Примечание - постоянная времени высвечивания, Аi - вклад разных компонент в общий световыход; А1+А2 -суммарный вклад быстрых компонент.
Как видно из этих рисунков, основной вклад в полный световыход кристалла вносят медленные компоненты с ~ 1.4 0.12 мкс и амплитудой А = (5.10.5)%, 5.0 0.4 мкс (291.2) % и 15.80.5 мкс (652.7) % для -квантов и 1.00.04 мкс (60.2) %, 4.60.2 мкс (350.6)% и 15.20.3 мкс (582.5) % для -частиц.
Интересным фактом является впервые обнаруженное в данной работе существование при комнатной температуре быстрых компонент сцинтилляционного свечения кристаллов СаМоO4. Для более детального изучения быстрых компонент были использованы данные, полученные с помощью быстродействующего времяцифрового преобразователя.
Кинетика высвечивания быстрых компонент сцинтилляций представлена на рис. 3 и 4.
Как видно из рис.4, можно выделить две составляющие с временами высвечивания 15 нс и 46 нс для -квантов и 12 нс и 36 нс для -частиц. Вклад быстрых компонент в общий световыход кристалла незначителен -1% от общего световыхода кристалла.
Рис.4. Кинетика высвечивания быстрых компонент сцинтилляционного свечения кристалла СаМоO4 в диапазоне 0-450 нc при его облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu (), -квантами от источника 137Cs(). 1 и 3- фитирующие кривые с постоянными времени соответственно 12 и 36 нс для спектра, полученного при облучении -частицами; 2 и 4- 15 и 46 нс, при облучении -квантами
В третьей главе представлены результаты измерения светового выхода сцинтилляционных кристаллов СаМоО4. Измерение светового выхода данного кристалла представляет определенные технические трудности, поскольку характерная постоянная времени световой вспышки составляет ~15 мкс и реальный сцинтилляционный импульс, зарегистрированный фотодетектором, представляет собой набор выходных импульсов фотодетектора с амплитудами близкими к однофотоэлектронным.
Пример импульса с кристалла СаМоО4 на нагрузке от ФЭУ 50 Ом, представлен на рис.5.
Предварительно были измерены спектр излучения и показатель преломления кристалла CaMoO4. Исследуемый кристалл имел размеры 24,7Ч24,7Ч26,7 мм3. Все грани кристалла тщательно отполированы. Измерения спектра излучения кристалла CaMoO4 были выполнены при облучении кристалла световыми импульсами от ультрафиолетового светоизлучающего диодом (светодиода) UVTOP255-FW-TO39 с максимумом спектра излучения на длине волны л = 255 нм.
Рис. 5. Пример импульса с кристалла СаМоО4
Спектр излучения кристалла определялся с помощью набора интерференционных фильтров и измерений отклика хорошо прокалиброванного фотодиода (МРП ЛФД). Результаты измерений спектра излучения данного кристалла представлены на рис. 6.
Рис.6. Спектр излучения кристалла CaMoO4
Таким образом, кристалл CaMoO4 характеризуется довольно широким спектром излучения, который простирается от 400 нм до 700 нм и более, с максимумом в диапазоне длин волн 540-570 нм. По сравнению с другими кристаллами (NaI) сдвинут в красную область.
Другим важным параметром кристалла является его показатель преломления. Прямые измерения показателя преломления кристалла CaMoO4 были выполнены по схеме, основанной на измерении угла отклонение и от первоначального направления пучка света после прохождения через кристалл. Для измерений использовались узкие коллимированные пучки света диаметром ?0,5 мм от источников на основе светодиодов и лазерного диода, излучающих в диапазоне длин волн 520-655 нм.
Значения показателя преломления n определялись из следующей формулы:
и=Ш+arcsin{nЧsin[б-arcsin(sin(Ш/n))]}-б (1)
где и - угол отклонения светового пучка от первоначального направления после прохождения кристалла; Ш - угол падения светового пучка на грань кристалла; б - угол, образованный гранями кристалла. В нашем случае б =90°. Получено, что кристалл имеет довольно высокий показатель преломления в диапазоне длин волн 520-650 нм: n = 2,10 0,10.
Функциональная схема измерительной системы для исследования световыхода кристалла CaMoO4 показана на рис. 7.
Кристалл просматривается со стороны одной из граней фотоэлектронным умножителем марки XP5301B производства фирмы Photonis. Остальные грани кристалла покрыты диэлектрической пленкой VM2000 производства фирмы 3М с высокой отражательной способностью (~100%) в диапазоне длин волн сцинтилляционного излучения кристалла. Оптический контакт между исследуемым кристаллом и ФЭУ осуществляется с помощью оптической смазки Bicron BC-600 с показателем преломления n =1,58. Анодные импульсы ФЭУ. поступают на вход спектрометрического усилителя-формирователя У (CANBERRA 2010) с постоянными времени интегрирования и дифференцирования равными ~12 мкс.
Рис.7. Функциональная схема измерительной системы для исследования световыхода кристалла CaMoO4: РИ - радиоактивный источник; Сц - сцинтилляционный кристалл СаМоО4; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель XP5301B фирмы Photonis; ОК - оптический контакт; О - отражатель; ОД - оптическая диафрагма; У - усилитель- формирователь CANBERRA 2010; АЦП - аналого-цифровой преобразователь POLON 712;
КК - крейт-контроллер КК-009;
ПК - персональный компьютер IBM- PC/AT-i486
Выходные импульсы усилителя подаются на вход многоканального анализатора импульсов, выполненного на основе 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя POLON 712, крейта КАМАК, крейт-контроллера КК-009 и персонального компьютера IBM-PC/AT-486i. Кристалл облучается г-квантами с энергиями 662 кэВ от радиоактивного источника 137Cs или б-частицами с энергиями ~5,5 МэВ от источника 241Am.
Значение абсолютного световыхода кристалла в единицах [фотон/МэВ] находится по формуле:
Y = Npe / (оЧзЧеЧкб,в Чц), (2)
где о - эффективный коэффициент сбора фотоэлектронов на динодную систему ф.э.у.; з - квантовая эффективность фотокатода ФЭУ, усредненная в диапазоне длин волн 400- 720 нм; е - коэффициент сбора сцинтилляционных фотонов на фотокатод ФЭУ; кб,в - параметры, показывающие какая доля сцинтилляционных фотонов собирается за время интегрирования усилителя ф = 12 мкс при облучении кристалла б-частицами (кб) либо г-квантами (кв); ц - коэффициент, нормирующий энергию на 1 МэВ.
Для определения абсолютного световыхода кристалла необходимо хорошо знать зависимость эффективной квантовой эффективности ФЭУ, использовавшегося в измерения (XP5301B), от длины волны света.
Измерения этой зависимости проводились с помощью наборов интерференционных фильтров и светодиодов, излучающих на длинах волн от 400 нм до 700 нм, и калиброванного ФЭУ XP3112B. Значение эффективной квантовой эффективности ФЭУ XP5301B, усредненной по спектру излучения кристалла (см. кривую на рис.6), составляет з ~ 20%. Следует отметить, что данный ФЭУ характеризуется высокой эффективностью сбора фотоэлектронов на динодную систему - о ?100%. Измерения зарядового спектра однофотоэлектронных импульсов данного ФЭУ показывает, что квадрат относительной дисперсии коэффициента усиления G этого ФЭУ равен (уG/G)2~0,2. Прямые измерения коэффициента сбора фотонов е в данном кристалле на фотокатод ФЭУ, проведенные с использованием зелено-желтого светодиода с лmax = 560 нм, показывают, что эта величина равна приблизительно ~0,85.
Кинетика сцинтилляционного свечения кристалла CaMoO4 имеет сложный многоэкспоненциальный характер, при этом основной вклад вносят медленная компонента с постоянной времени порядка 15.2 мкс для б-частиц и 15.8 мкс для г-квантов. Таким образом, при времени интегрирования усилителя ф = 12 мкс собирается только кв ? 66% сцинтилляционного света кристалла при облучении г-квантами, а для б-частиц - к ? 71%. Значение коэффициента ц для г-квантов от 137Cs равен 0,662.
На рис. 8 показаны энергетические спектры при облучении г-квантами и б-частицами. Фитирующие кривые были использованы для выделения пика полного поглощения для г-квантов от 137Cs.
Рис. 8. Энергетические спектры кристалла СаМоО4 при облучении г-квантами от 137Cs ( Е- 661 кэВ) и б-частицами 241Am (Е-5500 кэВ)
Аппроксимирующие кривые были использованы для выделения пика полного поглощения. Значение Npe определяется из известной формулы:
А/A=[2.36(1+(уG/G)2)1/2]/(Npe)1/2 , (3)
где (А/A) - разрешение пика; (уG/G) - относительная дисперсия коэффициента усиления ФЭУ- G. Разрешение этого пика составляет 22,6%, что соответствует числу фотоэлектронов (ф.э.) Npe = 153,7 ф.э.. Соответственно, абсолютный световыход сцинтилляционного кристалла CaMoO4, вычисленный по формуле (2) с учетом всех измеренных параметров, равен Y = 2200 фотонов/МэВ при облучении г-квантов при комнатной температуре 22°С.
Сравнение пика полного поглощения и пика, обусловленного б-частицами, позволяет определить б/в-отношение для этого кристалла. Это отношение с учетом различий в кинетике сцинтилляционного свечения (коэффициенты кб,в) и энергий г-квантов и б-частиц составляет б/в=0,25.
В процессе последующей работы были получены новые образцы кристаллов, выращенные по более совершенной технологии. Световыход этих кристаллов был на 30 % выше полученного в первоначальных измерениях. Результаты представлены на рис. 9
Рис.9. Сравнение светового выхода различных образцов кристаллов СаМоО4
И окончательно световой выход составляет 2600 фотонов/МэВ.
В четвертой главе исследована температурная зависимость формы импульса и светового выхода сцинтилляционных кристаллов СаМоО4.
Поскольку форма импульса изменяется с изменением температуры, примененный ранее метод измерения световыхода (Глава 3) неприменим в виду используемого формирователя импульса. В данном случае был использован метод прямого интегрирования токового импульса, регистрируемого диджитайзером. Для обработки импульсов было разработано специальное программное обеспечение.
Эта зависимость вместе с исследованием световыхода была исследована на установке рис. 10
Рис.10. Функциональная схема измерительного стенда для исследования зависимости формы импульса и амплитуды кристалла СаМоО4 от температуры: 1 - медные хладопроводы; 2 - сосуд Дьюара заполненный жидким азотом; 3- Радиоактивный источник 238Рu; 4 - низкотемпературный термометр; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель XP5301B фирмы Photonis; У - интегральный усилитель ORTEC model 450; Д - диджитайзер Acqiris Digitizer; ПК - персональный компьютер Pentium 3
Температурная зависимость сцинтилляционных свойств кристалла исследовалась в промежутке - 100 +23 0C. Кристалл и ФЭУ были помещены в сосуд Дьюара в области паров жидкого азота. Температура в точке нахождения кристалла измерялась низкотемпературным термометром. При помощи медных хладопроводов, изменяя их количество, положение и погружение до определенного уровня в жидкий азот, регулировалась температура в точке нахождения кристалла. Оптический контакт исследуемого кристалла с фотокатодом фотоэлектронного умножителя ФЭУ осуществляется без оптической смазки, т.к. при низких температурах смазка замерзает и может изменять свои свойства. Все боковые стороны кристалла покрыты светоотражающей пленкой VM2000 (на рисунке не показана) толщиной 100 мкм. Измерения проводились при облучении -частицами с энергиями 5.5 МэВ от изотопа 238Рu. Радиоактивный источник устанавливается на боковой грани исследуемого кристалла. Для измерений с -частицами на торцевую грань помещается тефлоновая пластинка с коллимирующим отверстием диаметром 1 мм. ФЭУ - фотоэлектронный умножитель XP5301B производства фирмы Photonis.
Для правильной работы диджитайзера (правильного стробирования импульсов) между диджитайзером Д и выходом ФЭУ включен интегрирующий усилитель У. Оцифрованные диджитайзером данные считывались в персональный компьютер ПК. Результаты измерения зависимости формы импульса кристалла СаМоО4 от температуры представлены на рис.11
Рис.11. Зависимость формы импульса кристалла СаМоО4 от температуры при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu (Еб ~ 5,5 МэВ)
Как видно из рисунка длительность импульса при изменении температуры от +23 С до - 100 С изменяется приблизительно в 2 раза.
На рис. 12 и 13 показана зависимость световыхода кристалла СаМоO4 при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu в диапазоне температур от +23 до -100 градусов.
Рис.12. Зависимость амплитуды импульса кристалла СаМоО4 от температуры при облучении -частицами от радиоактивного источника 238Рu (Еб ~ 5,5 МэВ)
Из рисунков видно, что световыход при изменении температуры от +23 до -100 градусов увеличивается в 2,5 раза без учета зависимости квантовой эффективности от температуры, которая при уменьшении температуры, как правило, уменьшается, и увеличение световыхода при понижении температуры может быть еще выше.
Таким образом, окончательно максимальный световой выход составляет не менее 6500 фотонов/МэВ. Что обеспечивает достаточно высокое разрешение для измерения двойного бета-распада 100Мо.