CC BY
43
УДК 539.1.074.3
LFS-3 - НОВЫЙ РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
КАЛОРИМЕТРОВ
Ю.Д. Заварцев1, М. В. Завертяев2, А. И. Загуменный1, А.Ф. Зерроук3, В. А. Козлов2, С. А. Кутовой1
В работе приводятся результаты исследований оптических и люминесцентных характеристик новых тяжелых сцинтилляционных кристаллов LFS-S. Обсуждается, преимущество этих кристаллов по сравнению с известными сцинтилляторам/и. Радиационная, стойкость сцинтилляционных кристаллов LFS-S изучалась с помощью мощного радиоактивного источника 60 Со и протонного пучка с энергией 155 МэВ. Не обнаружены изменения, оптического пропускания, кристаллов LFS-S после их облучения дозой 23 Мрад.
Ключевые слова: сцинтилляционные кристаллы, электромагнитный калориметр, радиационная стойкость.
Высокие энергии пучков и светимости современных ускорительных комплексов предъявляют повышенные требования к радиационной стойкости материалов, используемых в детекторах экспериментальных установок. Разработка новых высокоплотных кристаллов-сцинтилляторов. которые можно использовать в условиях высоких радиационных нагрузок, актуальна как для работающего в ЦЕРНе электромагнитного калориметра установки Компактный Мюонньтй Соленоид (CMS), так и для калориметрии на новых линейных коллайдерах (ILC. CLIC), создание которых планируется в ближайшие годы [1]. Так как в экспериментах по физике высоких энергий используются радиаторы длиной 20 25 радиационных длин, то даже небольшое снижение оптического пропускания на единицу длины, возникающее из-за радиационных повреждений.
1 ИОФ РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38.
2 ФИАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: kozlov@sci.lebedev.ru.
3 Zecotek Imaging Systems Pte Ltd, Division of Zecotek Photonics Inc., Vancouver, Canada.
может привести к значительному ухудшению характеристик электромагнитного калориметра. В последнее время было найдено, что модули торцевых частей электромагнитного калориметра CMS, созданные на основе кристаллов PbW04, повреждаются высокоэнергичными адронами в процессе работы коллайдера LHC. По этой причине предполагается замена кристаллов PbW04 на радиационно стойкие кристаллы нового поколения.
Одним из перспективных сцинтилляторов являются кристаллы на основе ортосили-ката лютеция. Сцинтилляционные кристаллы LSO (Ce^Lu2_xSi05) были предложены и исследованы С. L. Melcher и J. S. Schweitzer в 1992 г. как новые материалы для использования в гамма-детекторах [2]. Кристаллы LYSO (Cex(Lu,Y)2_xSi05) впервые были выращены и исследованы D.W. Cooke в 2000 г. [3].
Кристаллы LSO и LYSO больших размеров были предложены для использования в экспериментах по физике высоких энергий как перспективные материалы для гомогенных электромагнитных калориметров [4]. Первый прототип электромагнитного калориметра на основе 3 х 3 кристаллов LYSO был успешно протестирован на ускорителе MAMI в области энергий фотонов до 490 МэВ [5].
0.8
'и Ö <D
% 06
-а
<и>
N
^ 0.4 о
Ъ 0.2
0
- LFS-3
LuV, , i , , , , 1 1 1 1 1 i , , , , i i. , . , . , i i 1 1 1 1. .i i , . ,
350 400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength, nm
Рис. 1: Рентгенолюминесцентный спектр для кристалла LFS-3.
Радиационная стойкость кристаллов ЬЭО и ЬУЭО при их облучении 7-пучком исследовалась в работах [6, 7]. Было отмечено, что уменьшение оптического пропускания кристалла ЬЭО составило ^2.5% на сантиметр при облучении дозой 10 Мрад от радиоактивного источника 60Со [6].
Недостатком кристаллов LSO является большой разброс параметров при изготовлении образцов из одного и того же исходного кристалла. Кристаллы LYSO обладают похожей неоднородностью сцинтилляцпонных параметров по длине були, а также имеют тенденцию к растрескиванию.
Новые сцинтилляторы LFS-3 (Lutetium Fine Silicate) были разработаны в Институте общей физики РАН им. A.M. Прохорова на основе кристаллов силикатов лютеция, кристаллизующихся в моноклинную систему с пространственной группой C2/с, Z = 4. Запатентованный состав LFS-3 CexLu2+2y-x-zAzSi1-yO5+y, где A есть, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей Ca, Gd, Sc, Y, La, Eu и Tb [8].
Сцинтилляционные кристаллы LFS-3 диаметром 90 мм и длиной 200 мм были выращены фирмой Zecotec Imaging Systems Pte Ltd, используя метод Чохральского. Для получения исходного расплава использовались компоненты Lu203, Si02 и сцинтилля-ционная добавка Се02 с чистотой 99.99%. Из исходных булей были вырезаны образцы кристаллов LFS-3 для исследования их оптических и люминесцентных характеристик.
Эмиссионный спектр кристаллов LFS-3 (рис. 1) измерялся на установке с возбуждением люминесценции рентгеновскими фотонами с энергией 30 КэВ.
Рис. 2: Амплитудное распределение сцинтиллятора LFS-3, облученного ^-квантами от источника 137 Cs.
Рис. 3: Зависимость интенсивности высвечивания сцинтиллятора LFS-3 от времени.
Для определения световыхода сцинтилляторов LFS-3 использовались спектры полного поглощения 7-квантов от радиоактивных источников, т.н. фотопики. В данной работе измерение фотопиков сцинтилляторов проводилось на установке, в состав которой входили: фотоумножитель Hamamatsu R4125Q с кварцевым окном, быстрый усилитель ORTEC 579, зарядо-чуствительный амплитудный преобразователь ADC LeCroy 2249W. На рис. 2 представлен фотопик для кристалла LFS-3, сцинтилляции в котором возбуждались 7-квантами от радиоактивного источника 137Cs.
Абсолютный световой выход в терминах числа фотоэлектронов/МэВ определялся с помощью калибровки каналов амплитудного преобразователя (ADC), по положению одноэлектронного пика. Используя среднюю квантовую эффективность фотокатода ФЭУ R4125Q в области эмиссионного спектра LFS-3 для конвертирования числа фо-тоэлектронов/МэВ в выход фотонов, получаем световыход кристаллов LFS-3, равный 38000 фотонов/МэВ.
Время высвечивания сцинтилляторов LFS-3 исследовалось на специальной установке с использованием метода "задержанных" совпадений, который заключается в измерении с помощью времяцифрового преобразователя (TDC) распределения временных интервалов At между возбуждением сцинтиллятора и образованием фотоэлектронов на фотокатоде ФЭУ. На рис. 3 приведена зависимость интенсивности высвечивания для
кристалла ЬРБ-З от времени, полученная с помощью радиоактивного источника 22Ха. Для определения параметров временных спектров использовалась функция:
I= Лi • ехрН/тг) + С,
где т — I - компонента времени высвечивания сцинтиллятора, Л^ - ее амплитуда и С~ фон случайных совпадений.
Время высвечивания кристалла ЬЕБ-З равно 35.4 ± 1.4 нсек при фитировании временного спектра функцией с одной экспонентой.
Таблица 1 Основные характеристики сцинтилляционных кристаллов
Материал Ха1(Т1) ЬУБО [9] ЬЕЗ-З
Плотность, р ^/ст3) 3.67 7.1 7.35
Точка плавления, (°С) 651 1990 2000
Радиационная длина, Х0 (см) 2.59 1.19 1.15
Радиус Мольера, Ят (см) 4.3 2.16 2.09
Световьтход (фотонов/МэВ) 40000 32000 38000
Время высвечивания, (не) 230 41 35
Максимум эмиссии, (нм) 410 420 425
Показатель преломления п в максимуме эмиссии 1.85 1.81 1.81
Твердость, (Моос) 2 5 5
Гигроскопичность Да Нет Нет
Основные характеристики новых кристаллов ЬЕБ-З в сравнении с кристаллами Ха1(Т1) и ЬУЭО представлены в таблице 1. Надо отметить, что ЬЕБ-З является перспективным сцинтилляционньтм материалом как для электромагнитной калориметрии в экспериментах по физике высоких энергий, так и для позитронно-эмиссионной томографии.
В данной работе проводились исследования устойчивости кристаллов ЕТБ-З к радиационным повреждениям от заряженных адронов и 7-квантов.
Для измерения радиационной стойкости кристаллов ЬЕБ-З использовались полированные образцы с размерами 10 х 10 х 10 мм3, вырезанные из разных мест исходной були. Облучение образцов проводилось с использованием радиоактивного источника 60Со (максимальная мощность приблизительно 4 крад/мин). Кристаллы ЬЕБ-З были
о4-
С
О
80
60
S
сл §
£
S 40
20
. I 1 I . . . 1 1 1 1 1 ! 1 1 . . | 1 1 1 . | 1 ■ Г ^ / LFS-3,(1 cm thick)
I - Before irradiation - after 5 Mrad
after 23 Mrad
_1_1_1_1_1_1_L - after 68 Mrad _1_1_1_1_1_1_1_1_1_■_1_1_1_I_1_1_1_L
300 400 500 600 700 Wavelength, nm
Рис. 4: Спектры оптического пропускания для кристаллов LFS-3 до и после облучения 7-квантами от радиоактивного источника 60 Со.
100
80
Ч© cN
■I 60
СЛ
I 40
20
; LFS-3, 20 mm thick
г 155 MeV protons :
; fluence 4.4-1012 cm-2
; Before irradiation
after 30 days
after 115 days
after 297 days i , , , , i . . . . i . . . . i . .■
300 400 500 600 700 Wavelength, nm
Рис. 5: Спектры оптического пропускания для кристаллов LFS-3 до и после облучения протонным пучком с энергией 155 МэВ.
последовательно облучены тремя дозами: 5, 23 и 68 Мрад. Спектры оптического пропускания измерялись до и непосредственно после облучения с помощью спектрофотометра Ivruess Optronic VIS 6500. Результаты для одного из кристаллов LFS-3 приведены на рис. 4. Анализ спектров пропускания показывает, что для дозы 68 Мрад наблюдается уменьшение в оптическом пропускании на ~2.5% в области эмиссии LFS-3. Для образцов LFS-3, вырезанных из верхней, средней и нижней частей исходного кристалла, доза 23 Мрад не оказывала заметного влияния на оптическое пропускание [10].
Известно, что облучение кристаллов адронами высоких энергий может повреждать кристаллическую решетку и производить значительное число дефектов. Такие повреждения могут не только уменьшать оптическое пропускание кристаллов, но и вносить нарушения в работу сцинтилляционного механизма в кристалле.
Изучение радиационных повреждений кристаллов LFS-3 при их облучении адронами проводилось в протонном пучке синхротрона Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ). Для облучения в протонном пучке использовались полированные образцы LFS-3 сечением 11 х 11 мм2 и длиной 20 мм. Кристаллы LFS были упакованы в матрицу 3 х 2 для одновременного облучения 6 образцов в протонном пучке диаметром 50 мм. Все LFS кристаллы были облучены протонами с энергией 155 МэВ до флюенса 4.4• 1012 частиц/см2. Из-за высокого уровня наведенной радиоактивности первые измерения оптического пропускания образцов кристаллов, облученных протонами, проводились только через 30 дней после облучения. Спектры оптического пропускания для кристаллов LFS-3 до и после облучения протонным пучком представлены на рис. 5. Следует отметить, что для флюенса 4.44012 частиц/см2 повреждения кристаллов LFS-3 отсутствуют [11].
Полученные результаты свидетельствуют о том5 что новый высокоплотныи кристалл-сцинтиллятор LFS-3 является лучшим из кристаллических материалов, предназначенных для электромагнитных калориметров, способных работать в условиях высоких радиационных нагрузок.
ЛИТЕРАТУРА
[1] С. Dissertori et al., Xucl. Instr. Meth. A622, 41 (2010).
[2] C. L, Melcher and J. S. Schweitzer, Xucl. Instr. Meth. A314, 212 (1992).
[3] D. W. Cooke et al., J. Appl. Phys. 88, 7360 (2000).
[4] J. Chen et al., IEEE Trans. Xucl. Sei. 54, 718 (2007).
[5] M. Tliiel et al., IEEE Trans. Xucl. Sci. 55, 1425 (2008).
[6] M. Kobayashi, M. Ishii and C. Melcher, Xucl. Instr. Meth. A335, 509 (1993).
[7] J. Chen et al., IEEE Trans. Xucl. Sci. 54, 1319 (2007).
[8] A. I. Zagumennyi, Yu. D. Zavartsev, S. A. Ivutovoi, Patent US 7,132,060, Xovember 7, 2006. PCT Filed: Mar. 12,2004.
[9] www.detectors.saint-gobain.com
[10] V. Ivozlov et al., LFS-3 new radiation hard scintillator for electromagnetic calorimeters. arXiv:0912.0366vl [physics.ins-det] 2 Dec 2009.
[11] V. Ivozlov et al.. Proton induced damage in LFS-3 and LFS-8 scintillating crystals. arXiv:1105.4963vl [physics.ins-det] 25 May 2011.
Поступила в редакцию 18 апреля 2012 г.
