Довгомірні сцинтиляційні позиційно–чутливі детектори гама-радіації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут монокристалів

УДК 548.5:539.1.074.3

05.02.01 - матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидат технічних наук

Довгомірні сцинтиляційні позиційно-чутливі детектори гама-радіації

Зосим Дмитро Іванович

Харків-2007

Анотація

Дисертацією є рукопис.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Гектін Олександр Вульфович, заступник директора Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України.

- доктор технічних наук, професор, Литвинов Леонід Аркадійович, завідувач відділу Інституту монокристалів НАН України;

- доктор фізико-математичних наук, професор, Литовченко Петро Григорович, заступник директора Інституту ядерних досліджень НАН України.

Захист відбудеться "21" листопада 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64. 169.01 при Інституті монокристалів НАН України за адресою: 61001, м. Харків, пр. Леніна, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту монокристалів за адресою: 61001, м. Харків, пр. Леніна, 60.

Автореферат розісланий "17" жовтня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фіз.-мат. Наук М.В. Добротворська.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасна фізика детектування радіації висуває особливі вимоги не лише до спектрометричних властивостей сцинтиляторів, але й до можливості визначення координат сцинтиляційної події. Багато фундаментальних та прикладних задач фізики високих енергій, астрофізики, медицини потребують реконструкції просторової структури як процесів взаємодії елементарних частинок, так і випромінюючих радіацію об'єктів. Тому, актуальність теми дисертаційної роботи зумовлена потребами розширення сфери застосувань сцинтиляційних кристалів і меж жорсткості вимог до їх характеристик. Традиційно, системи детектування для вирішення такого змісту задач за інженерними підходами до їх створення розвиваються в двох напрямках. Перший складають багатоелементні детектори (лінійки, матричні детектори, спеціальні калориметри), в яких кожний сцинтилятор сполучено з індивідуальним фотоприймачем. Ці методи позиційно-чутливого детектування знайшли своє широке застосування у медичних діагностичних ПЕТ (позитронний емісійний томограф) системах, фізиці високих енергій (електромагнітні калориметри в проектах CERN, SLAC, KEK, DSI), медичній та оглядовій компьютерно-томографічній техніці. Другий - це координатно-чутливі детектори виготовлені з цільних кристалів великої площини. Типовим прикладом є медичні ОФЕКТ- системи (однофотонні емісійні комп'ютерні томографи - гама-камери), астрофізичні гама -телескопи. Обидва шляхи розвитку детекторів базуються на потребі в використанні не просто високоефективних сцинтиляторів з малим часом свічення, але й висувають жорсткі вимоги до структурної досконалості кристалів і насамперед мікро- та макро- однорідності його характеристик.

До середини 90-х років минулого сторіччя задачі отримання ефективних сцинтиляційних кристалів були, в більшості своїй, розв'язані. Але характеристики детекторів, створених на їхній основі, могли задовольнити вимоги експериментаторів далеко не в повній мірі. Тому розвиток фізики сцинтиляційних детекторів, з цього часу, відбувається в двох напрямках - пошук нових сцинтиляційних матеріалів зі спеціальними властивостями і інженерія систем детектування радіації на їхній основі та з використанням традиційних матеріалів. За останні десять років розвиток елементної бази ядерно-фізичного експерименту дозволив в значній мірі удосконалити існуючі та розробити нові принципи і методи інженерії позиційно-чутливих детекторів і показати досить прикладів позитивного розв'язання існуючих проблем. Разом з цим стали зрозумілими і обмеження кожного з напрямків розвитку. В зв'язку з цим і виникає потреба нового витку розробок позиційно-чутливих детекторів радіації. Ця робота й присвячена такого роду дослідженням - пошук і розробка принципово нових методів створення сцинтиляційних координатно-чутливих детекторів радіації.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження виконувалися в Інституті сцинтиляційних матеріалів НАН України. Всі дослідження і розробки виконані відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт, держконтрактів і держзамовлень, зокрема: "Аніон" (1997-2000 рр.) - "Дослідження впливу змішаного (аніон-катіонного) легування на випромінювальні та безвипромінювальні втрати в сцинтиляторах AІBVІІ та ABX3" (№0197U013768); "Стійкість" (2001 р.) - "Дослідження спектрометричних властивостей та радіаційної стійкості великогабаритних швидкодіючих сцинтиляційних кристалів CsI" (№0102U002530); "Система" (2000-2003 рр.) - "Дослідження можливостей створення комбінованих систем реєстрації іонізуючих випромінювань на основі сцинтиляційних матеріалів" (№0103U003496), проекту УНТЦ (2001-2003) "Довгомірні позиційно-чутливі сцинтиляційні детектори гама-променів на основі монокристалів CsI(Tl)" (№2101); "Фізика" (2001 р.) - "Розробка технології та організація експериментально-промислового виробництва кристалів CsI, CsI(Tl), PbWO4 для фізики високих енергій (№34-IHB-1).

Аналіз відомих рішень показав, перш за все, що найбільш визначальні досягнення можуть бути отримані лише в разі виходу за межі традиційно існуючих принципів створення детекторів з позиційно-чутливими властивостями. Тому за мету роботи було обрано розробку принципів і методів створення позиційно-чутливих сцинтиляційних детекторів і встановлення закономірностей впливу властивостей сцинтиляційних кристалів на умови формування в них позиційної чутливості.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язувались такі основні задачі:

1. Розробка методів інженерії нової фізичної ідеї в принципах утворення позиційної чутливості в довгомірних сцинтиляційних детекторах;

2. Пошук оптимальних умов збирання світла в детекторах, які забезпечують монотонно спадаючий розподіл світла сцинтиляцій вздовж детектора, і дослідження механізмів, які визначають можливість існування ефекту позиційної чутливості;

3. Дослідження впливу концентрації активатору та однорідності його розподілу вздовж кристалів на умови створення позиційної чутливості в детекторах;

4. Розробка методів компенсації крайових ефектів та асиметрії світлового виходу в довгомірних позиційно-чутливих детекторах.

5. Розробка методів контролю структурної та оптичної якостей кристалів.

Об'єкти дослідження: інженерні і технологічні чинники та фізичні характеристики сцинтиляційних кристалів, які визначають можливості існування та методи реалізації координатної чутливості у сцинтиляторах.

Предмет дослідження: оптичні, люмінесцентні, спектрометричні і механічні характеристики сцинтиляційних кристалів.

Методи дослідження: автоматизовані дослідницькі установки з вимірювання сцинтиляційних характеристик кристалів на базі багатоканальних електронних аналізаторів амплітуд імпульсів Canberra та LeCroy, оптичні поляризаційні методи, оптична спектроскопія, статистичні методи обробки експериментальних результатів.

Наукова новизна роботи полягає в таких вперше встановлених положеннях:

1. Доведено, що неоднорідний, монотонно спадаючий розподіл виходу світла сцинтиляцій від одного торця довгомірного кристалу до іншого дозволяє створювати координатно-чутливі сцинтиляційні детектори.

2. Встановлено, що відтворення лінійного чи експоненціального спадання світлового виходу вздовж детектора забезпечуються спеціальними умовами збирання світла в сцинтиляторах, які визначаються структурною та оптичною досконалостями кристалів.

3. Доведено, що координатне розділення позиційно-чутливих детекторів визначається енергетичним розділенням сцинтилятора та величиною неоднорідності розподілу світлового виходу вздовж детектора. Встановлено, що в явному вигляді воно не залежить від відношення довжини кристалу до величини його поперечного перетину.

4. Визначено оптимальні умови існування позиційної чутливості в детекторах на основі монокристалу CsI(Tl). Вони відповідають відношенням довжини кристалу до величини його поперечного перетину від 9 до 14, постійним значенням величин енергетичного розділення і перепаду світлового виходу вздовж сцинтилятора від 100% до 58%.

5. Встановлено, що вплив на кристал механічних напруг зумовлює зміни параметрів позиційної чутливості. Визначені критичні умови пластичної деформації, перевищення яких виключає можливість існування позиційної чутливості.

6. Визначено межі оптимальних значень концентрації активатору і однорідності його розподілу в монокристалах CsI(Tl) для досягнення відтворюваних умов заданого збирання світла в сцинтиляторах з відношенням їх довжини до поперечного перетину в межах від 9 до 10. Показано, що полиця на залежності "світловий вихід - концентрація активатору" становить від 0,092 до 0,114 ваг.%, що менше типових значень для CsI(Tl), які використовуються в детекторах для спектрометрії радіації.

Практична цінність отриманих результатів:

Результати досліджень можуть бути використані як у виробництві довгомірних сцинтиляційних позиційно-чутливих детекторів, так і сцинтиляційних детекторів для спектрометрії потоків радіації. Зокрема:

показано, що принцип утворення позиційної чутливості за допомогою управління неоднорідністю розподілу світлового виходу вздовж детектору придатний для використання в будь-якому сцинтиляційному матеріалі;

розроблено методику управління умовами збирання світла в довгомірних сцинтиляційних детекторах на основі монокристалів CsI(Tl), яка забезпечує стабільність і відтворюваність основних характеристик детекторів в межах оптичної однорідності від 100% до 58%;

розроблено методи інженерії позиційної чутливості в довгомірних детекторах на основі монокристалів йодиду цезію, які зумовлюють мінімальний вплив крайових ефектів та асиметрії світлового виходу на позиційне розділення детекторів в цілому;

розроблено методику створення позиційно-чутливих детекторів на основі монокристалів йодиду цезію, яка забезпечує незалежність їх властивостей від процесів релаксації пружного стану кристалів та процесів їх старіння;

Отримані в дисертації наукові результати підтверджені практикою промислового виготовлення більше 2000 детекторів для калориметрів для міжнародних проектів GLAST (Global Large Area Space Telescope) і AGILE (Astrorivelatore Gamma ad Immagini Leggero).

Впровадження. Теоретичні й експериментальні дослідження, технологічні прийоми і технічні рішення, проведені в даній роботі, впродовж багатьох років використовуються в ІСМА при виконанні НДР і контрактів із фірмами США, Італії, Швеції, Швейцарії, Китаю.

Особистий внесок автора полягає в участі у постановці мети дослідження й обговоренні отриманих результатів. Усі експериментальні результати отримані, оброблені і проаналізовані здобувачем самостійно.

Розробка фізичної ідеї позиційної чутливості в довгомірних сцинтиляторах належить автору спільно з науковим керівником досліджень [6, 10]. Автор безпосередньо брав участь у дослідженні методів та способів обробки поверхні кристалів для надання їм спеціальних світловідбиваючих властивостей (участь у обговоренні мети досліджень і отриманих результатів, вимірювання параметрів оптичного відгуку сцинтиляторів) [3, 8]. В [5] постановку задачі дослідження впливу деформації на сцинтиляційні властивості кристалів CsI(Tl) і узагальнення отриманих результатів проведено з науковим керівником роботи, експерименти проведені самостійно. Автор безпосередньо брав участь у проведенні експериментів по дослідженню впливу стану поверхні лужногалоїдних кристалів на стабільність їх оптичних і сцинтиляційних характеристик [2, 3], а також у дослідженнях сцинтиляційного відгуку монокристалів йодиду цезію на і збудження (вимірювання сцинтиляційних характеристик і обговорення та узагальнення отриманих результатів) [7]. В [1, 4] вимірювання характеристик сцинтиляційного відгуку кристалів CsI(Tl), які характеризуються різною концентрацією активатору, при збудженні їх іонізуючим випромінюванням в широкому інтервалі енергій з використанням фотоприймачів, які помітно різняться діапазоном спектральної чутливості, проведено автором роботи самостійно. Обговорення і узагальнення отриманих результатів досліджень концентраційних залежностей виходу світла і енергетичного розділення проведено при активній участі автора роботи. Утворення дефектів в кристалах під дією радіації досліджувалося при безпосередній участі автора роботи (вимірювання сцинтиляційних характеристик і обговорення отриманих результатів) [9]. Статті і доповіді написані при особистій участі автора.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались та обговорювались на таких спеціалізованих наукових конференціях:

1. EMRS-1.Advanced Materіals, Kіev. Ukraіne, 1999.

2. Fifth Int.Conf.on Inorganic Scintillators and Their Applications. Moscow, Aug. 16-20, 1999;

3. Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference. Lyon, France, 2000;

4. Уральский семинара "Сцинтилляционные материалы и их применение" (Scintmat-2000), Екатеринбург, 2000.

5. Int.Conf.on Inorganic Scintillators and their Industrial Applications (Scint-2005), Алушта, Украина, 2005.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, з яких 7 статей у вітчизняних і іноземних журналах і 1 патент України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку цитованої літератури. Робота викладена на 152 сторінках тексту, містить 67 рисунків і 2 таблиці. Список цитованої літератури містить 129 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі до дисертації обґрунтовано актуальність розв'язання задач інженерії сцинтиляційних детекторів і структура дисертації в цілому. Сформульовано мету дисертаційної роботи, показано напрямки її досягнення, наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Розкрито зв'язок роботи з науковими програмами НАН України і міжнародними науковими проектами.

У першому розділі відображено сучасні уявлення про місце і роль сцинтиляційних позиційно-чутливих детекторів (СПЧД) в розв'язанні задач фундаментальних та прикладних досліджень джерел і полів рентгенівської і гама-радіації. Показано, що існуючі на цей час СПЧД побудовані за двома принципами: перший притаманний матрицям сцинтиляційних детекторів, другий детекторам на основі цільних кристалів великої площини. Стосовно до них розроблено і відповідні методи виділення інформації про координати виникнення сцинтиляцій. В першому випадку - це кодування номерів строчки та стовпчика, що відповідають елементам матриці, в яких трапилася сцинтиляційна подія. В другому - застосування алгоритму Ангера, за допомогою якого вимірювання сцинтиляційного відгуку одночасно багатьма фотоприймачами (як правило фотоелектронними помножувачами - ФЕП) дозволяє відтворити координати взаємодії фотонів радіації з детектором. Необхідною умовою практичної реалізації обох підходів є вимога максимально однорідного сцинтиляційного відгуку: для матриць - вздовж кожного їхнього сцинтиляційного елемента і масиву збірки в цілому, для цільних кристалів - по всій поверхні детектору.

Наслідком існуючого розділення є розвиток й різних методів і підходів в оптимізації характеристик СПЧД. Дослідження причин, що обмежують можливості створення детекторів з гранично можливими характеристиками та критеріїв, що визначають їх дизайн, і зумовило мотивацію роботи, яка може бути коротко сформульована в формі запитання: "Чи існують інші принципи створення СПЧД?". Систематизація та аналіз інженерних принципів і розробок, спрямованих на поліпшення властивостей СПЧД і удосконалення їх в цілому, дозволили висунути гіпотезу про можливість існування нового принципу позиційно-чутливого детектування радіації сцинтиляторами. Його фізична ідея полягає у наступному. Оскільки амплітуда оптичного спалаху в сцинтиляторі залежить від величини віддалення джерела до фотоприймача, за її величиною можливо встановити координату джерела випромінювання і в такий спосіб відтворити координату проходження іонізуючої частинки через сцинтилятор.

Реалізація цього принципу в сцинтиляційних детекторах може бути віднесена до методів розв'язання задач по створенню СПЧД нового типу, які поєднують у собі переваги кожного з вище розглянутих методів. Його практичне впровадження можливе завдяки методам інженерії позиційної чутливості, опису яких і присвячено наступні розділи дисертації.

У другому розділі розглядається суть фізичного принципу створення координатної чутливості у довгомірному сцинтиляторі. Схематично він пояснюється рисунком 1. Існуюче в кристалі природно або створене штучно затухання світла сцинтиляцій, по мірі віддалення його джерела від фотоприймача, є тим чинником, що однозначно визначає координату сцинтиляційного відгуку за величиною його амплітуди. Тобто, вимірювання величини амплітуди сигналу дозволяє визначити віддаленість місця сцинтиляцій в кристалі від торця з фотоприймачем.

Точність вимірювання координати сцинтиляцій визначається двома головними параметрами системи. Перший, це точність реєстрації амплітуди сигналу відгуку, а другий - це величина енергетичного розділення детектора в місці виникнення сцинтиляційного спалаху.

В такому вигляді принцип формування координатної чутливості, який пропонується, може бути використаний в будь-якому сцинтиляційному матеріалі, що характеризується достатньою оптичною прозорістю в межах спектрального діапазону сцинтиляційного випромінювання.

Із загальних уявлень про процеси розповсюдження світла через кристали похибка визначення координати сцинтиляцій може бути відтворена за допомогою співвідношення:

детектор сцинтиляційний оптичний кристал

,

де R - енергетичне розділення детектора в місці взаємодії кванта іонізуючої радіації з кристалом, - величина ділення амплітуд сигналів сцинтиляційного спалаху, які виміряні фотоприймачами, що розташовані на протилежних торцях детектору, - коефіцієнт екстинції кристалу.

Визначення фізичних механізмів, які формують кінцеву величину координатного розділення, а також встановлення характеру взаємозв'язків між ними - основні задачі цієї роботи.

Краще координатне розділення забезпечується якнайменшими величинами енергетичного розділення і оптичної однорідності, а також якомога великим коефіцієнтом екстинції матеріалу сцинтилятору. Оптимальні співвідношення між цими параметрами і визначають область існування ефекту координатної чутливості.

Перш за все, можливість реалізації принципу створення позиційної чутливості на практиці і пошук характеристик сцинтилятора (насамперед коефіцієнта оптичного поглинання і умов відбивання світла поверхнями кристала заданої форми), придатних і оптимальних для цих цілей, модельовані в комп'ютерному експерименті шляхом розрахунків методом Монте-Карло особливостей збирання світла в детекторах. Цей етап роботи складався із серії експериментів по моделюванню ефекту координатної чутливості в детекторах з різним співвідношенням довжини (Н) і поперечного перетину (D) кристалів.

Результати моделювання показали, що при 3Н/D12 формування монотонно спадаючого розподілу світлового виходу вздовж кристалу від 100% (біля торця з фотоприймачем) до 30% (на протилежному торці) досягається при використанні процесів розсіювання світла як в об'ємі, так і поверхнею кристалу. При цьому, розсіювання світла об'ємом, в порівнянні із розсіюванням поверхнею призводить до незначного погіршення енергетичного розділення. Моделювання також показало, що в визначеному інтервалі Н/D існують такі умови відбивання світла поверхнею кристалів і такі характеристики відбиваючих світло матеріалів оболонок, які забезпечують в межах величин оптичної однорідності 0,51 мінімальні втрати детектором світла сцинтиляцій. При цьому виявилося, що створювані розподіли виходу світла вздовж детекторів піддаються дії крайових ефектів, яка проявляється в зростанні світлового відгуку від областей детекторів, що прилягають до їхніх торців.

Позитивні результати математичного моделювання дозволили перейти до другого етапу роботи - фізичного експерименту з реалізації принципу позиційної чутливості в довгомірному сцинтиляторі. Загальна думка і теоретичні результати створили можливості звузити межі вибору об'єктів досліджень (матеріал сцинтилятору), їхньої геометричної форми і розмірів, а також умов формування збирання світла в детекторах, що забезпечують розподіл виходу світла сцинтиляцій, подібний до показаного на рис.1. В якості основного об'єкту досліджень було вибрано сцинтиляційний монокристал CsI(Tl), який характеризується достатніми оптичною прозорістю, світловим виходом, енергетичним розділенням і можливістю виготовлення довгомірних зразків детекторів.

Для узагальнення результатів досліджень і висновків, побудованих на їхній основі, досліджувались характеристики СПЧД на основі монокристалів CsI(Na). Оптичні властивості кристалів встановлювались за допомогою методів спектроскопії в видимому та ІЧ діапазоні; механічні характеристики досліджувалися за допомогою деформування на дослідницькій установці "Instron" і мікротвердоміра ПМТ-3; розподіл полів пружності в кристалах фіксувався оптичними поляризаційними методами. Характеристики детекторів досліджувалися з використанням альфа - та гама - радіації широкого спектру енергій на автоматизованих установках для дослідження сцинтиляційних властивостей кристалів.

Найбільш важливим є експериментальне вимірювання розподілу світлового виходу за допомогою сканування еталонного джерела радіації вздовж довгомірного кристалу.

Зі схеми експерименту видно, що дослідницька установка дозволяє вимірювати розподіл сцинтиляційних відгуків детекторів одночасно двома фотоприймачами, розташованими на протилежних торцях кристалу. Така схема досліджень дає змогу зводити до якомога менших значень вплив на результати експериментів локальних оптичних неоднорідностей, які присутні в довгомірних кристалах, та вплив різного роду артефактів.

Перші експерименти, в цілому, підтвердили результати математичного моделювання і показали можливість створення однорідно і монотонно спадаючого розподілу виходу світла, тобто, можливість реалізації координатно-чутливого детектування радіації довгомірними сцинтиляторами. Виявилося, по-перше, що для детекторів з Н/D14 флуктуації амплітуд сцинтиляційного відгуку значно зростають, порівняно з Н/D=1012, і це становить труднощі в застосуванні амплітудного методу визначення координат сцинтиляцій. По-друге, для 1Н/D3 існують такі умови збирання світла сцинтиляцій, які в змозі забезпечити прийнятне координатне розділення навіть відносно коротким детектором.

Третій розділ дисертації присвячено більш глибокому і детальному дослідженню проблем інженерії позиційної чутливості в детекторах великої довжини, тобто, основній методиці створення СПЧД. З метою зменшення кількості факторів, які потенційно можуть впливати на ефект позиційної чутливості, монокристали CsI(Tl) вибрані однієї форми і розмірів - прямокутний паралелепіпед довжиною 330 мм та площиною поперечного перетину 2027 мм². За основу методів формування позиційно-чутливих якостей у сцинтиляторів, що належало розробити, обрано регулювання світловідбиваючих характеристик поверхонь кристалів за допомогою спеціальної обробки (надання їй певної шорсткості). Крім цього проведено підбір і дослідження характеристик матеріалів для світловідбиваючих оболонок (від дзеркально відбиваючих до дифузно розсіюючих світло), які забезпечують повернення в кристал світла сцинтиляцій, що вийшло через його бічні поверхні. В такий спосіб формувався набір методів, які забезпечували регулювання характеру та величин неоднорідності розподілу оптичного відгуку в досить широких межах.

Експерименти показали, що починаючи з величин =0,7 детектори характеризуються достатньою координатною чутливістю, але затухання світла сцинтиляцій, існуюче в кристалі природно, не в змозі забезпечити оптичну неоднорідність на такому рівні. Методи штучного управління величиною за допомогою надання поверхні кристалів певних світловідбиваючих властивостей дозволили отримувати монотонно спадаючий розподіл амплітуд оптичного відгуку вздовж детекторів з довільним її значенням. Але виявилося, що лише до значень =0,58 величина локального енергетичного розділення кристалів лишається як найменшою, а амплітуда оптичного відгуку як найбільшою з можливих. При зменшенні оптичної однорідності (0,5) величина енергетичного розділення значно зростає, що зумовлює втрату позиційної чутливості в цілому.

Окремо в розділі розглядається питання про вплив крайових ефектів на розподіл світла сцинтиляцій вздовж детекторів і погіршення параметрів сигналів, що реєструються. Ці артефакти вдається компенсувати за рахунок спеціальної обробки поверхонь кристалів і нанесення світловідбиваючих шарів і на торці кристалів. Та для практики експлуатації детекторів такого роду рішення обмежені, або навіть неприйнятні, оскільки торці кристалів стикуються з фотоприймачами (ФЕП або фотодіодами). Взагалі, експлуатація детекторів на основі кристалів CsI(Tl) передбачає використання в якості фотоприймачів фотодіоди, площина перетину яких (Sфп) менша за площину перетину торця кристалу (Sкр). В зв'язку з цим проведені дослідження впливу геометричного фактору f=Sфп/Sкр на параметри СПЧД. Було встановлено, що заміна "описаного" навколо торця фотоприймача на "вписаний" в нього, наприклад з f=0,708 призводить до зменшення амплітуд відгуків на 32% і погіршення енергетичного розділення що найменше на 1,5%, а також зростання ~10%. Результатом проведених досліджень стала розробка технології формування оптичної неоднорідності вздовж детекторів, яка забезпечувала, за еквівалентної заміни фотоприймачів, незмінними характер і величини неоднорідності, а зменшення амплітуд відгуків і погіршення енергетичного розділення не більше як, відповідно, на 23% та 0,4%.

В цілому експерименти довели, що оптимальні значення перепаду амплітуд світлового відгуку від торця до торця кристалу повинні знаходитись в межах значень 0,580,7 незалежно від того, створено лінійний чи експоненціальний характер зменшення амплітуд сигналів. Також виявилося, що відтворюваність характеру зменшення амплітуд сигналів вздовж кристалів недостатньо висока. Існують також проблеми, пов'язані з тим, що розподіли сигналів, які вимірюються в експериментах з протилежних торців кристалу, асиметричні. При моделюванні ефекту методом Монте-Карло ця особливість не спостерігалася. Причина прояву цих характеристик полягає у тому, що сцинтиляційний і оптичний відгуки чутливі до структурних та оптичних якостей сцинтиляторів і, насамперед, до однорідності властивостей вздовж зразків. Якщо для створення заданого характеру розподілу світла сцинтиляцій відбирати кристали за ознаками їхніх структурної та оптичної досконалостей, вдається значно підвищити відтворюваність характеристик СПЧД і звести до якомога менших значень асиметрію оптичного відгуку. Також показано, що для практичних цілей доцільно відпрацювати критерії якості кристалів, а не підбирати методи створення тих чи інших умов збирання світла в кожному окремому випадку. В цьому розділі наведені основні критерії відбору сцинтиляційних кристалів CsI(Tl), дотримання яких забезпечує уніфікацію методики управління збиранням світла сцинтиляцій.

Отримані дані свідчать, що задача створення позиційної чутливості в детекторах на основі кристалів йодиду цезію з Н/D=9,8 розв'язана. Не вирішеною лишається проблема стабільності характеру розподілу виходу світла сцинтиляцій вздовж детекторів. Пошуку і дослідженню механізмів, що визначають нестабільність отримуваних рішень присвячено четвертий розділ.

В четвертому розділі наведено результати досліджень впливу зовнішніх факторів на визначальні, для СПЧД, характеристики. Стосовно сцинтиляційних кристалів, мова йде, в основному, про два фактори: механічний та радіаційний. Вплив першого з них переважає на стадії створення детектора, а другий - в процесі його подальшої експлуатації. Різного роду точкові і лінійні дефекти наводяться в кристалах пластичною деформацією ще в процесі вирощування кристалу і подальшого його охолодження з притаманними йому процесами релаксації пружного стану. Рівень залишкових напруг і їхній розподіл в об'ємі визначають критерії відбору кристалів для створення позиційно-чутливих властивостей. Однак більш вагомий вплив механічних навантажень на кристал має місце на більш пізніх етапах роботи з ними - при створенні власне СПЧД. Вплив багатьох типів дефектів на перебіг сцинтиляційних процесів детально описано в літературних джерелах. Тому в нашому випадку важливим є не тільки тип дефекту, але й вид механічної дії на кристал під час утворення на поверхні кристалів спеціальних відбиваючих світло властивостей, що призводять до появи в кристалах певних типів дефектів. В процесі виготовлення СПЧД кристал піддається дії переважно трьох видів деформацій - стискання, удар і згинання. В зв'язку з цим, досліджувалися кристали лише після цих видів деформації. Встановлено, що вони по різному впливають на властивості детекторів. Деформація кристалів стискання, після релаксації механічних напруг, призводить до зростання виходу світла сцинтиляцій, відносно початкових величин. Після деформації ударом, амплітуда відгуку спершу зростає, а потім зменшується і стає нижчою порівняно з початковою величиною. Деформація згинання призводить, на відміну від попередніх видів деформації, до неоднорідного оптичного відгуку вже в межах зони збудження кристалу - розподіл амплітуд, що відповідають піку фотопоглинання, тепер не описуються розподілом Гауса, а тому виміряти амплітуду відгуку і енергетичне розділення стає досить складним завданням. Релаксація збудженого деформаціями стану кристалу в умовах "сухого боксу" і при кімнатній температурі перебігає впродовж -14-21 діб. Ефекти, що наведені в кристалі деформацією згинання, зберігаються і по закінченню вказаного терміну.

Результатом перебігу процесів релаксації пружного стану в кристалах є поява блоків полігонізації і рекристалізація поверхневих шарів. Дослідження показали, що в процесі обробки поверхні кристалів деформація розподіляється нерівномірно, а тому коректно визначити її кількісну величину досить складно. Перебіг процесів релаксації в поверхневих та приповерхневих шарах оцінюються за величиною відношення амплітуд оптичного відгуку на і збудження (/- відношення). Амплітуда відгуку формується лише поверхневими шарами кристалів, тоді як " - відгук" - в об'ємі кристалів. Результати аналізу даних з кореляції між параметрами СПЧД і характером поведінки /- відношення під час перебігу процесів релаксації дали змогу оцінити швидкість цього процесу та відпрацювати принципи підвищення стабільності параметрів СПЧД.

При одноосному стисканні кристалів, деформація на рівні 3,5% зумовлює появу наведених в них змін, величини і характер яких були подібні до тих, що наводяться під час механічної обробки заготівок кристалів. При деформаціях, менших зазначеної, релаксація деформованого стану перебігає, переважно, завдяки процесам рекристалізації поверхні, тоді як рівних їй і більших релаксація протікає завдяки полігонізації з наступним виникненням і розвитком тріщин по кордонах блоків. Отримані результати свідчать про те, що розробка методів інженерії позиційної чутливості в сцинтиляторах повинна коректно враховувати механічні характеристики кристалів і процеси релаксації в них деформованого стану в часі. Результати експериментів мають загальний, для кристалів, характер, а тому можуть бути використані і в виготовленні других типів сцинтиляційних детекторів.

Експериментально встановлено, що стабільність в часі характеру розподілу амплітуд сцинтиляційних відгуків вздовж кристалів визначається саме процесами релаксації деформованого стану кристалів. Якщо в відібраних групах кристалів спеціальні умови збирання світла утворювати після перебігу цих процесів, проблем нестабільності не виникає: спостереження за такими детекторами впродовж 2-х місяців не виявило погіршення їхніх параметрів.

Результати дослідження впливу полів зовнішньої радіації на координатно-чутливі властивості детекторів показали, що для доз радіації не більше як 10 крад енергетичне розділення погіршується на долі відсотка, світловий вихід може знизитись на 20%, але це не є значимою величиною. Закон розподілу виходу світла вздовж кристалу деградації не зазнає. Оскільки ці зміни не суттєві, детектори на основі монокристалів CsI(Tl) придатні до використання їх в умовах, наприклад, космічної радіації.

Спираючись на результати експериментів, проведених в розділах 2 і 3, були розроблені методи інженерії позиційної чутливості в детекторах на основі сцинтиляторів CsI(Tl) з Н/D=9,8. Наведено типовий і відтворюваний результат практичної реалізації нового принципу позиційної чутливості. Наведена на рисунку залежність притаманна детекторові з такими параметрами: неоднорідність виходу світла ~0,62, його асиметрія ~0,4%, енергетичне розділення ~9%, коефіцієнт поглинання ~0,013см-1. Детектор з такими параметрами в змозі розділити дві сцинтиляції, що рознесені вздовж кристалу на відстані 12,3 мм. Отримані результати доводять, що новий принцип позиційно-чутливого детектування радіації сцинтиляційними детекторами на основі кристалів CsI(Tl) з Н/D=9,8 забезпечує створення СПЧД з рекордними значеннями просторового розділення. Вони також свідчать про можливість розробки "комбінованих" СПЧД, що поєднують в собі позитивні якості матричних детекторів і детекторів на основі цільних кристалів. В цьому випадку матриця, набрана з довгомірних СПЧД доповнюється їхніми координатно чутливими властивостями. Подібне поєднання, в підсумку, призводить до того, що координатне розділення наближається до одиниць [1] або навіть десятих долів міліметрів, що в десятки разів переважає чутливість існуючих, на час написання роботи, детекторів [2].

У останньому, п'ятому розділі наведено результати практичного застосування розроблених методів і принципів до створення координатної чутливості в довгомірних сцинтиляторах для систем детектування радіації в астрофізичних гама-телескопах для міжнародних космічних станцій GLAST і AGILE. В обох випадках система детектування гама-телескопів базувалась на довгомірних СПЧД на основі монокристалів CsI(Tl). Відмінні особливості кристалів в цих проектах: геометрія для калориметру GLAST - прямокутний паралелепіпед завдовжки 326мм і площиною перетину 19,926,7 мм² (H/D~10) з фасками завширшки 1,3мм вздовж кожного ребра; для калориметру AGILE - прямокутний паралелепіпед завдовжки 375мм і площиною перетину 1523 мм² (H/D~14). Закон спадання амплітуд відгуків від торця з фотоприймачем вздовж детекторів в кристалах GLAST - лінійний, AGILE - експоненціальний.

В цілому було виготовлено понад 2000 детекторів, що відповідають вимогам специфікацій до цих проектів. Для СПЧД проекту GLAST оптична неоднорідність належать межам значень 0,50,7 з середньою величиною 0,6 і характеризується симетричним розподілом детекторів за величиною . Середній світловий вихід кожного детектора, виміряний відносно еталонного зразка, виготовленого з монокристалу CsI(Tl) діаметром та висотою 25мм, не перевищував межі 5% відносно середнього значення для всього масиву детекторів, яке становило 38%. Розподіл детекторів за величиною середнього світлового виходу дещо асиметричний, усунутий в напрямку +5%. Енергетичне розділення, виміряне для - енергії 1275 кеВ, не перевищувало 11%.

З наведеної діаграми видно, що розроблені методи створення позиційної чутливості в довгомірних кристалах на достатньому рівні сприяють відтворюванню однотипних, за характеристиками, детекторів.

Статистичний аналіз даних для типових детекторів показав, що з ростом фактору H/D в межах від 1 до 9 їх енергетичне розділення, починаючи з 3, виходить на насичення, а світловий вихід зменшується за експоненціальною залежністю, з показником експоненти 0,07. Отримані результати доводять, що відношення H/D в межах 39 не є оптимальними для створення СПЧД, але, й не обмежують можливості отримати для них досить якісні показники.

Для проекту AGILE отримано результати, аналогічні отриманим при виконанні проекту GLAST. І це не зважаючи на те, що на відміну від попереднього проекту, тепер позиційно-чутливі властивості необхідно було сформувати за допомогою експоненціального характеру затухання амплітуд відгуків вздовж детектору, який повинен бути створений лише за умови використання повністю дифузно відбиваючої світло оболонки і забезпечити, при цьому, належність показника експоненти інтервалу значень 0,060,16. Розроблені принципи інженерії координатної чутливості в довгомірних сцинтиляторах дозволили задовольнити вимогам специфікації до проекту й отримати СПЧД, гістограма розподілу яких за показником "відтворювання" закону розподілу світлового виходу вздовж детекторів подібна наведеному на рис.4 для детекторів GLAST.

Експериментальним підтвердженням оптимальності розроблених методів створення СПЧД служать і результати аналізу даних з геометричних розмірів кристалів для обох проектів. Вони показали, що в середній частині кристалів, де вплив крайових ефектів на закон розподілу виходу світла відсутній, розмір на 0,04мм (дисперсія розподілу становить 0,068) менший за номінальний. Біля торців кристалів, де вплив ефекту найбільш виражено, методи його компенсації призвели до відхилення розміру від номінального на 0,06мм (дисперсія розподілу 0,085). Спроможність витримувати геометричні розміри в досить обмеженому інтервалі допусків для таких кристалів, як CsI(Tl), доводить, що ефект позиційної чутливості за розроблених принципів її інженерії в традиційних сцинтиляторах досягається за прийнятно малої кількості механічних обробок поверхонь кристалів, і забезпечує необхідні якості СПЧД.

Практичне застосування розроблених методів створення СПЧД дало змогу сформулювати і більш тонкі критерії селекції кристалів, порівняно з визначеними в розділі 3. Вони ґрунтуються, в переважній мірі, на даних статистичного аналізу досконалості і методики, і детекторів. Вивчення результатів тестування настільки великої кількості детекторів дало змогу уточнити і деякі характеристики кристалів, які є визначальними в виробництві такого роду детекторів. Так, визначено, що концентраційна залежність виходу світла має більш вузьке плато оптимальних значень, в порівнянні з традиційним. Досліджено механізми, що зумовлюють зростаючу та спадаючу частини отриманої залежності. Зростаючу частину кривої зумовлює градієнт активатору вздовж кристалу, а спадаюча визначається зростанням коефіцієнту поглинання активаторного свічення, оскільки характер його поведінки з прийнятною точністю апроксимується експонентою (показник експоненти 14,5), що суттєво відрізняє його від закону концентраційного тушіння. Для кристалів невеликих розмірів й таких концентрацій Tl поглинання ще непомітно. Визначено також, що концентрація активатора в значній мірі впливає на дисперсію розподілу детекторів за показником їхнього загального світлового виходу.

В завершення слід добавити, що гама-телескоп AGILE в квітні цього року виведено на космічну орбіту. Запуск телескопу GLAST заплановано на грудень місяць 2007 року.

Основні результати й висновки роботи

В роботі розроблено принципи і методи створення позиційно-чутливого довгомірного детектору, які ґрунтуються на управлінні умовами збирання світла сцинтиляцій вздовж кристалу, а також принципи інженерії позиційної чутливості в довгомірних детекторах на основі монокристалів CsI(Tl) та CsI(Na), які забезпечують збереження їх характеристик при зміні типу і геометрії фотоприймачів та мінімізацію негативного впливу на них крайових ефектів.

1. Показано, що на основі одномірного довгомірного сцинтиляційного кристалу може бути створена позиційно-чутлива система детектування радіації. Запропонована модель позиційно-чутливого детектора на основі довгомірного сцинтилятору з розподілом амплітуд оптичного відгуку, який монотонно зменшується по мірі віддалення координати сциниляційних спалахів від торця з фотоприймачем.

2. Результатами математичного моделювання і експериментальних досліджень (на прикладі монокристалів CsI(Tl) та CsI(Na)) доведено, що шляхом варіації умов збирання світла за рахунок особливої обробки поверхні кристалів і селекції відбиваючих світло покриттів, досягається координатна чутливість сцинтиляційних детекторів в широкому діапазоні відношень довжини кристалу до його поперечного перетину.

3. Встановлено критерії відбору матеріалу сцинтилятору (кристалографічна орієнтація, структурна та оптична досконалості, однорідність розподілу властивостей вздовж кристала), які забезпечують виготовлення позиційно-чутливих детекторів.

4. Визначено величини відношення довжини кристалу до його перетину, кут нахилу залежності розподілу амплітуд оптичних відгуків вздовж детектору, величини енергетичного розділення сцинтилятору, які формують оптимальні параметри позиційної чутливості детектору в цілому.

5. Досліджено вплив на позиційно-чутливі властивості довгомірних сцинтиляторів дефектів і механічних напруг, які наведені в кристалах деформацією під час їхньої механічної обробки. Результати дослідження кінетики релаксації механічних напруг дали змогу оптимізувати методику виготовлення СПЧД і прогнозувати поведінку детекторів в процесі експлуатації.

6. Досліджено радіаційну стійкість СПЧД на основі монокристалів CsI(Tl) під дією високих доз радіації. Встановлено, що при дозах до 10 крад ефективність сцинтиляторів змінюється в межах 15-20%, і це дозволяє використовувати їх в астрофізичних експериментах.

7. Визначено критерії, яким повинен задовольняти матеріал сцинтилятору, і які є оптимальні для виготовлення СПЧД з відтворюваними характеристиками на основі кристалів CsI(Tl):

7.1. Встановлено, що концентрація активатора в позиційно-чутливих сцинтиляторах CsI(Tl) з відношенням 9H/D14 повинна належати "плато" залежності від неї виходу світла сцинтиляцій, і не виходити за межі діапазону від 0,092 до 0,114 ваг.%.