Россия
В статье описываются проблемы создания высококачественного сцинтилляционного g-спектрометра с кристаллом CsI:Tl с целью замены спектрометров с кристаллами NaI:Tl, широко применяемых для мониторинга активности воздуха, сбросных вод, прилегающих территорий и других задач. Преимущества состоят в лучшем энергетическом разрешении; гораздо большей сопротивляемости механическим и электромагнитным воздействиям благодаря применению кремниевых фотоумножителей (КФУ) вместо вакуумных фотоэлектронных умножителей (ВФЭУ); значительно большей долговечности вследствии очень низкой гигроскопичности материала. Сильное рассогласование между спектром высвечивания кристалла и спектральной чувствительностью фотокатодов ВФЭУ, относительно большое время высвечивания и сложная многокомпонентная форма световой вспышки делали спектрометры с кристаллами CsI:Tl неконкурентоспособными. В работе описаны приемы построения спектрометра, которые позволили реализовать присущие кристаллу полезные свойства и нивелировать его недостатки. Результатом цикла исследовательских и конструкторских работ стало создание интеллектуального детектора Старк-02. Типичное относительное энергетическое разрешение с кристаллами объемом 45 см3 по линии 662 кэВ источника 137Cs лучше 6,5% в диапазоне температур окружающей среды Q = +10 ÷ +45 °С и не хуже 7,5% в расширенном диапазоне Q = –25 ÷ +55 °С.
сцинтиллятор CsI:Tl, кремниевый фотоумножитель, энергетическое разрешение, собственное разрешение, медленные компоненты высвечивания, формирование детекторных импульсов, быстродействие
1. M.P. Belousov, M.V. Gromyko, O.V. Ignatyev, «Scintillation g spectrometers for use at nuclear power plants (Review)», Instruments and Experimental Techniques, vol. 60, no. 1. pp. 5-24, 2017.
2. M. Grodzicka, M. Moszynski, T. Szczesniak, W. Czarnacki, M. Szawlowski, L. Swiderski, L. Kazmierczak, K. Grodzicki, «Characterization of CsI:Tl at a wide temperature range (-40 to +22 °C)», Nucl. Instrum. and Methods, vol. A707. pp. 73-79, 2013.
3. Игнатьев О.В. Быстродействующие спектрометры с полупроводниковыми детекторами рентгеновского и гамма-излучений: автореф. дис. д-ра техн. наук: 01.04.01. С.-Петербург, 2011. 40 с.
4. Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна: ОИЯИ, 2014. 323 с.
5. V.P. Seminozhenko, B.V. Grinyov, V.V. Nekrasov, Yu.A. Borodenko, «Recent progress in the development of CsI(Tl) crystal-Si-photodiode spectrometric detection assemblies», Nucl. Instrum. and Methods, vol. A537. pp. 383-388, 2005.
6. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В., Калинин А.И., Кушнирук В.Ф. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1989, 344 с.
7. C. Fiorini, A. Longoni, F. Perotti, «New detectors for y-ray specroscopy and imaging, based on scintillators coupled to silicon drift detectors», Nucl. Instrum. and Methods, vol. A454. pp. 241-246, 2000.
8. T. Ikagawa, J. Kataoka, Y. Yatsu, T. Saito, Y. Kuramoto, N. Kawai, M. Kokubun, T. Kamae, Y. Ishikawa, N. Kawabata, «Study of large area Hamamatsu avalanche photodiode in a g-ray scintillation detector», Nucl. Instrum. and Methods, vol. A538, pp. 640-650, 2005.
9. Белоусов М.П., Горбунов М.А., Дудин С.В., Игнатьев О.В., Морозов С.Г., Пулин А.А. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр Старк-01//Аналитика и контроль. 2011. Т. 15. N 4. С. 429-438.
10. P. Buzhan, B. Dolgoshein, L. Filatov, A. Ilyin, V. Kantzerov, V. Kaplin, A. Karakash, F. Kayumov, S. Klemin, E. Popova, S. Smirnov, «Silicon photomultiplier and its possible applications», Nucl. Instrum. and Meth. in Physics Research, vol. A504, pp. 48-52, 2003.
11. M. Grodzicka, M. Moszynski, T. Szczesniak, M. Szawlowski, D. Wolski, J. Baszak, «MPPC Array in the Readout of CsI:Tl, LSO:Ce:Ca, LaBr:Ce, and BGO Scintillators», IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 59, no. 6, pp. 3294-3303, 2012.
12. Игнатьев О.В. Способ увеличения быстродействия спектрометров ионизирующих излучений с полупроводниковыми и другими детекторами без внутреннего усиления. Патент РФ N 2392642. 2010.
13. F.S. Goulding, D.A. Landis, N.W. Madden, «Design philosophy for high-resolution rate and throughput spectroscopy systems», IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. NS-30, no. 1, pp. 301-310, 1983.
14. R.P. Sallen, E.L. Key, «A Practical Method of Designing RC Active Filters», IRE Trans., vol. 1, pp. 74-85, 1955.
15. P.W. Nicholson, Nuclear Electronics, J. Wiley & Sons, Inc., 1974.
16. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь. 1982. 624 c.
17. Игнатьев О.В., Дудин С.В., Пулин А.Д. Устройство таймирования спектрометрических импульсов. Патент РФ N 2098842. 1997.
18. G.P. Westphal. Method of and system for determining a spectrum of radiation characteristics with full counting-loss compensation. US Patent N 4,476,384. 1984.
19. J.D. Valentine, D.K. Wehe, G.F. Knoll, K.E. Moss, «Temperature dependence of CsI(Tl) absolute scintillation yield», IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 40, no. 4, pp. 1267-1274, 1993.
20. F.V. Finkel, I.A. Krainukovs, V.S. Litvinsky, V.V. Gostilo, «Performance stabilization of scintillation spectrometers for aerosol monitoring», Nuclear Technology and Radiation Protection, vol. 34, no.№1, pp. 72-78, 2019.
21. L.J. Meng, D. Ramsden, V.M. Chirkin, V.N. Potapov, O.P. Ivanov, S.M. Ignatov, «The design and performance of a large-volume spherical CsI(Tl) scintillation counter for gamma-ray spectroscopy», Nucl. Instrum. and Meth. in Physics Research, vol. A485, pp. 468-476.
22. F. Licciulli, I. Indiveri, C. Marzocca, «A Novel Technique for the Stabilization of SiPM Gain Against Temperature Variations», IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. 60, no. 2, pp. 606-611, 2013.
23. Игнатьев О.В., Белоусов М.П., Морозов С.Г., Громыко М.В. Способ подавления лавинного шума в спектрометрах с медленными сцинтилляторами и кремниевыми фотоумножителями. Патент РФ N 2593617. 2016.
