффективности:

Однако оказывается, что физическая конверсионная эффективность, строго говоря, не является постоянной и зависит от удельных ионизационных потерь энергии частицы. Так, например, в кристалле NaI ( Tl ) амплитуда сигнала от электрона приблизительно в два раза выше амплитуды от альфа-частицы той же энергии. Зависимость сигнала от ионизационных потерь энергии характеризуется коэффициентом a / b (см. табл. 1). Этот коэффициент представляет собой отношение физических конверсионных эффективностей при облучении сцинтиллятора альфа-частицами и электронами одинаковой энергии или, что то же самое в этом случае, отношение амплитуд сигналов на выходе ФЭУ:

Таким образом, сцинтилляционный детектор является пропорциональным для частиц одного типа, а коэффициент пропорциональности зависит от типа регистрируемых частиц.

Под эффективностью регистрации излучения h понимают вероятность, с которой частица может быть зарегистрирована детектором, т.е. это есть отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в сцинтиллятор:

Одним из основных преимуществ сцинтилляционных детекторов перед детекторами других типов является высокая эффективность регистрации ими нейтральных излучений (гамма-квантов и нейтронов). Как известно, взаимодействие этого излучения с веществом приводит к образованию заряженных частиц, которые затем регистрируются детектором. Таким образом, эффективность регистрации гамма-квантов и нейтронов будет определяться вероятностью взаимодействия их с веществом детектора. Для гамма-квантов эффективность регистрации в геометрии узкого пучка можно оценить как:

Классификацию сцинтилляторов можно проводить по различным признакам. Наиболее четко по своим характеристикам выделяются две большие группы: органические и неорганические.

Органические сцинтилляторы характеризуются сравнительно малыми атомными номерами (

6) и малой плотностью ( r

Неорганические сцинтилляторы характеризуются большими атомными номерами (

25 ¸ 50) и высокой плотностью ( r

4 г/см 3 ). Эффективность регистрации гамма-излучения такими детекторами велика. Временное разрешение хуже по сравнению с органическими сцинтилляторами (

К неорганическим сцинтилляторам относятся щелочно-галоидные, цинко-сульфидные и оксидные сцинтилляторы, а также сцинтилляторы на основе благородных газов (жидкие, твердые и газообразные).

В физическом эксперименте сцинтилляционные детекторы применяются чаще всего для спектрометрии ионизирующих излучений, в частности гамма-излучения. Спектрометрия гамма-квантов осуществляется измерением энергии вторичных электронов, образующихся при взаимодействии гамма-квантов с веществом сцинтиллятора.

Как известно, гамма-кванты, проходя через вещество, взаимодействуют с ним за счет одного из трех процессов: фотоэффекта, комптон-эффекта и образования пар. Вероятность этих процессов существенно зависит как от энергии гамма-квантов, так и от свойств вещества, с которыми эти гамма-кванты взаимодействуют.

При комптоновском рассеянии гамма-квант передает электрону атома только часть своей энергии. При этом энергия комптон-электрона Е_кэ связана с энергией гамма-кванта Е _g соотношением:

где θ – угол вылета рассеянного гамма-кванта по отношению к направлению движения первичного гамма-кванта; m ₀ c 2 = = 0,511 МэВ – масса покоя электрона.

В процессе рождения пары создаются две частицы – электрон и позитрон, для образования которых необходимо затратить энергию 2 m ₀ c 2 = 1,022 МэВ. Остальная энергия гамма-квантов переходит в кинетическую энергию электрона и позитрона, а также передается ядру отдачи, либо электрону отдачи, в поле которых может происходить процесс образования пары.

На рис.2 в качестве примера приведено распределение импульсов по амплитудам от вторичных электронов в сцинтилляционном детекторе типа NaI ( Tl ) при регистрации в нем моноэнергетических квантов с энергией 0,5 МэВ.

Пик в области 1, который обычно называют пиком полного поглощения, обусловлен двумя процессами взаимодействия гамма-квантов с веществом сцинтиллятора.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис.2. Распределение импульсов по амплитудам при регистрации гамма-квантов с Е_γ = 0,5 МэВ

Кинетическая энергия оже-электронов при этом практически равна энергии связи электрона, образованного при фотоэффекте.

Характеристическое излучение в свою очередь с большой вероятностью поглощается в объеме сцинтиллятора за счет фотоэффекта на более высоких электронных оболочках.

Таким образом, независимо от того, на каком атоме и какой электронной оболочке в сцинтилляторе поглотился гамма-квант в результате фотоэффекта суммарная энергия вторичных электронов оказывается равна энергии гамма-кванта Е_γ.

Вторым процессом, который дает вклад в пик полного поглощения, является так называемое многократное комптоновское рассеяние, когда в результате комптон-эффекта рассеянный гамма-квант теряет полностью свою энергию в сцинтилляторе за счет нескольких последующих рассеяний или фотоэффекта. В этом случае суммарная энергия вторичных электронов также оказывается равна энергии гамма-кванта.

Поэтому по пику полного поглощения можно определить непосредственно энергию гамма-кванта.

Область непрерывного спектра, лежащая левее пика полного поглощения, связана с эффектом комптоновского рассеяния гамма-квантов в объеме сцинтиллятора.

Из (9) видно, что максимальная энергия комптоновских электронов всегда меньше энергии гамма-кванта и равна:

(10)

В связи с этим существует принципиальная возможность выделить пик полного поглощения, положение максимума которого соответствует энергии гамма-кванта.

Часто в низкоэнергетической части комптоновского распределения выделяют широкий пик, обусловленный рассеянием гамма-квантов на углы, близкие к 180 ◦ от окна фотоумножителя, стенок защитного кожуха и стеклянного окна контейнера, в который упакован сцинтиллятор. Этот пик называют пиком обратного рассеяния (область 2 на рис.2).

Необходимо отметить, что форма реального амплитудного распределения в комптоновской части спектра обычно сильно отличаются от расчетного. Расчетное распределение комптоновских электронов по энергии может быть получено из формулы Клейна–Нишины–Тамма [1, с.43-44]. На рис.2 для сравнения показано пунктирной линией такое расчетное распределение комптоновских электронов для Е _g = 0,5 МэВ.

Область 3 спектра на рис.2 связана с регистрацией шумовых импульсов ФЭУ, имеющих малую амплитуду.

Вид распределения импульсов по амплитудам при регистрации гамма-квантов сцинтилляционным детектором существенно зависит от типа сцинтиллятора (неорганический или органический), его геометрических размеров, а также от условий облучения. Например, в кристалле больших размеров за счет многократного комптоновского рассеяния наблюдаются значительное подавление непрерывного спектра комптоновских электронов и соответствующее увеличение интенсивности пика, отвечающего полному поглощению энергии гамма-кванта.

При регистрации сцинтилляционным детектором гамма-квантов в области энергий до 1,5 ÷ 2 МэВ зависимость относительного энергетического разрешения от энергии кванта может быть достаточно точно описана соотношением

δ 2 (11)

В области больших значений энергий гамма-квантов становится существенной утечка излучения из кристалла, т.е. выход за пределы сцинтиллятора электронов, образованных вблизи поверхности кристалла. Это приводит к появлению импульсов меньших амплитуд и ухудшению энергетического разрешения.

При использовании органических сцинтилляторов, имеющих обычно небольшой средний атомный номер (

При подготовке к лабораторной работе выполнить следующие задания.

1) Нарисовать ожидаемые аппаратурные формы линий при регистрации гамма-квантов с энергией 0,662 и 0,835 МэВ неорганическим сцинтиллятором NaI ( Tl ).

2) Нарисовать ожидаемую аппаратурную форму линии (распределение импульсов по амплитудам) при регистрации гамма-квантов с энергией 0,662 МэВ неорганическим сцинтиллятором NaI ( Tl ) и органическим – антраценом.

3) Рассчитать среднее число фотонов в сцинтилляционной вспышке, образующихся при полном поглощении гамма-квантов с E _γ = 0,662 МэВ в сцинтилляторе NaI ( Tl ) и E _γ = = 0,662 МэВ в сцинтилляторе антрацен для максимальной энергии комптоновских электронов.

При выполнении заданий воспользоваться необходимыми данными, приведенными в табл.1, и сведениями, изложенными выше.

Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.3. Сцинтиллятор 1 и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) размещены в блоке детектирования БДБСЗ-1еМ («Воря»). В верхней части светозащитного кожуха 2 блока детектирования находится съемная крышка 3 с держателем источников 4. Для уменьшения влияния внешнего фонового излучения на результаты измерений блок имеет свинцовый экран 5. При открывании верхней части экрана появляется доступ к крышке светозащитного кожуха. Для проведения измерений блок детектирования комплектуется набором сменных сцинтилляторов.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Амплитудный анализатор ПК

Рис.3. Функциональная схема установки

При работе сцинтилляционного детектора напряжение на ФЭУ подается от высоковольтного стабилизированного источника питания БНВЗ-09. Импульсы с анода ФЭУ через эмиттерный повторитель (ЭП) и усилитель подаются на вход многоканального амплитудного анализатора импульсов, который используется для измерения амплитуд импульсов, поступающих в случайные моменты времени, хранения и обработки информации. Анализатор выполнен на базе персонального компьютера, в системный блок которого встроена плата, содержащая амплитудно-цифровой преобразователь импульсов (АЦП) и память для хранения данных. С помощью осциллографа С1-112А осуществляется контроль формы импульсов и измерение их амплитуды.

Полученные экспериментальные данные студенты сохраняют в виде файлов на жестком диске персонального компьютера внутри папки « Student » в своей персональной папке.

Подготовка лабораторной установки к работе

ВНИМАНИЕ! Подавать высокое напряжение на электроды ФЭУ можно только при плотно закрытой верхней крышке светозащитного кожуха и крышке радиационного экрана. Высокое напряжение подается на ФЭУ непосредственно после включения БНВЗ-09 тумблером «Сеть».

Подготовка блока детектирования к работе производится следующим образом. Убедиться, что высокое напряжение на ФЭУ не подано, открыть радиационный экран, расположенный в верхней части блока детектирования. Ослабить винты, крепящие светозащитную крышку к кожуху. Установить на фотокатод ФЭУ исследуемый сцинтиллятор. Закрыть крышку светозащитного кожуха, поместить в гнездо держателя требуемый источник гамма-квантов. Закрыть радиационный экран. Установить на блоке БНВЗ-09 переключатель « kV » в положение 0,9 кВ. Включить все приборы, кроме БНВЗ-09, в сеть. Порядок работы с амплитудным анализатором, программой обработки спектров, осциллографом С1-112А приводятся в отдельных инструкциях.

Показать преподавателю результаты, полученные при выполнении контрольного задания, и, ответив на дополнительные вопросы, приступить к измерениям.

1. Изучение аппаратурной формы линии сцинтилляционных детекторов

1. С помощью амплитудного анализатора снять распределение импульсов по амплитудам. Предварительно изменением напряжения на ФЭУ добиться, чтобы пик полного поглощения амплитудного распределения располагался в 500 – 600 каналах. Время измерения выбрать таким, чтобы относительная статистическая ошибка в максимуме распределения (пик полного поглощения) была не более 3%. Полученные данные сохранить в виде файла в своей персональной папке на компьютере. С помощью программы обработки спектров произвести первичную обработку измеренного амплитудного распределения:

а) определить номер канала, в котором располагается максимум пика полного поглощения.

б) определить площади, занимаемые пиком полного поглощения и комптоновским распределением.

2. Провести аналогичные измерения для кристаллов Na I (Tl) диаметром 30 мм и толщиной 10 мм и органического сцинтиллятора – антрацена, не меняя напряжения на электродах ФЭУ, условий работы амплитудного анализатора и времени измерения, выбранного в п.1. Замену сцинтилляторов можно производить только при выключенном высоковольтном питании (блок БНВЗ-09).

При обработке амплитудного рапределения от антрацена определить площадь под комптоновским распределением и номер канала, который соответствует точке перегиба края комптоновского спектра и, следовательно, максимальной энергии комптоновских электронов (см. рис.2).

2. Проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора при регистрации гамма-излучения

Установить сцинтиллятор Na I (T l ) диаметром 40 мм и высотой 40 мм на фотокатод ФЭУ, применяя для лучшего оптического контакта оптическую смазку. Поместить источник гамма-квантов 60 Со в гнездо держателя. Подобрать напряжение питания ФЭУ таким образом, чтобы пик полного поглощения располагался в 500 – 600 каналах. Выбрать время измерения таким, чтобы статистическая ошибка в максимуме распределения не превышала 3%.

1. Снять распределение импульсов по амплитудам. Измеренные данные сохранить в виде файла в своей папке. С помощью установленной программы определить положения максимумов пиков полного поглощения (с оценкой погрешности) и ширины пиков на полувысоте.

2. Провести аналогичные измерения для других источников гамма-квантов (табл.2) при том же напряжении на электродах ФЭУ. Если пик полного поглощения расположен на комптоновской части спектра (пьедестале) от другой (большей) энергии гамма-квантов, определение Δ N_i выполнить вручную, найдя левую и правую границы ширины распределения на половине высоты с учетом пьедестала.

Энергия гамма-квантов, МэВ

3. Исследование влияния удельных потерь энергии частиц на конверсионную эффективность сцинтиллятора

Образцы, на которых проводятся измерения, представляют собой стандартные сцинтилляторы, помещенные в защитные контейнеры. В случае CsI ( Tl ) альфа-частицы попадают непосредственно на кристалл через отверстия в верхней части контейнера. Кристалл антрацена защищен от воздействия атмосферной влаги алюминиевой фольгой. Для альфа-частиц с энергией 5,15 МэВ потери энергии в фольге составляют » » 3 МэВ.

При выключенном питании ФЭУ убрать альфа-источник, поместить в держатель источник 137 Cs и провести аналогичные измерения при тех же значениях напряжения на электродах ФЭУ. Время измерения выбрать таким образом, чтобы ошибка в максимуме распределения также не превышала (5 ¸ 6%). Определить положение максимума пика полного поглощения. Сохранить данные в виде файла.

4. По результатам измерений задания 1 определить отношение технических конверсионных эффективностей исследованных сцинтилляторов. При этом следует учесть, что в случае органического сцинтиллятора фотопик отсутствует, а максимальную энергию комптоновских электронов, которой соответствует край комптоновского спектра, можно определить, используя формулу (10).

5. По результатам измерений задания 2 построить по методу наименьших квадратов зависимость амплитуд импульсов, соответствующих максимумам пиков полного поглощения от энергии гамма-квантов. Сделать вывод о пропорциональности сцинтилляционного детектора в исследованном диапазоне энергий гамма-квантов. По наклону прямой определить энергетическую ширину канала амплитудного анализатора a (кэВ/канал).

Вычислить ошибки полученных величин.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите основные характеристики сцинтилляторов.

2. Какие сцинтилляторы используются для регистрации гамма-квантов и почему?

3. Нарисовать схему включения ФЭУ.

4. Сравнить эффективность регистрации различных видов излучений сцинтилляционным детектором.

1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Ляпидевский В.К. Сцинтилляционный метод детектирования излучений. М.: МИФИ, 1981.

3. Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Источник

• ← Как оценить количество антител к коронавирусу
• Как оценить коммерческую недвижимость самостоятельно →