CC BY
61
УДК 539-l-074-5;620.179.152
РЕГИСТРАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЙ С ЭНЕРГИЯМИ ДО 1,33 МэВ ДЕТЕКТОРАМИ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ
REGISTRATION OF THE RADIATION WITH ENERGIES UP TO 1.33 MeV BY THE DETECTORS OF SMALL SIZES
А.С. Деев O.S. Deiev
ННЦ «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина
NSC "Kharkov Institute of Physics and Technology", 1 Akademicheskaya St, Kharkov, 61108, Ukraine
E-mail: deev@kipt.kharkov.ua
Аннотация. Детектирующим модулем на основе неохлаждаемого кремниевого планарного детектора и детектирующим модулем типа «сцинтиллятор - кремниевый фотосенсор» измерены спектры гамма-излучения источников 241Am, 57Co, 137Cs, 133Ba, 22Na, 6°Co. Спектры излучения для Si планарного детектора 5x5x0.3 мм3 содержат пики полного поглощения для энергий Y-квантов до 662 кэВ. Экспериментально измеренная ширина пиков (FWHM) для энергий EY от 59-54 до 662 кэВ находится в диапазоне от 1.3 до 3.6 кэВ. Разрешение детектирующей системы на основе сцинтиллятора CsI(Tl) размером 2x2x2.4 мм3 для энергий от 59.54 до 1332.5 кэВ составило 22.8-86 кэВ.
Resume. Spectra of gamma radiation of sources 241Am, 57Co, 137Cs, 133Ba, 22Na, 6°Co were measured by the detecting module based on uncooled planar silicon detector and by the detecting module of the type "scintillator - silicon photo sensor". Spectra of radiation for planar Si detector 5x5x0.3 mm3 contain peaks of full absorption for Y-rays energies up to 662 keV. The experimentally measured width of the peaks (FWHM) for energies EY from 59.54 keV to 662 keV is in the range from 1.3 to 3.6 keV. The resolution of the detecting system based on scintillator CsI(Tl) 2x2x2.4 mm3 for the energies from 59.54 keV to 1332.5 keV was 22.8-86 keV.
Ключевые слова: кремниевые планарные детекторы, энергетическое разрешение детектора, источники гамма-излучения.
Key words: silicon planar detectors, energy resolution of the detector, sources of gamma rays.
Введение
Изготовленные в ННЦ ХФТИ герметизированные модули неохлаждаемых планарных кремниевых детекторов толщиной 300 мкм и детектирующие системы типа сцинтиллятор CsI (Tl) - кремниевый PIN фотодиод, а также считывающая электроника показали высокую стабильность при использовании в экспериментах физики высоких энергий, ядерно-физических экспериментах, в устройствах контроля концентрации элементов, в медицинских диагностических устройствах [1-6]. Конструкция неохлаждаемого планарного Si детектора подробно описана в [2]. Экспериментально детально изучены особенности регистрации гамма-излучений [4-5]. Размеры Si детекторов 2x2x0.3 мм3, 5x5x0.3 мм3. Размеры сцинтилляторов 2x2x10 мм3, 2x2x2.4 мм3, 5x5x10 мм3 (Рис. 1).
fe ~
щ
Si PIN
б) Csl (TI) - Si PIN
в) Si PIN
г) CsI (Tl) - Si PIN
Рис. 1. Основные типы детектирующих модулей [1-3] Fig. 1. Main types of detection modules [1-3]
После изготовления изделия тестируются по статическим характеристикам (токи утечки и емкость детектора в зависимости от напряжения обеднения) и по динамическим характеристикам (энергетическое разрешение детектора - полная ширина на полувысоте фотопика - FWHM). Ранее в [5,7] нами определены минимальные пороговые энергии, которые можно регистрировать такими детекторами и их предельное разрешение при комнатной температуре [7].
Для системы CsI (Tl) - Si минимальная энергия регистрации составила ~36 кэВ (ограничения обусловлены шумами регистрирующей системы) при разрешении FWHM ~25 кэВ. Для Si детектора минимальная энергия регистрации ~3,5 кэВ, а разрешение составило 0.7-0.9 кэВ для различных типов электроники [7].
Малый размер Si детекторов обуславливает трудности при регистрации квантов с высокими энергиями (большое количество комптоновски рассеянных квантов и низкая эффективность фотопоглощения).
Целью настоящей работы является определение верхнего энергетического предела регистрации гамма-квантов детектирующими модулями двух типов. Использованы радиоактивные источники 241Am, 57Co, 137Cs, 133Ba, 22Na, 60Co с энергией в диапазоне 59.54 кэВ - 1332.5 кэВ. Измерялись и рассчитывались в GEANT 4 спектры выделенной энергии в детекторах малых размеров.
Регистрация гамма-квантов с энергиями до 1,33 МЭВ системами CsI(Tl) —
Si PIN фотодиод малых размеров
Проведены измерения для детектирующей системы CsI(Tl) - Si PIN фотодиод с размером сцинтиллятора 2x2x2.4 мм3 (Рис. 2,3). Определено разрешение (FWHM) для линий излучения изотопов 241Am, 57Со, 137Cs, 22Na, 60Co с энергией в диапазоне 59.54 кэВ - 1332.5 кэВ.
Данные экспериментально определенного энергетического разрешения FWHM детектирующей системы на основе сцинтиллятора CsI(Tl) размером 2x2x2.4 ммз в зависимости от энергии регистрируемого излучения представлены в табл. 1.
CsI(Tl)-Si, 2X2X2.4 мм3
1500 2000
Channel
б) CsI(Tl)-Si, 5x5x10 ммз
Рис. 2. Экспериментальные спектры излучения источника 137Cs измеренные детектором CsI(Tl)-Si Fig. 2. Experimental spectra of a 137Cs source measured with a detector CsI(Tl)-Si
Таблица 1 Table 1
Разрешение детектирующей системы на основе сцинтиллятора CsI(Tl) размером 2x2x2.4 мм3 Resolution of the detector system based scintillator CsI (Tl) measuring 2 x 2 x 2.4 mm3
Энергия, кэВ 59-54 122 511 662 1274.5 1332.5
FWHM ~22.8 ~26.4 ~52 ~58 ~71 ~86
Channel
a) 22Na
Channel
б) 6oCo
Рис. 3. Экспериментальные спектры излучения источников 22Na, 6oCo измеренные детектором CsI(Tl)-Si Fig. 3. Experimental emission spectra of the sources 22Na, 6oCo measured with a detector CsI(Tl)-Si
Типичные расчеты в GEAN4 выделенной энергии, например, для 6oCo показаны на рис. 4.
Рис. 4. Расчетные спектры выделенной энергии гамма-квантов от источника 6oCo в детекторе CsI(Tl)-Si размером 5x5x10 мм3
Fig. 4. The calculated spectra of deposited energy of gamma rays from 6oCo source in the detector a CsI(Tl)-Si with a
size of 5x5x10 mm3
Измерения показывают возможность определения энергии излучения с энергией вплоть до 1.5 МэВ. Однако разрешение системы CsI(Tl)-Si падает, и в случае сложного спектра гамма-излучения, состоящего из нескольких линий, разделить близлежащие линии становится сложно.
Регистрация гамма-квантов с энергиями до 0.662 МэВ планарными Si детекторами
Нижний предел измерений ~3.5 кэВ ограничен защитной А фольгой и шумами электроники системы ~1.5 кэВ. Для определения верхнего энергетического предела регистрации гамма-квантов планарным детектором использовались источники излучения 1ззБа и 1з7Cs.
Относительная интенсивность линий 1ззБа составляет (энергия излучения в кэВ к интенсивности в процентах) ЕУДУ: 35/22.6; 53/2; 79.6/3; 81/34; 276/34; 276/7; 303/18; 356/62; 383/9.
На Рис. 5,6 представлены экспериментальные спектры излучения линий 133Ба для Si детектора 5x5x0.3 мм3, измеренные при падении квантов под прямым углом (90°) к поверхности детектора и под нулевым углом (0°) к поверхности детектора.
90° б) о°
Рис. 5. Экспериментальные спектры излучения 133Ba измеренные Si детектором 5x5x0.3 мм3 Fig. 5. Experimental emission spectra of 133Ba are measured by the Si detector of 5x5x0.3 мм3
90°
б) o°
Рис. 6. Экспериментальные спектры излучения 133Ba измеренные Si детектором 5x5x0.3 мм3 (высокоэнергетическая часть). Фитирование пиков проведено в ORIGIN 8 Fig. 6. Experimental emission spectra of 133Ba are measured by the Si detector of 5x5x0.3 mm3 (high-coemergency
part). The tting of peaks is carried out in ORIGIN 8
Под углом 0° регистрируется в 2.5-3 раза больше высокоэнергетичных квантов. Расположение детектора - «ласточкин хвост» (Рис. 1,в). Линии легко идентифицируются, определены ширины линий излучения (FWHM). Расчет в GEANT4 согласуется с экспериментом (рис. 7).
о
О 60000
Ba-133 in Si 5x5x0.3 mm, 0 grad
276 303 356 383
calculated -
_ 1 . ■ 1
Рис. 7. Расчетные спектры выделенной энергии источника 133Ba в Si детекторе 5x5x0.3 мм3
(высокоэнергетическая часть) Fig. 7. The calculated spectra of deposited energy of the 133Ba source in Si-detector 5x5x0.3 mm3 (high energy part)
Данные экспериментально определенного энергетического разрешения FWHM детектирующей системы на базе Si детектора размером 5x5x0.3 мм3 в зависимости от энергии регистрируемого излучения представлены в табл. 2.
Таблица 2 Table 2
Разрешение детектирующей системы на базе Si детектора размером 5x5x0.3 мм3 The resolution of the detection system based on Si detector with a size of 5x5x0.3 mm3
Энергия, кэВ 59-54 53 8i 276 303 356 383 662
FWHM ~1.3 ~1.62 ~1.67 ~1.58 -1.78 -1.94 -2.03 -3.6
На рис. 8-10 представлены экспериментальные и расчетный спектры излучения источника 1370з, Еу=вв2 кэВ, измеренные Б1 детектором 5x5x0.3 мм3, измеренные при падении квантов под прямым углом (90°) к поверхности детектора и под нулевым углом (0°) к поверхности детектора.
а) Экспериментальный спектр
б) Пик фотопоглощения
Рис. 8. Экспериментальные спектры излучения источника 137Cs, измеренные Si детектором 5x5x0.3 мм3 при
падении квантов под углом 0° к поверхности детектора Fig. 8. Experimental spectra of a 137Cs source measured with a Si detector 5x5x0.3 mm3 in the fall of quanta at an angle of 0° to the surface of the detector
Channel
а) Экспериментальный спектр
б) Пик фотопоглощения
Рис. 9. Экспериментальные спектры излучения источника 137Cs, измеренные Si детектором 5x5x0.3 мм3 при
падении квантов под углом 90° к поверхности детектора Fig. 9. Experimental spectra of a 137Cs source measured with a Si detector 5x5x0.3 mm3 in the fall of quanta at an angle
of 90° to the surface of the detector
а) Расчетный спектр
б) Пик фотопоглощения
Рис. 10. Расчетный спектр излучения источника 137Cs в Si детекторе 5x5x0.3 мм3 при падении квантов под углом 90° к поверхности детектора Fig. 10. The calculated spectrum of a 137Cs source in Si-detector 5x5x0.3 mm3 in the fall of quanta at an angle of 90° to
the surface of the detector
Зарегистрированных квантов в фотопике больше при падении квантов под нулевым углом (0°) к поверхности детектора. Линии идентифицируются, определена ширина фотопика FWHM ~3,6 кэВ. Требуются очень длительные экспозиции. Расчет в GEANT 4 подобен экспериментальным данным. Для получения фотопика в случае поглощения кванта с EY=662 кэВ необходимо поглотить электрон с энергией ~660 кэВ, средний пробег которого в кремнии около 1.5 мм. Траектория электрона должна лежать в плоскости детектора. Регистрация таких квантов является почти предельным случаем для тонкого планарного детектора.
Выводы
Таким образом, определены верхние энергетические пределы регистрации гамма-квантов детектирующими модулями малых размеров и двух типов. Использованы радиоактивные источники 241Лт, 57Со, 133Ба, 22Ма, 6оСо с энергией в диапазоне 59.54 кэВ - 1332.5 кэВ.
Экспериментально определенное разрешение детектирующей системы на основе сцинтил-лятора CsI(Tl) размером 2x2x2.4 мм3 составило: для энергии 59.54 кэВ - FWHM ~22,8 кэВ, для энергии 122 кэВ - FWHM ~26.4 кэВ, для энергии 511 кэВ - FWHM ~52 кэВ, для энергии 662 кэВ -FWHM ~58 кэВ, для энергии 1274.5 кэВ - FWHM ~71 кэВ, для энергии 1332.5 кэВ - FWHM ~86 кэВ. Спектры излучения для Si планарного детектора 5x5x0.3 мм3, несмотря на чрезвычайно малую эффективность регистрации, содержат пики полного поглощения для энергий квантов до 662 кэВ. Экспериментально определенное разрешение детектирующей системы Si детектором 5x5x0.3 мм3 составило: для энергии 59.54 кэВ - FWHM ~1.3 кэВ, для энергии 53 кэВ - FWHM ~1.62 кэВ, для энергии 81 кэВ - FWHM ~1.67 кэВ, для энергии 276 кэВ - FWHM ~1.58 кэВ, для энергии 303 кэВ -FWHM -1.78 кэВ, для энергии 356 кэВ - FWHM ~1.94 кэВ, для энергии 383 кэВ - FWHM ~2.03 кэВ, для энергии 662 кэВ - 3.6 кэВ.
Список литературы
1. Vasilyev G.P. , Voloshin V.K. , Kiprich S.K. et al. 2010. Encapsulated modules of silicon detectors of ionizing radiation. Problems of atomic science and technology, № 3, Series: Nuclear Physics Investigations (54): 200204.
2. Maslov N.I. 2013. Physical and technological aspects of creation and applications of silicon planar detectors. Problems of atomic science and technology, № 2, Series: Nuclear Physic Investigations (84): 165-171.
3. Kulibaba V.I. , Maslov N.I. , Naumov S.V. , Ovchinnik V.D. , Prokhorets I.M. 2001. Readout electronics for multichannel detectors. Problems of Atomic Science and Technology. Ser.:NPI. 5(39): 177-179.
4. Bochek G.L. , Deiev O.S. , Maslov N.I. , Voloshyn V.K. 2011. X-ray lines relative intensity depending on detector efficiency, foils and cases thickness for primary and scattered spectra. Problems of atomic science and technology, № 3, Series: Nuclear Physic Investigations (55): 42-49.
5. Vasiliev G.P. , Voloshyn V.K. , Deiev O.S. et al. 2014. Measurement of Radiation Energy by Spectrometric Systems Based on Uncooled Silicon Detectors. Journal of Surface Investigation. X ray. Synchrotron and Neutron Techniques. 2(8): 391-397.
6. Vasiliev G.P. , Voloshyn V.K., Deiev O.S. et al. 2012. Radiation dose determination by dual channel spec-trometr in energy range 0.005...1 MeV. Problems of atomic science and technology, 4 (80). Series: Nuclear Physic Investigations (59): 205-209.
7. Деев А.С. , Мазилов А.А. , Наумов С.В. , Шулика М.Ю. 2015. Энергетическое разрешение спектрометра на основе неохлаждаемого Si планарного детектора и предварительного усилителя с емкостной и рези-стивно-емкостной обратной связью. Belgorod State University Scientific Bulletin, Mathematics & Physics, 23 (220), вып. 41: 62-70.
Deiev O.S. , Mazilov A.A. , Naumov S.V. , Shulika M.Yu. 2015. Energy resolution of the spectrometer based on uncooled planar Si detector and pre-amplifier with capacitive and resistive-capacitive feedback. Belgorod State University Scientific Bulletin, Mathematics & Physics, 23 (220), issue 41: 62-70.
