RU2173469C2 - Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц - Google Patents
Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц Download PDFInfo
- Publication number
- RU2173469C2 RU2173469C2 RU99110560/28A RU99110560A RU2173469C2 RU 2173469 C2 RU2173469 C2 RU 2173469C2 RU 99110560/28 A RU99110560/28 A RU 99110560/28A RU 99110560 A RU99110560 A RU 99110560A RU 2173469 C2 RU2173469 C2 RU 2173469C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zns
- radiation
- charged particles
- scintillation
- csl
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
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.
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.
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;.
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.
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 14oC - 66 г/100 г H2O [5]) и требует защиты от окружающей атмосферы, имеет невысокие механические характеристики (твердость по Моосу - 1-2; модуль Юнга Eю=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 Eю=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.
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.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99110560/28A RU2173469C2 (ru) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99110560/28A RU2173469C2 (ru) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99110560A RU99110560A (ru) | 2001-02-27 |
RU2173469C2 true RU2173469C2 (ru) | 2001-09-10 |
Family
ID=48290992
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99110560/28A RU2173469C2 (ru) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2173469C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2694592C2 (ru) * | 2014-07-23 | 2019-07-16 | Конинклейке Филипс Н.В. | Устройство определения характеристик для определения характеристик сцинтилляционного материала |
-
1999
- 1999-05-14 RU RU99110560/28A patent/RU2173469C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2694592C2 (ru) * | 2014-07-23 | 2019-07-16 | Конинклейке Филипс Н.В. | Устройство определения характеристик для определения характеристик сцинтилляционного материала |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2852944B2 (ja) | オルト珪酸ルテチウム単結晶シンチレータ検知器 | |
US5734166A (en) | Low-energy neutron detector based upon lithium lanthanide borate scintillators | |
Glodo et al. | Selected Properties of Cs $ _ {2} $ LiYCl $ _ {6} $, Cs $ _ {2} $ LiLaCl $ _ {6} $, and Cs $ _ {2} $ LiLaBr $ _ {6} $ Scintillators | |
Pradhan et al. | Recent developments of optically stimulated luminescence materials and techniques for radiation dosimetry and clinical applications | |
US5025151A (en) | Lutetium orthosilicate single crystal scintillator detector | |
US6876711B2 (en) | Neutron detector utilizing sol-gel absorber and activation disk | |
Dafni | A note on the application of BaF2 scintillators to γ-ray and charged particle detection | |
Nanto et al. | Eu‐doped KCl phosphor crystals as a storage material for two‐dimensional ultraviolet‐ray or x‐ray imaging sensors | |
Reeder | Neutron detection using GSO scintillator | |
Glodo et al. | Dual gamma neutron detection with Cs [sub] 2 [/sub] LiLaCl [sub] 6 [/sub] | |
RU2173469C2 (ru) | Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц | |
Moszynski et al. | A comparative study of undoped NaI scintillators with different purity | |
Kling et al. | Scintillation properties of cerium-doped gadolinium-scandium-aluminum garnets | |
JPH077063B2 (ja) | シンチレーション検出器 | |
Hans et al. | Decay of Cd115 (2.3 d) | |
McCarthy et al. | The response of several luminescent materials to keV and MeV ions | |
Reeder et al. | Neutron/gamma discrimination in LiBaF 3 scintillator | |
Bonesini et al. | Characterization of new crystals for X rays detection | |
Hayakawa et al. | Synchrotron radiation x‐ray excited optical luminescence for chemical state selective analysis | |
Bajaj et al. | An introduction to radio-photoluminescence and scintillation for dosimetric applications | |
Sinha et al. | Characterization of ZnO, ${\rm BaF} _ {2} $ and ${\rm PbWO} _ {4} $ Scintillator Detectors for Cargo Inspection Using Transmitted X-ray Spectroscopy | |
RU2094823C1 (ru) | Неорганический сцинтиллятор | |
Birowosuto | Novel [gamma]-ray and Thermal-neutron Scintillators: Search for High-light-yield and Fast-response Materials | |
EP4047398A1 (en) | Method and apparatus for detecting large pulsed fluxes of neutrons using optical response of crystals | |
Kobayashi et al. | Scintillation characteristics of undoped and Cu+-doped Li2B4O7 single crystals |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070515 |