Методы сцинтилляционной спектрометрии в позитронной диагностике вещества тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

.. - с ■ йЬ и'3

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БЕЛЯЕВ ВЛАДИШ? ШШГИЧ

МЕТОДЫ СЩНИШШЦИОННОП СПЕКЕРОШТШ В ПОЗЮТОННОЙ ДИАГНОСТИКЕ ВЕЩЕСТВА •

oi.o4.oi - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических ааук

Автор:

Москва* 1392

•Работа выполнена в Московском Инженерно-физическом институте

Официальные оппоненты: доктор фйзико-матемагическкх наук,

академик Л.М.Барков, доктор фнзико-математическех наук, В.А.Аксенов,

доктор физико-математических наук, профессор В.И.Рыкалин. Ведущая организация: Институт экспериментальной и теоретической физики (ИГЭФ)

Защита состоится _" ЛХУОУи^ 1992 г. в ^ часов

на заседании специализированного сове га Д053.03.05 в Московском.инженерно-физическом институте по адресу: И5409, Москва, Каширское шоссе, д.зг., тел.з24-84-98. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять.участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации. Автореферат разослан " £ " 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Климатов.

ПсдаксаЕО в лечаэь ¿$. О1'- Заказ. Тщ>ах ¿00

...........- 3 - ' '■ '

I. ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Получение количественных данных об энергии й импульсе аннигилирующей в веществе электрон-позитронной пары, а также времени жизни медленных позитронов открыло доступ к уникальной информации об электронной структуре вещества и становлению нового ядерно-физического метода - Позятронзой диагностики вещества.

В течении последних двух десятилетий область применения -метода дозитронной диагностики вещества значительно расширилась и к настоящему времени сформировалось четыре основных направления исследований:

- изучение особенностей электронной структуры металлов и сплавов; изучение топологии поверхности Ферми в таких соединениях, где традиционные метода, основанные на квантовых осцил-ляциях, не эффективны.

- позитронная дефектоскопия, т.е. изучение "неоднороднос-тей" кристаллической структуры вещества, к которым относится широкий класс дефектов от точечных до накродефектов. В этой области метод позволяет получать не только количественную информацию по концентрации дефектов, но и способен различать типы дефектов.

- позитронная диагностика поверхности, т.е. изучение электронной структуры на Переходе поверхность-образец, эпитак-сиальных пленок и гетерогенных многослойных структур.

- позитронное микрозондирование неоднородностей кристаллической структуры.

До 7о-х годов оставался нерешенным целый ряд вопросов, имеющих кардинальное значение для .понимания фундаментальных свойств электронной структуры вещества при применении метода позитронной диагностики.

На первом месте среди нерешенных проблем, безусловно, стоял вопрос об энергетическом разрешении спектрометров при определении энергии и импульса атшгилирувдей в веществе электрон-позитронной пары- Несмотря на то, что в последние деа десятилетия был создан ряд спектрометров угловой корреляции аннигиляционяшс гамма-квантов как одно-,так и двухкоор-динатных, их разрешение было не лучше о.з мрад и совершенно

отсутствовали идеи по улучшению их разрешения хотя бы в несколько раз. С другой стороны, было очевидно, что улучшение пространственного разрешения спектрометров и локализация ( за счет использования пучков медленных позитронов ) области аннигиляции позитронов в исследуемом образце открывали принципиальную возможность получения, высокого (~о.оо1 ку) энергетического разрешения дри.измерениях энергии электронов вещества, недоступного другим известным методам диагностики электронной структуры вещества.

Оставались нерешенными вопроса по'влиянии геометрических размеров пучка позитронов и исследуемого образца, профиля распределения позитронов в исследуемом образце, процессов, происходящих при регистрации аннигиляционного излучения, на пространственное , временное и энергетическое разрешение спектрометров позитронной диагностики. Природа распорядилась так, что в настоящее время не представляется возможным экспериментальным путем определить приборные функции как спектрометра времени' жизни медленных позитронов, так и угловой корреляции аннигиля-даонных гамма-квантов. Влияние этой важнейшей характеристики на точность получаемых результатов столь велико, что остро ставилась проблема поиска путей ее определения.

Вопрос точности определения времени жизни позитронов оставался главным критерием, предъявляемым к существующим и вновь создаваемым спектрометрам времени жизни позитронов. Создание спектрометров с высоким (предельным) временным разрешением требовало тщательного рассмотрения методов ядерной спектрометрии аннигиляционного излучения, используемых для "временных" измерений, и выбора оптимальной- схемы измерения пикосекунд-нык временных интервалов. Задача осложнялась отсутствием критериев, предъявляемых к временным, амплитудным и энергетическим характеристикам детекторов, используемых, для спектрометрии аннигиляционного излучения, и.к временным параметрам электроники спектрометров.

Актуальной задачей оставался и вопрос определения числа каналов аннигиляции позитронов в исследуемом веществе непосредственно, из экспериментальных спектров без привлечения априорной информации. Не-существовало методических разработок подхода к

определению приборной функции эторо типа спектрометров с учетом особенностей реального'эксперимента, которые существенно изменяли не только значение ширины приборной функции на полувысоте, но и ее форму. В силу этого было необходимо разработать методику определения числа экспоненциальных компонент, создать математический аппарат, способный описать процессы, происходящие при спектрометрии аннигилящюнного излучения для извлечения информации о времени яизни позитронов и разработать статистически обоснованные метода описания экспериментальных спектров времени жизни позитронов.

Несмотря на многообразие объектов, в которых методом позит-ронной диагностики исследовалась электронная структура вещества, в последние годы все более четко вырисовывалась тенденция перехода от исследования простейших металлов, ионных кристаллов, полупроводников к сложным соединениям, таким как сплавы, стекла, высокотемпературные сверхпроводящие керамики. При этом наибольшая сложность была связана с необходимостью улучшения энергетического разрешения спектрометров и повышения статистической точности в экспериментальных спектрах. Анализ показывал, что дальнейшее развитие метода позитронной диагностики и расширение области его применения требовало решения проблемы повышения светосилы спектрометров, улучшения их энергетического, пространственного и временного разрешения. Для выработки требований, предъявляемых к спектрометрии аннигиляционяого излучения, возникла необхода/ость изучения сложных объектов методом позитронной диагностики. Выбор самих объектов исследования ( физического воздействия на- них) диктовался также интересом получения новой информации об электронной структуре вещества.

Таким образом, в области спектрометрии аннигилядаонного излучения в позитронной диагностики вещества существовало значительное число нерешенных задач - от фундаментальных до чисто прикладных.

Цель диссертационной работа состояла в экспериментальном изучении процессов, происходящих при аннигиляции позитронов в сложных соединениях и веществах, для выработки требований К методам спектрометрии аннигиляционного излучения и методам математической обрабойы эЕспзрызщЕаяьшх спектров, а также получения

- « -

новых результатов для расширения области применения позитронной диагностики вещества; экспериментальном и теоретическом изучении физических процессов при сцшгшляяционеой спектромеФршг аннигиля-ционного излучения для улучшения энергетического, пространственного и временного разрешения спектрометров, используемых в методе позитронной диагностики; разработке математического аппарата, описывающего процессы при сцинтилляционной спектрометрии аннигиляци-онного излучения; разработке на базе этого аппарата новых методов спектрометрии и создании современная спектрометров, обладающих высокой светосилой и просганственным разрешением.

Основные результаты работы: х. Создан ряд спектрометров угловой корреляции аннигиляцион-ных гамма-квантов, как одаокоординатшх, так и двух. Проведена их калибровка. С учетом калибровок определены рабочие характеристики спектрометров. Предложен и создан новый однокординатный широкоапертурный сцинтилляциошшй детектор ашигиляциошых гамма-квантов на тонких пластических сцингилляторах.

IX. Исследованы характеристики фотоэлектронных умножителей, го до скошгче сккх фотоумножителей, микроканальных пластин и фотоумножителей на шкроканальных пластинах для определения их возможностей при спектрометрии аннигилядаонного излучения. Предложена и отработана методика достижения предельного собственного временного разрешения фотоумножителей. Проведен сравнительный • анализ характеристик сдинтояторов, используемых для создания спектрометров. Показаны преимущества использования быстрых сцин-тилляторов в спектрометрии эннигиляционного излучения в спектрометрах угловой корреляции энншгиляционннх гамма-квантов. Бы- -работаны критерии, предъявляемые к сцинтилляционным' детекторам, для достижения предельного временного разрешения. Проведен сравнительный анализ параметров спектрометров времени кизни медленных позитронов, собранных по "быстро-быстрой" и "быстро-медлен-нойп схемам измерения пикосекундяых временных интервалов.

т. Впервые показана возможность использования оптических световодов для задержки времени прихода света сцинтилляционной вспышки на фотокзтод ФЭУ для. создания двухкоординатных детекторов аЕЕИгшшщюяных гаша-квантов-. Создан сцинтилляцнохшый даух-координатннй детектор аннигиляционних гамма-квантов. .Предложен

- ^ -

новый метод спектрометрия жестких аннигиляционных гамма-квантов с высоким-пространственным разрешением. Создан однокоординатный сщгатилляциошшй детектор аннигиляционных гамма-квантов с высоким пространственным разрешением (~50 мкм).

XV. Изучена зависимость параметров спектров времени жизни медленных позитронов и угловой корреляция агшигиляционных гамма-квантов-в различных модификациях кварца, радационно-окрашенных лазерных кристаллах и стеклах, алшо-йттриевых гранатах, активированных ионами иа^ , иояно-облученяых сталях, фосфид-галлие-вых полупроводниках и ВТСП керамиках.

v. Разработан математический аппарат моделирования процессов, происходящих при сцинтшшщионной спектрометрии аннигиляцион-ного излучения, который позволил провести математические эксперименты при решении задачи создания современных спектрометров для гозитронной диагностики вещества. Проведены расчета и сравнение их с ранее известными, либо полученными в ходе выполнения работы экспериментальными результатами. Разработана методика аналитического расчета приборной функции спектрометра угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов с длиннощелввой геометрией. Прове- . депо сравнение результатов расчета- с результатами математического моделирования и экспериментального измерения для образцов льда, имеющего узкую компоненту (~1мрад) в спектре угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов. Разработаны статистически обоснованные метода математической обработки спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов и времени жизни медленных позитронов.

Научная новизна работы.

Предложен новый метод спектрометрия ащдашшшюшюго иэлу-гешгя для достижения высокого ( лучвд зо. мкм ) пространственного разрешения. ■ '

Впервне создан пироапзртурный светоишшй сдантсшяцаошзый: детектор аннигиляционных гамма-квантов с высокой («V 48%) эффек- -сивностыо регистрации аннигиляцнонадх гамма-квантов, позволяющий {а два порядка увеличить быстродействие стандартных спектрометров ггловой корреляция аннигиляционных гамма-квантов с ддшнощелевой 'эомзтрией.

- £ -

Впервые разработана методика определения числа экспоненциальных компонент в спектрах времени жизни позитронов без привлечения априорной информации и предложен метод определения параметров приборной функции непосредственно из экспериментального спектра.

Впервые разработана методика аналитического расчета и математического моделирования приборной функции спектрометров угловой корреляции аннигаляционных гамма-квантов с длшшоаелевой геометрией.

Впервые экспериментально обнаружена зависимость параметров аннигиляции позитронов в бар, легированном ионами переходных металлов группы железа, от числа не спаренных электронов примеси.

Впервые методом угловых корреляций аншгиляционных гамма-квантов доказано отсутствие аномального поведения в характеристиках аннигиляции позитронов в области сверхпроводящего перехода ува2си3с^керамик. Установлен характер поведения параметров аннигиляции позитронов в зависимости от содержания кислорода в этих керамиках- Высказано предположение о нефононном механизме сверхпроводимости в этих соединениях.

Впервые в нашей стране разработан и создан двухкоорди-натный спектрометр угловых корреляций аннигаляционных гамма-квантов.

Впервые в стране созданы спектрометры времени жизни позитронов с временным разрешением лучше зоо пс.

Научная и практическая ценность результатов работы?

- создана серия специальных спектрометров угловой корреляции аннигилящгонньп: гамма-квантов, "с помощью которых подучены новые экспериментальные результаты при исследовании электронной структуры вещества методом позитронвой диагностики;

- разработана методика создания спектрометров времени жизни с высоким временным разрешением;

- новый метод спектрометрии анншшяционного излучения с высоки.! пространственным разрешением может быть использован как в рентгеновской ж гозитронной томографии, так и при проведении экспериментов по каналированию .заряженных частиц в кристаллах.

- созданы спектрометры с двухкоордшатшда детекторами аннитиляционных гамма-квантов, что-позволило проводить изучение

- 9 -

поверхности Ферми металлов и сплавов;

- созданы светосильные широкоапертурные детекторы аннигиляционного излучения, что существенно'дополнило возможности , метода в области изучения динамики образования радидаонных и структурных дефектов твердого тела;

• - созданы однокоординатнне сцинтилляционные детекторы ашшгилш^онных гамма-квантов с высоким пространственным разрешением, что-сделало реальным создание нового класса спектрометров, позитронной диагностики с высоким о.оох иу) энергетическим разрешением.

Таким образом, итогом данной диссертационной работы является решение таких научных проблем, как разработка новых методов спектрометрии аннигиляшгонного излучения, экспериментальное исследование электронной .структуры сложных веществ методом гозит-роннойдиагностики д.создание современных спектрометров,4 обладающих уникальными характеристиками.

Автор-выносит на защиту следующие положения:

1. Новый метод определения пространственного распределения ионизирующего излучения с высоким пространственным-разрешением.

2. Методику создания однокоордайатного сшштилляционного детектора аннигиляционного излучения с высоким (лучше юомкм) пространственным разрешением.

3. Методику создания ащюкоапергурных детекторов аннигиляционного излучения и-результаты калибровок этих детекторов на пучке гамма-квантов и экспериментального измерения двухкоорда-наткых спектров угловой корреляции аннигиляционных гаммз-кван-тов.

4. Результаты измерения характеристик сцинтилляционных детекторов, созданных на базе неорганических кристаллов и пластических сцинтиллятороз, оптически сочлененных с ФЭУ, ГФЭУ и ФЭУ-ИКП. Методику получения предельного временного разрешения сцинтилляционных детекторов, используемых при' спектрометрии аннигиляционного излучения.

5. Методику-расчета приборной функции спектрометра угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов с длиннощелевой геометрией и результаты ее экспериментальной проверки. -

6. Методику определения приборной функции спектрометра времени жизни медленных позитронов и числа каналов аннигиляции позитронов, в веществе.

7. Методику математической обработки экспериментальных спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов»

8. Результаты экспериментального изучения электронной структуры методом позитронной диагностики в кварце, сталях, ЙАГ:ш3+, Gap и керамиках VBa2cuac^. "

э. Математический аппарат моделирования процесса спектрометрии аннигиляционного излучения сцинтшшщионными детекторами и результаты расчета параметров сцинтюшщионных детекторов, используемых в разработанных и созданных спектрометрах времени жизни медленных позитронов и угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов.

Аппробация работы.

Результаты работы докладывались на научных семинарах ШФИ, ИТЭФ, ИРАЭ (г.'.Ташкент); научных конференциях МИФИ, сессиях отделения ядерной физики АНСССР {iss2,i9s6,i988 г.г.); семинарах "Позитронная аннигиляция в твердых телах" {г.Киев, 19зэ г.) и "Развитие и применение позитронной диагностики" <г.Ташкент, 1984Г.); Всесошных совещаниях "Автоматизация исследований в. ядерной физике и смежных областях" (г.Алма-Ата, 1Э78 г., и г.Ташкент в lase г.); хххх, XXXII и XXXIV .Всесоюзных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (г.Киев в 1981 г, г.Киев в 1982, г.Алма-Ата в 1984 г.); Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г.Баку в 1эб2 г.); i-ой и 2-ой Всесосз-ной конференции по ВТСП (г.Харьков в гэав г. и г.Киев в 1эаэ г.); "Международном семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (г.Дубна в 19В9Г.); в-ой Международной конференции по аннигиляции позитронов (г.Гент в 1988 г.).

Публикации. Диссертация основана на работах, опубликованных . в период с 1976 по 1991 г.г. в советских а зарубежных журналах; материалах Международных ж Всесоюзных конференций, семинаров; препринтах МИФИ, ИГЭФ; сборниках научных трудов МИФИ; отчетах МИФИ, депонированных в ВНИТЦ. Количество работ по теме дисстертацки, опубликованных за этот период и использованных в диссертации, составляет 56, из них 29 основных приведены в автореферате. Пол-

ннй список работ с участием автора содержит Солее 70 наименований.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литература. Кавдая глава снабжена кратким резюме ее. содержания. Основные вывода диссертации приведены в заключении. Обьем диссертации составляет страниц, в том числе И5 рисунков, зз таблицы» 256 наименований цитированной литературы.

III.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В течение последних двадцати лет метод позитронной диагностики, основанный на экспериментальном наблюдении изменения характеристик эннигиляционного излучения в результате взаимодействия медленных позитронов с электронага среда, утвердился как мощный инструмент "зондирования" электронной структуры вещества. Фундаментальные основы метода были разработаны в бо-ые года, и в настоящее время имеется ряд теоретических моделей как для описания поведения позитронов в веществе» так и для интерпретации экспериментальных результатов, получаемых из спектров угловой корреляции аннигияяционных. гамма-квантов и спектров Допплеровс-кого уширения аянигилящкшвой линии.

Получение этим методом значимых, количественных характеристик электронной "структуры вещества зачастую ограничивалось временным разрешением спектрометров времени жизни позитронов, пространственным разрешением спектрометров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов и энергетическим разрешением спектрометров Допплеровского уширения аннигиляционной линии. Общим для этих экспериментальных методах вопросом, требующим решения, оставалась корректная математическая обработка экспериментальных спектров. Яе шзнвэла сомнений и необходимость повышения статистической точности получаемых экспериментальных результатов. На фойе этих основополагающих требований все более актуальным становился вопрос о влиянии различных факторов на вид и форму приборной функции спектрометров. Предстояло ответить на вопрос, каким образом можно достичь более высокой точности в этом методе.

В 7о-ые годы, стало очевидным, что дальнейшее развитие метода • позитронной диагностики всецело зависит ,от того, удастся или не удастся сместить предел точности получаемых эксперименталь-

ных результатов.

Проведенный анализ физических основ метода позитронной диагностики позволил в диссертации рассматривать только те принципиальные, точнее сказать, ключевые моменты, от решения которых зависело повышение точности метода позитронной диагностики. Их можно условно разбить на три группы. Это во-первых, - ограничения, обусловленные физикой процесса взаимодействия медленных позитронов с исследуемым веществом. Во-вторых, - ограничения, возникающие из-з.а существущих пределов точности в спектрометрии аннигиляциошого излучения. В третьих,- ограничения, возникшие из статистической природы измеряемых экспериментальных спектров и корректности используемых методов математической обработки экспериментальной информации.

При рассмотрении физических процессов1 взаимодействия позитронов с исследуемым веществом отмечалось, что наибольшее влияние на пределы точности метода оказывают процессы, происходящие при термализации позитронов. Действительно, при измерении -импульсного распределения аннигилирующих электрон-лозитронных пар в веществе методом угловкх корреляций аннигиляцшяных гамма-квантов, точность метода зависит как.от точности локализации позитронов в образце, так и от точности определения им-, пульса двух аннигиляционних гамма-квантов. Понятно, что даже в случае идеального определения их импульса, предел точности метода в целом будет зависеть от точности локализации позитрона в исследуемом образце. ' .

Развитие в ео-9о-ые годы методов получения монохроматических, хорошо сфокусированных пучков медленных позитронов, с площадью сечения от 1 мм2до сотен микрон2, требрвало адекватного улучшения пространственного разрешения детекторов, используемых в спектрометрах угловых корреляций аннигиляционных гамма-квантов.

Что касается методики измерения времени жизни позитронов, то -в диссертации на основе рассмотрения математической модели, описывающей процесс измерения, ж имеющихся экспериментальных данных были сформулированы требования к методам спектрометрии аннигиляциошого излучения. Особо были выделены вопросы, связанные с влиянием вида и формы приборной функции спектрометра, а также методов математической обработка на точность получаемых

............- 13 -

экспериментальнш данных.

Решение проблем, связанных с повышением точности при спектрометрии ашипшщионного излучения, зависело от жесткости требований, предъявляемых к этим методам.

В диссертации задачи развития методов сцинтилляционной спектрометрии формулировались на основа анализа экспериментального изучения аннигиляции позитронов в сложных объектах, позволяющих проявить слабые места существовавшей спектрометрии эннигиляционного излучения. Объектами исследования служили I различйые модификации кварца; алюмо-иттриевые гранаты, активированные ионами на5*; конструкционные стали, подвергнутые различным физическим воздействиям; фосфид-галлиевые полупроводники, легированные ионами переходных металлов группы железа', и высокотемпературные-сверхпроводящие керамики ува2си3о7.

Учитызая, что кривые угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов. в монокристаллах кварца имеют сложную форму с пиками при значениях обратного волнового вектора к , соответствующих границам, зоны Бриллюэна, нами были исследованы различные модификации кварца с целью выбора обьзкта, пригодного для проведения калибровочных измерений на спектрометрах позитронной диагностики. Результаты исследований дали отрицательный результат по возможности использовагшя образцов кварца в качестве материала для калибровки спектрометров. Тем не менее, они позволили сформулировать требования, предъявляемые к методай математической обработки экспериментальных спекгроН времени иизни позитронов и угловой корреляции аннигаляционЕнх гзша-квантов.

Исследование характеристик аннигиляции позитронов в монокристаллах алшо-иттриевых гранатов, активированных ионами неодима (У3д15о12: ыс^) позволило установить высокую чувствительность позитронов к дефектам типа парных ассоциатов иояов ка3+. Показано, что в процессе проста монокристаллов у3а15о,2 : ш3* из расплава при концентрации ионов неодима меньше о. 52 вес %, наблюдается образование Р-центров, т.е. вхождение сверхстехио-ыетрического избытка ионов ш3"*" в уйлы А-тша .решетки граната с замещением ионов . При увеличении концентрации ионов на3* СЕше о.52 Еес.% наблюдается "взаимное влияние", т.е. часть ионов переходит из узлов А подрешетки в С под-

решетку. Это приводит к образованию парных ассоциатов на3+-ыа5+ ( М-центров), когда ионы ш3*располагаются в близлежащих узлах. С-типа). Дальнейшее увеличение концентрации ионов Nds+приводит • только к роЪту концентрации М-центров.

Из анализа результатов обработки экспериментальных спектров угловой корреляции аншгиляционных .гамма-квантов в Y3Ai6o12:Nd&s' была поставлена задача создания нового алгоритма^'математического описания экспериментальных спектров,-импульсных распределений аннигилирующих электрон-позитронных пар, разностных кривых угловой корреляции или восстановленного из экспериментальных данных импульсного распределения ( или его плотности) аннигилирующих е+-. е~пар.

При исследовании конструкционных сталей ЭИ-847, подвергнутых различным физическим воздействиям, было обнаружено аномальное поведение импульсного распределения аннигилирующих электрон-позитронных пар при облучении ионами гелия и водорода с энергией Е =40 кэБ. Проведенный цикл исследований позволил

установить,.что в процессе облучения образцов стали ЭИ-847

<6 is

ионами гелия и водорода при определенных дозах ( ю f з- ю ион/см2) и энергиях ионов ( 40f90 кэБ) происходит образование микропор, заполненных с высокой плотностью гелием и водородом-4 Наблюдается предпочтительная аннигиляция позитронов в этих микропорах. Позитроны аннигилируют с электронами гелия и водорода, тем самым позволяя измерять энергию их электронов.

При анализе возможных объяснений наблюдаемых эксперимен- • тальных результатов было показано, что необходим корректный учет приборной функции спектрометра угловой корреляции анниги-ляционных гамма-квантов при восстановлении импульсного распределения аннигилирующих в.веществе е"4- е~пар.

В процессе создания спектрометров времени жизни позитронов необходимо было сформулировать требования, предъявляемые к спектрометрам и методам математической обработки экспериментальных спектров. С этой целью были исследованы полупроводники Gap, легированные ионами переходных металлов группы железа. Выбор полупроводниковых материалов привлекателен в силу высокой точности определения концентрации дефектов в этих материалах общеизвестными методами.

Шло показано, что поведение интенсивности ,(г2) долгоживу-щей компоненты и среднего времени жизни позитронов при увеличении числа а-электронов примеси имеет сложный характер. При увеличении d-злектронов примеси с i до 4 наблюдается уменьшение 12 и! , а при дальнейшем увеличении числа d-электроков-наблюдается их рост. Было показано, что параметры т и i2 линеййо изменяются при изменении числа "неспаренных" электронов примеси. При этом различие наклона кривой 1гот числа "неспаренных" электронов для одиночной ■примеси и для примесей двух металлов группы железа обьяснялось уменьшением глубины уровня примеси в Gap. Было замечено, что использование второго элемента в качестве легирующей добавки позволяет существенно.уменьшить влияние Ре и мп на свойства полупроводников Gap. -

. Для выработки требований, предъявляемых к энергетическому разрешению спектрометров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов и, следовательно, к пространственному разрешению детекторов, используемых в этих спектрометрах, было проведено исследование высокотемпературных сверхпроводящих керамик увагси3ог. Показано, что для наблюдения изменения поверхности Ферми этих материалов в области сверхпроводящего перехода необходимо использовать пучки монохроматических позитронов с площадью сечения юо мкг?и детекторы аннигиляционных гам- ' ма-квантов с пространственным разрешением не хуже so мкм. Из результатов исследования ува2 си3 о,,керамик следует, что в области сверхпроводящего перехода отсутствует (ранее наблюдавшаяся другими авторами) аномалия в поведении параметров спектров угловой корреляции аяшгиляционных-гамма-квантов. Было замечено, что при переходе через Тсимпульсные распределения аннигилирующих в веществе еч-е~пар изменяются з области границы зоны Бриллюэна. Показана высокая чувствительность метода позитронной диагностики к содаряашт. кислорода в этих материалах.

Из результатов исследований, были сформулированы требования к методам сцинтилляционной спектрометрии аннигилявдонного излучения, разработаны методы математической обработки экспериментальных спектров времени жизни позитронов к угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов, проведено изучение влияния приборной функции спектрометров на'точность получаемых;

результатов. •

Так, для определения числа каналов аннигиляции позитронов в ' веществе из спектров времени жизни позитрон® был использован метод быстрого Фурье - преобразования. Его применение для обработки спектров времени жизни позитронов 'позволило с высокой точностью определять значения временных компонент без привлечения априорной информации о функциовдльном виде приборной функции спектрометра и, что особенно важно, сделать однозначный вывод о числе экспоненциальных компонент в экспериментальном спектре. , _ .

Для описания экспериментальных спектров угловой корреляции аннигиляциошшх гамма-квантов и восстановления из них плотности импульсного распределения (/(р") } или импульсного распределения ( n(p)} аннигилирующих в веществе е-е~пар был разработан метод яМНК-сш1айн", позволяющий с лучшей достоверностью описывать особенности формы экспериментальных спектров..

Для определения приборной функции спектрометра угловой корреляций аншгиляционных гамма-квантов были проведены аналитические расчеты с цель® постановки задач как по созданию - спектрометров с высоким угловш разрешением, так и по разработке математического аппарата-моделирования спектрометров угловой корреляции аннигилядаонных гамма-квантов.'Показано, что в принципе невозможно достичь предельного'разрешения только за счет уменьшения области локализации зош аннигиляции позитронов в исследуемом образце: необходим,учет-влияния профиля пространственного распределения актов аннигиляции позитронов в веществе на вид приборной функции спектрометра. Важным выводом ■ является тот факт,"что при прецизионных измерениях угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов необходимо учитывать геометрические .размеры зоны аннигиляции позитронов в исследуемом образце, а при восстановлениинн(р) - учитывать вид и форму приборной функют спектрометра, зависящих от угла разлета. аннигиляционных гамма-квантов.

Поиск наиболее эффективных путей и средств создания нового поколения спектрометров позитронной диагностики потребовал новых подходов к разработке детекторов аннигиляционных гамма-квантов, обладающих высоким пространственным разрешением, а также высокой

эффективностью регистрации. Поэтому, приступая к решению постав- . ленных задач, был создан математический аппарат, отстающий физические процессы, происходящие в спектрометрах позитронвой-дпагйЬстнкн. '

Отличительной ( от общеизвестных) чертой разработанного алгоритма моделирования является то, что прослеживается движение гамма-квантов и вторичных электронов как. в пространстве, так и во времени. Учтены спектральный характер .света сцннтилляционпой вспышки и спектральные зависимости показателей преломления и поглощения при рассмотрении процесса светособирания. Смоделирована работа фотоумножителя с. учетом времени прихода света на фотокатод ФЗУ и электронов на анод ФЭУ. Такой подход позволил моделировать процессы, влияощие на энергетическое' иТврёменное разрешение сцин-тилляцнонвдх дегекторовТ

Б процессе разработки алгоритма проводилось сравнение результатов моделирования как с имевдкмися экспериментальными данными, так и специально измеренными в процессе разработки математического алгоритма,Были изучены зависимости коэффициента светособирания в различных сщштилляционных детекторах, измерены функции отклика и временное разрешение детекторов. Показано, что алгоритм позволяет адекватно описать все процессы> происходящие при регистрации аншщиляционных гамма-квантов сциншллиционыьаш . детекторами.

Шло проведено моделирование приборной функции, спектрометров угловой корреляции аншпшздионннх гамма-квантов. Продемонстрировано хорошее согласие результатов моделирования 'с результатйми анвжтических-расчетов. Для проверки работы алгоритма 'моделирования было также проведено сравнение результатов расчета приборной функции спектрометра с экспериментальными измерениями на образцах льда. Показано, что значение ширины приборной функции спектрометра, полученное из эксперимента ( г-3= 1.30 + о.о5 мрад), находится в хорошем согласии со значением 1-23 мрад), полученным-при математическом моделировании. Учет поглощения аннигиляционных гамма-квантов в исследуемом образце при математическом моделировании приборной функ-, , ции спектрометра объясняет наблюдаемую на практике асиметрию спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов.

Важно отметить, что в качестве промежуточных результатов математический аппарат позволяет получить данные, которые невозможно получить из калибровочных измерений.

В целях достижения предельного временного разрешения спектрометров времени.жизни медленных позитронов ( лучше тш = зоо пс ) нами были исследованы все основные параметры < сцинтилляционных детекторов, дающие вклад во временное разрешение. Были исследованы амплитудные и временные характеристики * ' характеристики пластических сцинтилляторов, кристаллов ва^ и жидких сцинтилляторов. В качестве критерия для предварительного отбора сцинтилляторов, обладающих / (потенциально) высоким собственным временным разрешением, было взято отношение конверсионной эффективности сцинтиллятора ко времени высвечивания сцинтилляционной вспышки (у /г) Покззано, что даже для одного и того же значения 4/т временное разрешение спектрометра времени шзни позитронов зависит от геометрических размеров и формы сцинтилляторов и качества их оптической обработки. Установлено, что достижение оптимального временного разрешения возможно путем, компромисса между уменьшением эффективности регистрации гамма-квантов и увеличением числа фотонов* достигших* фотокатода ФЭУ с минимальным временным разбросом.Наилучшее временное разреше-• ние было получено для сцинтилляторов (на основе поливинилксилола с добавкой РВД).цилиндрической формы с геометрическими размерами 0 25x25 м/и с зеркальным отражающим покрытием,. нанесенным без оптического контакта со сцинтшшятором.

Для достижения -предельного временного разрешения ФЭУ, ис- . пользуемых в спектрометрах времени шзни позитронов, была разработана методика индивидуального подбора режима работы 'ФЭУ. Были исследованы, амплитудные и временные характеристики

ФЭУ—85, ФЭУ-87, ФЭУ-3 0, ФЭУ-36, ХР—1020 И ХР—2020ф. НаИЛУЧшее собственное временное разрешение (.2то= о.обо ± 0.008 не) ' для отечественных фотоумножителей было получено-для ФЭУ-зб. Исследование временного разрешении сциатаишяционных детекторов позволило нам сформулировать требования к времзнннм и амплитудным параметрам электроники, используемой во временных измерениях. Показано, что использование гак называемой "быстро-быстрой" схемы измерения коротких временных интервалов позволяет

I значительно улучшить параметры спектрометров времени жизни позитронов. Впервые созданные в нашей стране спектрометры времени жизни позитронов с "быстро-быстрой" схемой измерения обеспечили временное разрешение лшм= зго+15пс при вдвое ' лучшем отношении эффект/фон и на два порядка большей скоростью набора экспериментального спектра по сравнению со спектрометром на "быстро-медленной" схеме измерения. Следует отметить, что разработанная методика достижения предельного временного разрешения сциптилляционных детекторов позволила нам создать на отечественных элементах спектрометр времени жизни с временным разрешением гаи=24о ± 5 пс.

Проведенные методом поэитронной диагностики экспериментальные исследования позволили сформулировать требования и к спектрометрам угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов: необходимо было решить проблему повышения статистической . точности экспериментальных результатов, сокращения времени набора . экспериментальной информации и улучшить'угловое разрешение спектрометров хотя бы на порядок.

.Важно, отметить, что'сокращение времени набора экспериментальных спектров с десятков часов до секунд без потери статистической точности получаемых экспериментальных результатов открывало принципиально новую область' приложения метода позит-ронной диагностики - диагностику динамики образования дефектов в веществе. Решение этой задачи было возможным только на пути повышения светосилы детекторов, используемых в спектрометрах угловой корреляции аннигиляционных гам,«-квантов.

В диссертации описаны спектрометры угловой корреляции аннигиляционных гамме-квантов "КВАНТ", "КВАНТ-Е", "ШОНА" и "ДЕКА", специально созданные для повышения статистической точности получеемой экспериментальной информации. Все. эти спектрометры 'объединяет только их геометрия. ( длиннощелевая). Спектрометры имеют различные сцинтилляционные детекторы, раз- -личную электронику регистрирующего тракта и различную степень автоматизации процесса измерения экспериментальных спектров от простейшей , реализованной на электро-механических элементах,до работающих в линию с ЭВМ и реализованной в "КАМАКЕ".

Следует только отметить, что в современных системах автома-

- 20 ' • тизащш процесса измерения спектров угловой корреляции анниги-ляционных гамма-квантов была решена задача установления однозначного соответствия механического положения подвижного детектора спектрометра и номера точки в экспериментальном спектре с гочнбсгью д8= з- ю~3 мрад, что на порядок превосходит точность стандартных спектрометров.

Исследование амплитудных характеристик сцинтилляционных детекторов и результаты , полученные при математическом моделировании процессов, происходящих при спектрометрия аннигиляцион-ного излучения , позволили нам использовать идею сцинтилляцион-еого годоскопа для измерения пространственного распределения аннигиляционных гамма-квантов; При этом идея детектора сводилась к предложению отказаться от стандартного подхода использовать коллиматоры для ограничения по углу разлета гамма-квантов, попэдащих в детектор, и предложить сыграть роль коллиматора отдельному элементу детектора. Е такой-геометрии представилось воздашым создать как бы многоцелевой коллиматор, за которым расположено несколько независимых сцинтиллящюнных детекторов, и теи самым, за.время набора статистики измерять события с. различными1-значеаияш импульса аннигилирующей в веществе е"-е"пар. Угловое разрешение такого типа детекторов определяется толщиной сцинтиллятора, а эффективность регистрации гамма-квантов зависит от размеров сцинтиллятора по пучку падающих на детектор аннигиляционных гамма-квантов. Для устранения "параллакса", сцкнтилляционнне пластина выстраивались по углу таким образом', чтобы их .плоскости пересекалась на одной прямой в центре спектрометра.

Из результатов математического моделирования такой кояструк-' цик детектора следует; что от точности выставления сщштил-ляторов зависят: точность определения угла разлета аннигиля-циояннх гамма-квантов;. количество'ложных срабатываний в детекторе; возможность суммирования событий, 'Еыеющшс один угол разлатз аЕнипшщионных гамма-квантов, но. зарегистрированных различными параш сцингплляторов в двух детекторах спектрометра. ' .

Были проведены расчеты эффективности регистрации аннигиляционных гаша-квзнтов для таких детекторов с различными гео-

метрическими размерами сдантяяяторов, различными фотоумно га-талями и различной электроникой регистрирующего тракта. Показано, что при пороге дифференциального дискриминатора Е=о. 025В и геометрических размерах каждого отдельного сцинтилляционного элемента детектора 1x150x150 мм3 эффективность регистрации полезных событий равна £п= При этом доля ложных событий ' будет порядка з%. Для увеличения эффективности регистрации полезных событий и сокращения числа ложных было предложено использовать в конструкции детектора гонкие ( от 0.1 до 1 мм ) свинцовые листы, расположенные между сцинтилляторами. Расчеты показала, что использование свинцовых листов, разделяющих отдельные элементы детектора, позволяет получить эффективность регистрации аннигиляционных гамма-квантов47.6 + 0.1% и £ф= 1%при толщине свинцовых листов юо мкм. Увеличение толщины свинцовых листов до 1 да приводит к увеличению эффективности регистрации полезных событий без заметного уменьшения фоновых,. Следует отметить, что использование толстых (~шд) свинцовых прокладок увеличивает вдвое расстояние мевду сцин-тиллятораш и, тем саиым, уменьшает светосилу детектора.

Для регистрации света сцинтиллядионной вспышки использовались .как ФЭУ. 'так а.ПЗУ. Экспериментальные исследования показали, что-использование ГФЭУ в этих детекторах м^аее предпочтительно, чем ФЭУ. Цри сьемэ информации с помощью ФЭУ в детекторе хавдая сцинтилляционная пластина была поставлена в однозначное соответствие с тремя из восьми (используемых в каждом детекторе) ФЭУ, что позволяло создать детектор, состоящий из 56 - ти отдельных сцинтилляционных элементов (С* =56). Для обработки н накопления экспериментальной: информации была разработана специальная электроника, работающая в линии с ЭВМ-. Время обработки полезного-события 170 не, а ложного - юо не. Электроника позволяет работать с общими загрузками ю7 соб/с, из которых полезные события составляли ю6.соб/с. Процесс измерения полностью автоматизирован и управляется ЭВМ.

В диссертации подробно описана методика создания однокоор-данатных широапертурных сцинтилляционных детекторов. Было собрано два широкоапертурных детектора с двадцатью (Д-20) и пятидесяти шестью (Д-зб) сцинтилляционшми пластинами с геометри-

- 22 - "

ческида размерами 1х1вохзоо им8. Калибровка детекторов проводилась как при иг сборке, так и при работе в спектрометре. Задача последнего этапа калибровки заключалась в экспериментальном определении эффективности регистрации аннигиляционных гамма-квантов, числа ложных событий и светаращ детектора. Результаты калибровки показали высокую точность с лучше юомкы) сборки . детекторов. Эффективность регистрации аннигиляционных гамма-кван^-тов кавднм широкоапертурным детектором равна С*=> 48+ 5% . Число ложных совпадений не превышает з%.

На спектрометре с двумя шщхжоапертурньши детекторами (Дго и Д56 ) были проведены экспериментальные измерения спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов на образцах олова. Показано, что для измерения спектра со статистикой в пике 2-ю5 соб. достаточно .хо минут. Тем самым, использование широкоанер-турных детекторов в спектрометрах угловой корреляции -аннигиляционных гамма-квантов с длиннощелевой геометрией позволило на' два порядка сократить время набора экспериментальных спектров без потери статистической точности.

Наряду- с созданием светосильных детекторов- были разработаны позищюнно -чу вствите льные~де текторы, позволяющие улучшить угловое разрешение спектрометров и обеспечить возможность измерения двухкоординатных спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов. ' -

Математическое моделирование процесса регистрации аннигиляционных гамма-квантов в детекторах с гомогенным сцинтиллятором и экспериментальные исследования с дрейфовым детектором на жидком ксеноне показало , что предельное пространственное разрешение детектора ограничивается величиной мм, а решение проблемы '"ложных" событий, т.е. выделение их на фоне полезных событий, приводит к заметному ( досл к 101-15%) падента эффективности регистрации аннигиляционных гамма-квантов. Улучшение пространственного разрешения без потеря в эффективности регистрации аннигиляционных гамма-квантов, возможно при создании сцинтшгляционшх' детекторов мозаичного типа, состоящих из большого"набора отдельных сцинтилляторов.

Для оценки параметров детекторов, состоящих, из набора свдн-тилляционных волокон, и оптимального выбора их конструкций било

проведено математическое моделирование процесса регистрации аннигиляционных гамма-квантов. Показано, что при длине сцин-гиллящкшного волокна í=iso мм и диаметре d=l мм пространственное разрешение С А ) детектора будет д-1-2 мм, при эффективности регистрации аннигиляционных гамма-квантов E=S6% И 4% "ЛОЖНЫХ" событий.

Использование большого (>юо) числа сцинтллляционных волокон в. такого типа детекторах требует решения проблемы определения координат, где произошла сцинтилляционная вспышка, при регистрации аннигиляционных гамма-квантов.

В разработанных и созданных детекторах для решения этой проблемы мы использовали как ФЭУ-ШП, так и метод задержки времени прихода света сцингилляциошой вспншкя на фэтокатод ФЭУ. Шло показано, что использование кварцевых световодов для задержки времени прихода света сцинтилляционной вспышки на ФЭУ позволяет с помощью четырех ФЭУ однозначно установить, в каком сцинтилляторе произошла регистрация гамма-кванта. Пространственное разрешение детектора, собранного на таком принципе составило з ш, но при очень низкой эффективности регистрации аннигиляционных гамма-квантов (íj= iZ). Однако, детектор позволяет регистрировать события, попадащие в один и.тот жз сцин-тилляционный элемент детектора ж разделенные коротким (¿20 не) временным интервалом.

Использование ФЭУ-МКП в такого типа детекторах более предпочтительно. Так, в сцштиллявдонном детекторе, состящем из юо сцинтилляцеонеых волокон диаметром i мм и длиной loo мм, плотно-упакованных в матрицу íoxio и оптически сочленненых с ФЭУ-МКП, было получено простррнсгвеняое разрешение 1.8 ш. Эффективность регистрации аннигиляционных гамма-квантов составила 56%.

Конструкция и принцип действия широкоапертурных детекторов позволяли использовать их для измерения двухкоординатных ■ спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов. С этой целью детекторы были помещены за коллиыёторами с шириной щели им и длиной зоо мм так, что плоскость, проходящая через щель коллиматора, была взаимно перпендикулярна с плоскостью тонких" сцинтилляторов кироапертуркого детектора. В такой геомет-••pita спектрометра это равносильно домевению двадцати точечных

< 1хш/) сцинтилдйцаонных детекторов на одном плече спектро-. метра и пятидесяти шести точечных ( 1x1 мма) детекторов на другом. Длина сцинтилляторов вдоль направления падения анниги-' ляцшонных гамма-квантов была равна 150 мм и-обеспечивала 5б& зЗФективность регистрации аннигиляционных гамма-квантов. На этом спектрометре были измерены двухкоординатше спектры угловой корреляции ашигйляционных гамма-квантов в образцах- олова. Скорость .счета полезных совпадений составляла 15 соб/с.

Существующие пределы в достижении высокого ( лучше юа мкм) пространственного разрешения цри регистрации гамма-квантов обусловлены физикой процесса регистрации и зависят от величины ■ пробега вторичных частиц, возникающих при прохождении гамма-кванта в рабочем веществе детектора..При разработке нового подхода к получению высокого пространственного разрешения спектрометрии аннигиляционных гамма-квантов нами было предложено использовать те "ложные" события, которые наблюдаются в широкоапер-турном и позиционно-чувствигельных детекторах. Т. е. положить в основу принцип конвертирования гамма-излучения в материалах с большими- г и платностью р во вторичные электроны с 'последующей их регистрацией. Расчет показал, что вероятность регистрации на основе такого способа зависит от толщины конверторов и дос-! тигает зз% (при толщине 7о мкм). Предложен способ определения пространственного распределения гамма-излучения: тонкий конвертор толщиной а располагается под небольшим углом к направлении падения.гамма-излучения. При взаимодействии гамма-излучения с веществом конвертора образуется вторичное излучение, ко -тррое регистрируется детектором, в результате чего происходит ■ определение координат точки взаимодействия гамма-излучения с ■конвертором. Разрешение по одной из ' координат определяется величиной толщины конвертора а. Эффективность регистрации гамма-излучения зависит от толщины слоя вещества конвертора в направлении распространения излучения.

Моделирования работы такого детектора показало, что эффективность регистрации гамма-излучения имеет явно выраженный максимум в зависимости от изменения толщины конвертора (<3), причец значение эффективности регистрации зависит от вещества конвертора. Так,.для конвертора из урана максимальное

значение эффективности рзгистрации будет равно «% при толщине конвертора а - зомкы, а для свинца зз% tipa d - so мкм.

Предложенный метод регистрации аннигиляциотых гамма-квантов был реализовав в однокоордияатных позиционно-чувствительных детекторах с высоким пространственным разрешением. Детектор сос-: тоит из тонкого (d«5o f too мкм) свинцового конвертора, накло-. ненного под малым углом «1-г2°к плоскости сцинтиллявдонных детекторов, представлящих собой "стрипы" с геометрическими размерами 2*4x300 мм! Для определения номера "стрипа", где произошла регистрация вторичных электронов, использованы ГФЭУ.

В результате калибровочных измерений с использованием гонкого пучка (~1бо мкм) аннигиляционных гамма-квантов было измерено пространственное разрешение детектора и эффективность регистрации аннигиляционных гамма-квантов. Показано, что ¡

пространственное разрешение определяется толщиной конвертора. ■ Так, для свинцового конвертора с <з = so мкм - пространственное разрешение детектора было равно 5о±ю мкм. Эффективность регистрации аннигиляционных гамма-квантов £п» 1б±Г4.Размещение второй плоскости сцинтилляЦионша детекторов над свинцовым конвертором позволило увеличить эффективность регистрации гамма-квантов до величины £*- ao¿ х%.

R

III. ЗШИЕШ Основные результаты настоящей работы южно разбить на пять групп:

i. Позиционно-чувствительные сцинтилляционные детекторы аннигиляционного .излучения:

- предложен новый, метод спектрометрии аннигиляционного излучения с высокил пространственным разрешением (от хо мкм до 200 мкм) и эффективностью регистрации от io% до 40%.

- впервые в мирз разработан, создан и испытан однокоординат-"ный сцинтилляционный детектор аннигиляционных гамма-квантов с пространственным разрешением so + ю ,мкм и эффективностью регистрации зо%.

- разработан, создан и отк'алиброван двухкоординатный сцинтилляционный детектор на матрице сцинтиллявдонных волокон опти-

чески сочлененных с ФЭУ-МКП. Показано, что такой тип детекторов обладает высоким пространственным разрешением < 1.8 мм) и высокой ( 56%) эффективностью регистрации^аннигиляционного излучения.

- создан сцинтилляционный двухкоординатный детектрр аннигиляционного излучения с пространствешпдд разрешением 1*1 мм2 и эффективностью регистрации 48%, что позволило'измерять двух координатные спектры угловой корреляции аннигиляционных-гамма-квантов и на порядок увеличить быстродействие спектрометров подобного тина. -

- впервые показана возможность использования оптических световодов для задержки времени прихода света сщштилляционной вспышки на фотокатод ФЭУ для создания-двухкоорданатных детекторов аннигиляционных гамма-квантов.

2. Светосильные сщштилляционние детекторы аннигиляционного "излучения в спектрометрах угловой корреляции. ■

-разработаны, изготовлешги откаллброваны однокоординатные иироапертурные сцинтилляционные- детекторы на тонких пластических сцинтилляторах (1*120*300 мм3 ). Экспериментально показано, что . эффективность регистрации аннигиляционных гамма-квантов отдельным сцштиллящгонным элементом детектора равна 78%, а в полной сборке детектора е„= 48 + 5 что хорошо согласуется- с результатами .моделирования (£^=47.6 + 0.1%). Показано, что число ложных событий не превышает з%. •

- впервые в нашей стране на. базе широкоапертурных сцинжшм- ■ ционных детекторов создан спектрометр угловых корреляций аннигиляционных гамма-квантов, обладающий в юо раз большим быстродействием, чем традиционно •используемые спектрометры с? длиннощелевой геометрией.

-' разработан и создан на базе вычислительного комплекса (ДВК-МЕРАб о?-1вм рэ) универсальный электронно-вычислительный тракт для организации сьема полезной информации, автоматизации процесса измерения и обработки экспериментальной информации, позволяющий обрабатывать ю5 соб/сек полезных событий,

. - разработана, изготовлена и налажена серия сцинтилляционных"' спектрометров аннигиляционных гамма-квантов ("КВАНТ", "КВАБТ-Б", -"ШОНА" и "ДЕКА"), предназначенных для исследования электронной • структуры вещества- ' . '

- разработаны и созданы различные системы автоматизации

. процесса измерения экспериментальных спектров как с использованием автономных систем накопления данных, так и работающих в линию с ЭВМ. Решена проблема установления однозначного соответствия механического положения подвижного плеча-спектрометра и

номера точки в системе автоматики, что позволило достичь точность -3

ти ьв » ю мрад установки плеча на заданный угол.

з. Исследование сцинтилляционных детекторов используемых .' для спектрометрии аннигиляционного излучения:

- впервые в нашей стране созданы спектрометры времени жизни позитронов с использованием "быстро-медленной" и "быстро-быстрой" схемами измерения шкосекундных интервалов, имеющих временное •разрешение лучше зоо ± 15 пс. Наилучшее временное разрешение ц4о ±5 пс) имеет спектрометр с "быстро-быстрой" схемой изме- ■ рения времени.

- изучено влияние геометрии сцинтиллятора на временное раз-4 решение спектрометра времени .жизни позитронов. Показано, что

наилучшее временное разрешение спектрометра достигается при использовании цилиндрических сцинтилляторов с размерами #2о*2омм2.

- проведено исследование факторов, влияющих на предельное временное разрешение фотоумножителей. Показано, что ФЗУ-зб имеют наилучшее собственное временное разрешение (пшм = ео пс) среди отечественных фотоумножителей. Предложена и отработана методика отбора фотоумножителей с целью достижения предельного временного разрешения.

- проведен сравнительный анализ параметров сцинтилляторов, используемых в спектрометрах метода позитронной диагностики. Обоснованы преимущества использования быстрых пластических сцинтилляторов в спектрометрах угловой корреляции аннигиляцион-ных гамма-квантов.

- изучена возможность применения годоскопических фотоумножителей, 'МВД и-ФЭУ-МКП для создания,сцинтилляционных детекторов

с целью спектрометрии аннигиляционного излучения в методе позитронной диагностики. ____

4. Проведение экспериментального изучения электронной структура вещества методом позитронной диагностики:

- впервые методом позитронной диагностики проведено зкспе-

риментальное изучение механизма образования структурных дефектов типа n, р, и - центров. Иоказано,что метод обладает высокой

3» з-*-

чувствятзльностыо к дефектам типа парных ассоциатов n<j - т

- в сталях, облученных ионами гелия и водорода, было экспериментально обнаружено образование мшсропор, заполненных

с высокой плотностью гелием и водородом. При этом позитроны предпочтительно аннигилируют с электронами гелия и водорода, что приводит к появлению особенности в импульсном растре делении электронов, измеренном методом угловых корреляций аннигиляционных гамма-квантов. . •

- в полупроводниках Gap, легированных ионами металлов группы железа, обнаружена корреляция мезду глубиной уровня примеси

" и средним временем кизни позитронов. Показано,что интенсивность х2 ( промежуточной компоненты временного спектра) линейно изменяется с изменением числа неспаренных электронов примеси*

- впервые показано методом угловых корреляций, аннигиляционных гамма-квантов, что для ifBa2cu3Oj, керамик в области сверхпроводящего перехода не наблюдается аномальнее . поведение параметров s, к, jo(p ) и н (р ). Высказано предположение, что явление сверхпроводимости в этих соединениях имеет нефойонный механизм. Показана высокая .чувствительность метода позигронной диагностики к содержанию кислорода в этих-керамиках.

5. Математическое моделирование процессов,происходящих при спектрометрии аннигиляционного излучения:

- впервые проведено математическое моделирование приборной функции спектрометра угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов с длиннощелевей геометрией. Дано сравнение результатов моделирования с аналитическими расчетами и экспериментальными измерениями, выполненными для образцов льда, имеадего интенсивную

. узкую компоненту с fkhm = i мрад. Проведенные вычисления позволили объяснить экспериментально наблюдаемую ассиметрию в"спектрах угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов.

- разработан математический аппарат моделирования процессов, происходящих в спектрометрах, предназначенных для изучения знш-гиляции медленных позктроно&в веществе. Проведено .математическое моделирование различных вариантов сцинтилляцшвных детекторов, исполъзуешх для спектрометрии ашшгштхяошаго излучения.

- 29 - ' .....

- разработан комплекс программ, позволяющий рассматривать различные идеи детектирования аннигиляционных гамма-квантов как в спектрометрах угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов, так и в спектрометрах времени жизни.

- разработан комплекс црограм для обработки экспериментальных спектров времени жизни медленных позитронов и угловой корреляции аннигиляционшх гамма-квантов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: ' .

1. Беляев В.Н., Буденный C.D., Ковалень B.D. и др. Автоматизация экспериментов по изучению процесса аннигиляции медленных позитронов в веществе. - Матер. Ii-Всесоюзного совещания по автоматизации научных исследований в ядерной физике. - Алма-Ата, 19Г8, с.эз-94.

2. Беляев В.Н., Ковалень B.D.,- Разов В.Н." и др. Установка для измерения времени жизни позитронов в конденсированных средах. - ПГЭ, i98ö, т.в, с.44-47.

3. Беляев В.Н., Ковалень В.В., Соболев Б.В. и др.

Система 'автоматического управления угловой зннигиляцконной установки. - ПГЭ, 1980, т.2, c.s3. , депон. в ВИНИТИ , инв.

n 1603-79, 27 с.

4. Беляев В.Н., Ковалеш. B.D., Соболев Б.В. ж др. Спектрометр времени етзнн позитронов. - Препринт ИГЗФ,

М., 1980, N 95, 26 с.

s. Беляев В.Н., Виноградов В.В., Соболев Б.В.

Моделирование методом Монте-Карло приборной функции установки для наблюдения угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов. - Препринт МИФИ., M., i9so, n из, зз с.

6. Беляев В.Н., Шишкин A.B.

Позитронная диагностика - Сб. "Ионизирувдие излучения и лазерные материалы", Энергозгомиздат, 1952, стр.127-138.

7. Беляев В.Н., Буденный C.D., Виноградов В.В. . Изучение структурных дефектов лазерных .кристаллов методом позитронной диагностики. - Сб. "Ионизирующие- излучения и лазерные материалы"., М., Энергозтомнздат, 1982,

C.13S-146.

•8. Беляев В.Н., Ковалень В.Ю., Мелихо^ А.П., Штотцкий D.B. Спектрометр для измерения времени жизни медленных позитронов в металлах. - XXXi-Всесоюзное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного, ядра., Киев, i98i,

С.246.

9. Беляев В.Н., Ковалень B.D., Михеев А.Н., Гольданский A.B. Изучение полупроводников AB, легированных ионами пере- ходных металлов группы железа методом аннигиляции позитронов. - Труда Всесоюзной конференции ' по физике полупро-_■ » _

водников., Баку, 1982, с.хег. ю". Беляев В.Н.Г Сцдорин И.В., Соболев Б.В., Штоцкий Ю.В. . Измерение углового распределения аннигиляционных гамма-квантов дрейфовым детектором на конденсированном ксеноне. - Сб. " Кетода экспериментальной ядерной физики в • исследованиях процессов и продуктов деления", М., МИФИ, Энергоатомиздаг, 198Ï, c.iog-us.

11. Беляев В.Н., Михеев А.Н., Любченко О.С.

Метод МНК-еплайк в описании кривых угловых корреляций аннигиляционных гамма-квантов для иттрий-алюминиевых гранатов. - xxxiv-Всесоюзное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра., Алма-Ата, 1984,

С.571.

12. Беляев В.Н., Родионов Б.У., Михеев. А.Н.

Способ определения пространственного распределения ионизирующего излучения.-ÀBT. свидет. К 1389469 ОТ 15.01.1987, (

13. Беляев В.Н., Михеев А.Н., Ворончев И.С. и др. Исследование процесса све то собирания в детекторе .с тонкими пластическими свднтилляторами. - ix-Bce союзная конференция "Состояние и'перспективы сцинтилляторов и сцинтилляциояных детекторов в хп-пятилетке"., Харьков,

1986, С.94. '

14. Беляев В.Н., Тафинцев Ф.Г., Ворончев И.С. и др. Световода для'тонких пластических сцинтилляторов. -ix-Bceсоюзная конференция "Состояние и йЭрспективы развития сцинтилляторов и сциниишяционных детекторов в Хи-

- 31 -• ~ .......' -........

пятилетке., Харьков, 1986, с.эз. is. Беляев В.Н., Михеев А.Н. • ^

Анализ спектров времени жизни медленных позитронов с использованием быстрого преобразования Фурье. - Препринт

МШИ, 1987, М 018-87, 14 С.

16. Беляев В.Н., Кихеев А.Н.

Применение метода МНК-сплайн для описания экспершен-. тальных данных позитронной дефектоскопии. - Препринт

МИФИ, М., 1987, N 034-87, 14 С.

17. Беляев В.Н., Соболев Б.В., Сидорин И.В., Штоцкий Ю.В. Автоматизированный спектрометр угловых корреляций аннигиляционного излучения «КВАНТ-СТ». - Депон. статья ВИНИТИ, И 345-В88, 1988, 73 с.

ia. Беляев В.Н., Михеев А.Н., Сухарев П.Н., Штоцкий D.B. Аннигиляция позитронов в ува2 си^ о, керамике в диапазоне температур so-iiso К. - х- ов Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости., Харьков, 1988, т.2, с.72. '

19. Беляев В.Н., Кузнецов А.В., Протасов Е.А., Михеев А.Н. и др. Аннигиляция позитронов в высокотемпературной сверхпроводящей керамике VBa2cu3cy. - Препринт МИФИ, 1988, и 07з-88,

20 С. ч

20. Belyaev V.N., Rikheev А.Н.

On the mathematical processing of experimental spectra with the positron annihilation method. - ICPA-8, in book "Positron annihilation" edited by L.Dorikens, Singapore, 1989, p.663-665.

21. Belyaev V.N., Milcheev A.N., Sukharev P.K., Shtotsky Y.V.-. The study of high temperature superconducting YBa^CUgCy

ceramics using the positron annihilation method. - J.Phys. Cond. Hatt., 1990, V.2, p.4153-4159.

22. Baskakov V.X., Belyaev V.N., Kovalen V.Y., Melikhov A.P. Multiplate scintillation detector for spectrometers of annihilation gamma-quanta. - ICPA-9, in book "Positron

" • annihilation" edited by L, Dorikens, Singapore, 1989, p.6667668.

■22. Беляез В.Н., Михеев A.H., Сухарев П.Н., Штоцкий ЗО.В.

- 32 -..... "

Приборная функция спектрометра угловых корреляций анни-

ПШЩИОННЫХ фОТОЕОВ. - ПреЕрИНТ МИФИ, 1989, N 056*-89, 24 С.

24. Беляев В.Н., Михеев А.Н., "Захарчэнко И.В., Штоцкий Ю.В. Исследование таа2си3су в области, сверхпроводящего перехода. - Сверхпроводимость: фазика, химия, техника., 1ээо,

Т.з/ С.868-871.

25. Баскаков Б.И., Беляев В.Н., Зайнулин К.Ф., Михеев А.Н. Одаокоординагный позиционно-чувсгвительный детектор анни-гиляционных гамма-излучения с высоким пространственным разрешением. - Препринт ШФИ , М., 1989, н озв-ва, 18 с.

26. Balyaev V.N., Mikheev А.Ы., Sukharev P.N., Stotsky Y.V. Positron annihiltion in VBaCuO ceramics at temperatures .around T . - in book "Progress in high temperature superconductivity", edited by Aksenov V.A.»Singapore, 1990, V.21., p.~392—397.

27. Baskakov B.I., Belyaev V.H., Zainulin K.F., Mikheev A.N. A new one-coordinata position sensitive detector of annihilation gamma-quanta with high spatial resolution. - N111, 1989, v.A297, p.213-216.

28. Баскаков В.И., Беляев В.Н., Мелихов А.П. и др. Широкоапертурный детектор для спектрометров угловой корреляции аннигиляшюнЕых гамма-квантов. - Препринт ШФИ,

М., 1991, H 011-91, 23 с.

29. Баскаков В.И., Беляев В.Н., Иелихов А.П. и др. Универсальный комплекс для измерения спектров угловой корреляции ащщгиляционных гаша-квантов и испытания позиционно-чувствительных детекторов. - Препринт ШФИ,

М., 1991, К 025-91, 22 С.