CC BY
23
УДК 539.1.08
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГИСТРАЦИИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА ОТ ВРЕМЕНИ РАЗВИТИЯ АМПЛИТУДНОГО ИМПУЛЬСА
В. А. Басков
Исследована зависимость энергетического разрешения и эффективность регистрации сцинтилляционного детектора от времени развития амплитудного импульса при прохождении через детектор космических мюонов. Обнаружено, что энергетическое разрешение можно повысить за счет временной привязки к быстрой или медленной компоненте развития импульса с потерей эффективности регистрации. В точке ~11 нс от начала развития импульса энергетическое разрешение исследованного детектора улучшилось на ~24%, эффективность регистрации ухудшилась на ~28 %, соответственно.
Ключевые слова: сцинтилляционный детектор, эффективность регистрации, энергетическое разрешение, время развития импульса.
Энергетическое разрешение и эффективность регистрации относятся к основным характеристикам детекторов и показывают возможные диапазоны их применения. Эти характеристики между собой связаны, поскольку определяются откликом детектора [1]. В экспериментах, как правило, необходимо иметь оптимальное соотношение между энергетическим разрешением и эффективностью регистрации. В зависимости от решаемой задачи и технических возможностей активность экспериментаторов направляется на усиление одной характеристики в ущерб другой. Обычно выделяют и изменяют параметр или несколько параметров детектора, наиболее сильно влияющих на энергетическое разрешение и эффективность регистрации. Это могут быть геометрические размеры детектора, тип применяемых фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), напряжения питания делителей ФЭУ и т. д. Однако в практической деятельности возникают ситуации, когда исчерпаны методы улучшения энергетического разрешения детектора.
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: baskov@x4u.lebedev.ru
Тем не менее, существуют параметры детектора, которые определяются внутренними физическими процессами, оказывающие влияние на энергетическое разрешение и эффективность регистрации, например, время формирования импульса. Такие параметры называют "аппаратурными" [3]. В наиболее используемых в экспериментальных исследованиях пластмассовых сцинтилляторах интенсивность и длительность световых вспышек определяется концентрацией сцинтиллирующего вещества и его физическими и химическими свойствами, а форма световой вспышки описывается двумя экспонентами [4].
Настоящая работа посвящена изучению влияния на относительное энергетическое разрешение и эффективность регистрации частиц детектором быстрой и медленной компонент процесса формирования амплитудного импульса.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Космические мюоны проходили через систему, состоящую из трех сцинтилляционных счетчиков Si , S2 и S. Счетчики S1 и S2 являлись триггерными счетчиками, формировавшими стартовый сигнал, и имели размер 18 х 18 х 5 мм3. Счетчик S являлся исследуемым детектором на основе широко применяемого в экспериментальных установках полистирола, произведенного в Харькове. Размер счетчика составлял 50 х 70 х 25 мм3. Объём счетчика S "просматривался" двумя фотоэлектронными умножителями ФЭУ-85 непосредственно без смазки плотно прижатыми к противоположным граням размером 50 х 25 мм2 (каналы S3 и S4 ). Напряжения питания делителей S3 и S4 составляли Us3 = Us4 = 1000 В. Счетчики S1 и S2 были расположены по центру счетчика S сверху и снизу (рис. 1). Расстояние между S1 и S2 составляло 35 мм. Рабочие характеристики системы триггерных счетчиков S1 и S2 были выставлены стандартным методом [3].
Сигналы с S1 и S2 длительностью t1 = t2 = 10 нс подавались на формирователи Ф1 и Ф2 с постоянным порогом (пороговое напряжение обоих формирователей составляло Unopi = Unop2 = 11 мВ) и далее через задержки З1 и 32 подавались на схему совпадений CC1. Сигнал CC1 длительностью t12 = 10 нс через задержку 33 подавался на схему совпадения CC2, на второй канал которой через задержку 34 приходил сформированный формирователем Ф3 (Unop3 = 10 мВ) сигнал с исследуемого сцинтиллятора (канал S3) длительностью также t3 = 10 нс. Сигнал с CC2 являлся сигналом "Start" для запуска блока зарядо-цифрового преобразователя (ЗЦП), с помощью которого через крейт-контролер системы CAMAC производилась "запись" сигнала со сцинтиллятора (канал S4) в память персонального компьютера ПК.
Рис. 1: Схема экспериментальной установки (51,52, £ (каналы £3 и Б4) - сцинтилля-ционные счетчики; Ф1, Ф2 и Ф3 - формирователи; З1-З5 - задержки; СС1 и СС2 -схемы совпадений; ЗЦП - зарядо-цифровой преобразователь; КК - крейт-контроллер системы САМАС; ПС - персональный компьютер).
Надо отметить, что в данной схеме установки для одновременного измерения времени (канал £3) и амплитуды (канал £4) сигнала использовались два ФЭУ. Это сделано для того, чтобы исключить искажение сигнала по амплитуде или по форме при одновременном снятии сигнала с одного ФЭУ, например, с помощью пассивного линейного разветвителя или одновременного снятия сигнала с анода и предпоследнего динода ФЭУ [5, 6]. Схема установки, использующая два и более ФЭУ, позволяет в полной ме-
Рис. 2: Временные гистограммы сигналов со счетчиков Б\, Б2, Б (каналы Б3 и Б4) и СО\ и СС2: (а) временные гистограммы регистрации сигнала, примененные в данном методе исследования; (б) временные гистограммы при стандартном методе регистрации сигнала.
ре использовать максимальную амплитуду и форму сигнала, формируемого системой ФЭУ-делитель, являющиеся отражением процесса образования сигнала в сцинтилля-торе при прохождении через него заряженной частицы.
Размер триггерных счетчиков Б\ и Б2 был выбран меньший по сравнению с размером исследуемого счетчика Б с целью более однородного энерговыделения вертикальным потоком мюонов в Б в диапазоне телесных углов, определяемом размерами триггерных
счетчиков и расстоянием между ними. Оценка показала, что доля заряженных частиц от широких атмосферных ливней и мюонов, пришедших под большими углами и давших одновременно сигналы в Б1 , Б2, и Б в каждой точке измерений, составила менее 1% и существенно не должна влиять на результаты измерений.
На рис. 2(а) представлены временные гистограммы сигналов с Б1,Б2,СС1, СС2 и Б (каналы Б3 и Б4). Сигнал со сцинтиллятора (канал Б3) длительностью ¿сц ~ 35 нс и амплитудой в максимуме сигнала ~200 мВ, проходя через формирователь Ф3, фактически стробируется. Действительно, за время "прохождения" сигнала через формирователь Ф3 формирование стандартного сигнала происходит за время, определяемое временем формирования (в данном случае ¿3 = 10 нс). В этом случае мертвое время ¿м между импульсами очень мало (¿м ^ ¿3), поскольку после окончания одного сформированного импульса начинается следующий, так как уровень сигнала со сцинтиллятора в максимуме развития после первого сформированного импульса выше порога формирования исц = 200 мВ > ипор3. Изменяя величины задержек 33 и 34 можно с помощью сигнала со схемы совпадений СС1 выбрать любую точку сигнала канала Б3, подаваемого на второй вход СС2. Для сравнения на рис. 2(б) приведены гистограммы сигналов стандартной схемы.
Таким образом, для каждого соотношения задержек 33 и 34 можно определять эффективность регистрации е частиц и относительное энергетическое разрешение 8 пластического сцинтиллятора. Эффективность регистрации е определялась как е = N123/N12, где N12 - число совпадений сигналов счетчиков Б1 и Б2; ^123 - совпадений сигналов счетчиков Б1, Б2 и Б3. Энергетическое разрешение детектора определялось как 8 = (ДА/(А)/2.35) • 100%, где ДА - полная ширина на половине высоты амплитудного спектра, снимаемого с детектора; (А) - среднее энерговыделение в детекторе; 2.35 = 2 • (1п2) • лД [2, 3].
На рис. 3 показаны зависимости 8 (а) и е (б) при изменении задержки ¿123 между сигналом, идущим со схемы совпадений СС1, и сигналом со счетчика Б3. Видно, что поведение е и 8 качественно одинаково и в целом повторяет форму развития временного импульса в сцинтилляционном счетчике: рост (быстрая компонента развития импульса), достижение максимума (перекрытие быстрой и медленной компонент) и спад (медленная компонента развития импульса). Плато в максимуме изменения е и 8 длительностью ~4 нс говорит об эффективной работе схемы совпадений СС2 [3]. Максимум обоих функций достигается при одной и той же величине задержки ¿123 ~ 5 нс от начала развития импульса (быстрая компонента развития сигнала), при этом е растет от
нулевой величины до ~0.7, а затем ухудшттается и достигает величины ^^ 14%. Ухудшение 8 в диапазоне времен развития импульса до максимума от 1 нс до 5 нс составляет ~11% относительно максимума. Напротив, за максимумом развития импульса (медленная компонента развития ливня) 8 улучшается, а е детектора ухудшается. В точке развития импульса ~11 нс (за максимумом развития импульса) 8 улучшилось на ~24% относительно величины в максимуме при ухудшении е на ~28%, соответственно. Энергетическое разрешение детектора лучше до и после максимума развития сигнала, при ухудшении величины эффективности регистрации.
Т, нс Т, нс
Рис. 3: Зависимость относительного энергетического разрешения сцинтилляционного детектора 8 (а) и эффективности регистрации космических мюонов е (б) от времени развития импульса Т.
Соотношение е и 8 в процессе развития импульса на основании данных рис. 3 представлено на рис 4. Видно, что соотношение е и 8 имеет две ветви: до максимума развития импульса (верхняя ветвь) и за максимумом развития импульса (нижняя ветвь). Рис. 4 показывает, что при одинаковой эффективности регистрации частиц е относительное энергетическое разрешение 8 детектора в случае затухания импульса лучше, чем в начале развития.
Если регистрация импульса со счетчика Б идет по стандартной схеме, представленной на рис. 2(б), при которой сигнал с канала Б3 из триггера исключается, то эффективность регистрации максимальная (е ~ 0.7), а энергетическое разрешение имеет наихудшую величину (8 ~ 14%).
14.5
13.5
12.5
10.5
9.5
8.5
7.5.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
8
Рис. 4: Соотношение между относительным энергетическим разрешением 8 и эффективностью регистрации е сцинтилляционного детектора в зависимости от времени развития импульса Т.
Надо отметить, что амплитудный разброс, определяемый угловым разбросом при прохождении через детектор космических мюонов, влияет на энергетическое разрешение. При данных размерах триггерных счетчиков эффект улучшения энергетического разрешения детектора в привязке его ко времени развития импульса оказался небольшой. В работе он составил ~7% до максимума развития импульса и ~20% за максимумом развития импульса относительно величины в максимуме. Эффект улучшения энергетического разрешения должен существенно увеличиться при регистрации детектором частиц монохроматического пучка, например, электронов. Это связано с более однородным энерговыделением в детекторе, который обусловлен небольшим угловым разбросом в пучке.
Можно предположить, что численные значения 8 и е будут меняться при изменении размеров счетчика Б и, в первую очередь, его толщины. Действительно, толщина счетчика Б, через который проходили мюоны, равнялась 2.5 см, и энерговыделение мюонов составляло в среднем (Е) = к • Ь « 2 • 2.5 = 5 МэВ, где к = ДЕ/Дх (ДЕ/Дх -средняя величина ионизационных потерь электронов на единицу пути в детекторе, для полистирола ДЕ/Дх ~ 2 МэВ/см); Ь - толщина сцинтилляционного детектора [1, 2]. При увеличении или уменьшении Ь энерговыделение в счетчике, соответственно, будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Это может приводить соответственно к изменению временных и амплитудных характеристик импульса с делителя ФЭУ счетчика
S, что должно сказаться на временных продолжительностях фаз развития импульса, на которых происходят изменения 5 и е [1-3]. Однако такое предположение требует дополнительных исследований.
Некоторые способы получения необходимых параметров детекторов с использованием быстрой или медленной компоненты развития импульса, формирующегося при регистрации частицы, известны и применяются. Например, в обзоре [7] обсуждаются возможности разделения нейтронов от гамма-фона по форме медленной компоненты развития импульса.
Таким образом, можно сделать вывод, что в процессе развития импульса, возникающего в детекторе от прохождения через него частицы, меняются параметры детектора, влияющие на эффективность регистрации и энергетическое разрешение. В случаях, когда исчерпаны все конструктивные возможности улучшения энергетического разрешения детектора, точность определения энергии можно повысить за счет временной привязки к быстрой или медленной компоненте развития импульса с потерей эффективности регистрации. Можно предположить, что данный эффект присущ всем типам детекторов, независимо от эффектов, формирующих импульсы (ионизационных, черен-ковских и т. д.).
Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (NICA - РФФИ) № 18-02-40061 и № 18-02-40079.
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. И. Абрамов, Ю. А. Казанский, Е. С. Матусевич, Основы экспериментальных методов ядерной физики (М., "Энергоатомиздат", 1985).
[2] В. К. Ляпидевский, Методы детектирования излучений (М.,"Энергоатомиздат", 1987).
[3] Ю. К. Акимов, Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий (М., Издательство МГУ, 1963).
[4] М. Н. Медведев, Сцинтилляционные детекторы (М., Атомиздат, 1977).
[5] С. В. Афанасьев, Л. Я. Жильцова, В. И. Колесников и др., Краткие сообщения ОИЯИ, №1[81]-97, 45-64, 1997.
[6] Е. В. Платыгина, Материалы научно-практической конференции, посвященной 187 годовщине образования СПбГТИ(ТУ) (3-4 декабря 2015 г.), Издательство СПбГТИ(ТУ), С. 177, 2015.
[7] Horst Klein and Frank D. Brooks, Scintillation detectors for fast neutrons, International Workshop on Fast Neutron Detectors University of Cape Town, South Africa, April 3-6, 2006 (PoS(FNDA2006)097); http://pos.sissa.it>025/097/pdf.
Поступила в редакцию 22 марта 2021 г.
После доработки 6 апреля 2021 г. Принята к публикации 7 апреля 2021 г.
