Тяжелые сцинтиляторы в детекторах ионизирующих излучений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

¡■■•г* " р' '

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКС1ГО5КЕНГАЛШОЙ ФИЗШ

-На правах рукописи УДК 539.165:539.12

Ядавсккй Валерий Витальевич

ТЯЖЕЛЫЕ СЩНТШ1ЛЯТ0РН В ДЕТЕКТОРАХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

(01.04.01-техника физического эксперимента,фязика приборов, автоматизация физических исследований)

¿втореферат диссертации па соискашэ ученой степени кандидата фаз;1ко-математич0ских наук

Москва 1991

Работа выполнена в Ленинградском институте ядерной фязини км.Б.П.Константшова АН СССР

Научный руководитель: доктор фга.-мат.наук В.М.Самсонов

№щяальяш оппоненты: доктор физнко-математичвских наук

А.С.Белоусов

кандидат физико-математических наук И.А.Кубаыцэв

Ведущая организация: Фяглнсо-техшиссккй институт им .А. ©.Иоффе

Защита состоятся "14"яязаря 1992г. в 11 часов на заседании специализированного совета Д 034.01.01 по защите .докторских диссертаций при Институте те-оротической и экспериментальной физики по адресу : Москва,117259 Б.Чоремуикгиская д.25, конференц-зал Института.

С диссертацией иокто ознакожться в библиотеке Института.

Автореферат разослан" * 13" декабря 1991 г.

Учений секретарь специализированного совета

Ш СССР

й.В.Терехов

ОШЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

- -Актуальность темы ^

Все многообразие детекторов ионизирующих излучений (ИИ) можно разделить по методам регистрации энергии частиц. В сцинтилляционных детекторах для регистрации Ш используются: процессы лшинесценции,' возбуждаемые зарякешой частицей. Самыми первыми детекторами, применявшимися еще Резерфордом, были именно сцинишяциоьшге приборы. Новое качество сцинтилляциояные детекторы приобрели, когда удалось зарегистрировать сцмнтюшяционные вспышки первыми образцами фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Возрастание интереса к сцинтиллято-рам в 80-е года обусловлено появлением ускорителей нового типа -коллайдеров, например Ш> в СШ. И одним из основных типов детекторов для них стали элентромзшитшэ ' калориметры нового типа с использованием больших обьемов кристаллических сцинтилляторов. Калориметр, по сути, предсталяет собой блок вещества, в котором энергия регистрируемой частицы за счет ее взаимодействий с материалом, из которого он состсит, преобразуется в измеряемую величину. Результирутацай сигнал мокот бк.ъ электрическим, оптическим, тепловым или акусгкческим.

Будущие детекторы-калориметры суперколлайдеров нового поколения, таких как ББС/ЬНС, требует использования детекторов на основе тяжелых быстрых сцинтилляторов (табл.1). Существенной особенностью суперТэвных адронных коллайдеров является высокая фоновая радиационная нагрузка - около 0.1 МГр/год. Поэтому все используемые в детекторах материалы должны быть радиациошостойкими, в том числе и сцинтилляторы. Вместе с тем эти же тяжелые сцингилляторы придали повое качество мкогодотекториым 7-калоршетрам ¡1 физике средних и

• •■■■УГабдддз 1

Сра5стге.1шнэ хзрз^гзрзсггкк тя^злхс сшшхнлллтосое

КаК'П ) EGO Ea?, €е?з Csl(purâ)

Плотность ( Г/СМ'J ) 3-57 7.13 4,33 6. ¡Ü t.ji

Рад. длила (см) 2-53- 1.12 2.05 1.7 J.£5

Радаус Нольепа

(га) Л. в 2.7 4,4 ' 2.6 3.5

Иск. íipejTcyjísfuis- 1.S5 2.15 1.56 1.62 USO

Макс. .Ti2.i2aacn3inr3z

(ад) 4ÍQ 420 220 310 3GQ

з;о 240

Зсаыя знозззч^згслл

(но) 220 • :со 0,6 «2 10

630 27

СБ552ЕЫХ0Д ICO . 15 л 4 ?

20 3

прсмгзуто-ЗЕл анергкй. íIos'cckj' Еспрос разработки -¿ нсслэдовзаза снслстз тюялах ciçniTHjyiEïopo^ н проёдеазэ елопэрамокгаяьнкх ес-слэдомйлй дзтекторсв и модулоЗ на осмевэ крюгаляов оточаствекного црсазводсаэа продсгахшяется весьма елтуплытсЗ згдзчег, Сгсугаевио недорогих г есуеодз^йх по стзчзг'зйннкз: д:я psöcru с

2йЗЧ делазт прах;л1чес;а вззнс-л 2адз-;у ¿сслэдсзанпя зссжжс."-:: 2ссг-1ьзсв£аля в дзтвзгорах йо^2".тругдиз. зздучегйЕ анес?дзезг ciîîk-í-pa радлолл^асцэзлтп з спззтрлыда) солзгтъ чуьс,7£5£2,з1исе:. ?раЛ511ИСШ1Э исиапьзуомн! £27.

Паль работы

Цэдь данной работы заключается в разработка и исследования лроташоз детекторов яашзщррща излучеыш sa основе яяшзе крйсгзллзпескгх - ортогашаната васмута Bi4Ge3012

(EGO) я фторзда бария Saf2 отечэгааэнного иродзводстзэ для йшкп шсоляз^ередша н ннзках едоргЕй/

зано, что детектора из оточоствэгаюго монокристалла ВаР2 обладают высоки!«' качеством, a применение шфгора типа р-р' дифенилстильбен позволяет использовать обычные,'без кварцевого окна, недорогие ФЭУ при незначительном ухдаешм параметров детектора. Для детекторов с кристаллом большого объема без шифгора т>т с ккфтором временное разрешение составило соответственно-275 по и 4S0 пс, а энергетическою Ю.5% и 152 для Е = 662 кэВ. Для На.Т(Т]) сопоставимого размера эти боличепы составляв'! « 2.5 кс и « 8.5%, Эти детекторы использованы для oft-bcam определения ссчошш мониторкругацвй реакции 2'А1((1,Зр?п)На24 для 3.0 ГэВ/пуклон я 3.65 ГоВ/куклои . Получено, что величина сечения для зткх кшульсов составляет U. 1+1.3 кб а 14.7+1.2 Мб сооитегвешо. С помсадьз зш ке детекторов определены сечения регдбняя 11С za углеродной кишели, собраннш в таблице 2.

Таблица 2

Сечешщ.ртлдетая 11С в углородаой^Еени для частиц с 3.65 IWn

наготяктао частит сечения СмбЗ

протош двйтрот 4 Не 12с 27.3+0.5 35.2+0.7 42.0+0.7 58.5+1.1

Простой глзубэровеккй расчет сршшзется с получении,fn дзшдм а наблюдается хорожие соответствие между росчетнют и оксперимояталь-

НПГ.'И Д8ГЧШММ.

В Гла.те IV приводов'! результаты исследований радиационной стойкости NoiioKisfcrojtnoB EaP., в BOO. В случае Ва?2 получено, что нрн 7-ойлучоште зиачетт сятачоилой длиш осдоблевия L-(0.43/D-Dp) (здесь fl-.Jg 1/Т - сшч'.ггдотюсть обраоца, Dp - поправка йз отражэ-

ю

ние) падают в б раз для 1=310 км (длинная компонента) и в 3 раза для Х=220 км (короткая компонента) при поглощенней дозе до 5хЮ5 йу к мощности дозы 130 Су/шн. Зга величины находятся па уровне лучших шровдх образцов. Следует отметить, что как дополнительное У© облучение, так и нагревание восстанавливают оптическую плотность практически до первоначальных значений. Для кристаллов большого объема (г150 см3) серийно получено значение коэффициента поглощения к^=(В-Бр)/1 ( 1 - длина образца) «0.01 см"1.

Исследованные монокристаллы ВСО были впращенн по новой версия метода Бридамена. Уже первые измерения показали их высокую радиационную стойкость при полном отсутствий фото?.роьщого аффекта. Облучение у-квантал-э (®Со) до доги 1.03 МГр уменьшило их пропускание на длине водой лшинэсцешда 430 им на величину <ЮЖ первоначального значения. Такая высокая радиационная стойкость нового ВС0 обусловлена скорей Есего регуляризацией кристалла к низкой концентрацией нестохиомстричаских дефектов.

ч

II

Замзоченае

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложены алгоритмы моделирования процессов взаимодействия с веществом >-квантов прсмекуточних энергий: . Используя эти алгоритма, реализован пакет программ для моделирования функции отклика кногодетекторних систем. Хорошее согласие кодельнмх и экспериментальных величин позволило использовать этот пакет для оптимизации конкретных проектов многодетекторшх 7-спектрометров с использованием тяжелых, сцинтилляторов ВСЮ "и ВаТ9. Проведенные испытания модулей для 7-калориметра показали хороиее совпадение экспериментальных и расчетных значений функций отклика.

2. Обнаружена высокая радиационная стойкость монокристаллов ВйО нового типа, выращенных модифицированным методом Бридаена. Получено, что кристаллы ВСО нового типа имеют радиационную стойкость по крайней мере в 10 ООО раз больше, чем синтезированные традиционным методом.

3. Впервые предложено использовать в Ва^-дотттораг переизлучатель спектра типа р-р' дафенилстильбен. Это позволяет использовать для регистрации ФЭУ обычного типа без ухудшения характеристик

о

детектора. Для кристаллов Ва?2 большого ебьема (около ТОО см") найдено, что применение этого переизлучателя спектра является оптимальным для получения высоких значений энергетического рэзреие-ния. •

. 4. Получены экспериментальные давние о временном к энергетическом разрешении, оптическом качестве и внеокой радаацзсяиой стойкости в полях 1-излучений монокристаллов фторида бария отечественного серийного производства.Зти дашше свидетельствуют о высоком

качества материала.

5. Fsspb03Tbss i- KcojiBsassHji Дйтекгорнш кздуи ш. ссяове tSj.cJjK ецилтплляц^опн^х г^яокпнсг-глл:.^ BuO я Bay? " отечественного еекйнэго nrso^asc-iCTiis, x^cpuo кьдякггоя ажое-цда влскжагк сог-дзвзогйы г гооэкглру5«^>; устзнсвек. Получено, чгс зг-к модули осяз-¿.а^т оон;>ЗЕЖ2 яьрак-i орпстса'.™ кп клрсжск уровне.

результат!; л^гтота^уг:' ощ^лпкханн в

t.£но&ск£ 5.5. .Валбвс II. Фторид сгркк.Новые ьог-моглюстп

рзгютракги иот-гизируж;;'.?: Пруцрннт Лан.пк-т

йдерк. фккка; К1 15^9,35 с. 2.Батист Л.Х..Вккое ¿.¿..яглан В.Д.„Яксвскгй Е.В.'кодзляроваык тсг-ка-епектраз методам Монте-Карло. Препринт Лек. и-тз яд. фиаисе N1547 -1.1939. 42 с. 3.Scr.otaEius ?-.Dorertos Г. ,йо:ж P. .Yanoviiy У.Test oi 'large volu-ffi? BaF? sciTitlljators. Preprint Tecnaishc liriiversUeit Del Г г й 30-1, 7p. ,

4.Псков В.£..ЛуКйзхн К.В.,йношкий' Ь.В. Май соединитель для

вэашяеная ОЗУ. Вролршг Лен.кн-т яд. фкзикк K164Q.-J1.195Q, 11 с. 5Лапо7аУ.у Nostra ?. к burl ига scintillator working with р-р' ftiphenylctlibaria ravolength shlfter//Kuel.Instr. and Koth., 1989, A276,p.659-ftfiO.

e.Yariovsky V.,Ко ж P. Comparison oi properties or large BaF0 and

BaPp+DPS sclnrlllators/ZKucl.Instr. and Meth., 1&S9.A281,p.346-348. ?.¥ai$0V3fey v.Y., Relterov Y.N., RoOnyl P.A. Efieotof 7-rafilaUoo on optical characteristics oi £aF? scintillation crystals. Preprint LKTJ К 1618-1.1-990,12 p.//Nuclear I'hysUcs B, 1991,p.347-261

S.ïsnov^icv 7.7. .CM.21Î07 7-A: ,SkorlKo7 7.У. ECO crystsls-rr.diatlcn hard soinüiiators,preprint ИИ Й1673-Ъ.15?Ы0 p.

9.Апйгспео]ш ¡LN.Pavlenlio 3,.:L,S;li7ery~07 D.ri.Strelcnssy I.I., Yar.c7Sky 7,у.//-in fcadrca йе^ту scintillator apeetrorœter.//Proceedings oí t'ie Illrd Lníornatlonsl Gynposte НЕШ SS,-£?eay-ne, Спесгш ic vaiíla, 1ÇS9. -c. 115-118.

Ю.Хсгпа ?.,'feïiOvc!<y .7. Application oí Ba?0 ECinUllator to oí¿-lina ï-spsctroscop7// Czech.J.Eîys., i9ÇO,iO,p.S92-3ST.

11.Kcz:n.i ?.,Tolstcv K.ti., ïano TElcy 7,7., Creas sections o£ tlv? protucilon or l1c in С targets by 3.65 к Ge" projectiles -

ri"jpriiit Jim 21-89-7*5 /ЛАж1. Ins tí*, and loth., 15SQ,A2?1, ' p. £62-563.

12.ЛЛГ22СЗ Г.Д..Батист Д.Х.,ЙКОЗ A.A.З.Д.,ЯЕО2С:<ЕЙ.З.Б. Гагж-кадор^мчтр« на осиом крястал::сс ортогерм&ягта вгелутэ « фгсрада Саркя для яг-г-х-оЗ <?íí3íík2 ткйшт 5я-чргла.//Аннотаст . проектов энсЕер£генгс;з з с<зх?о?:: fjmai лдаяшарка чзсттл z эт. ядра нз !Q9M9S5 г.г./ -„L Í22--IÜ4.