СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ МОМЕНТА ПРИХОДА ИОНИЗИРУЮЩЕЙ ЧАСТИЦЫ С ПИКОСЕКУНДНОЙ ТОЧНОСТЬЮ

Область техники
Полезная модель относится к области регистрации ионизирующих частиц (быстрых электронов и позитронов, гамма-квантов с энергией от 500 кэВ до 10 МэВ) с высоким временным разрешением, в частности, к сцинтилляционным детекторам, и предназначена для регистрации частиц в физике высоких энергий с высокими потоками и в медицинской аппаратуре, в частности, позитрон-эмиссионных томографах с времяпролетной регистрацией.
Уровень техники
Требования, предъявляемые к материалам для детекторов ионизирующих частиц многочисленны. Наиболее важными свойствами таких материалов являются выход сцинтилляционного сигнала, время затухания люминесценции, энергетическое разрешение, спектральный состав испускаемого свечения и т.д. Для сцинтилляционного детектирования ионизирующих частиц при регистрации событий в будущих ускорителях с высокой светимостью, а также в медицинских позитрон-эмиссионных томографах с времяпролетной регистрацией на первый план выходят параметры, связанные с регистрацией момента прихода ионизирующей частицы, в частности, время прихода первого фотона и время разгорания люминесценции. В таких задачах требуется улучшить временное разрешение до 10 пикосекунд. За счет этого можно существенно улучшить пространственное разрешение позитрон-эмиссионного томографа и повысить его отношение сигнал/шум, а в случае детекторов в физике высоких энергий - различать отдельные события, возникающие в течение столкновения двух сгустков в коллайдерах с высокой светимостью (P. Lecoq, М. Korzhik, A. Vasil′ev, IEEE Trans. Nucl. Sci., 61 (2014) 229-234).
Известно, что во многих прозрачных средах при прохождении ионизирующей частицы через вещество происходит преобразование части энергии в черенковское излучение, что является наиболее быстрым способом преобразования части энергии ионизирующей частицы в фотоны (Линденбаум С., Юан Л., Черенковские счетчики // Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ., М., 1963). Однако такие преобразователи обладают рядом недостатков, в частности, свечение лежит в коротковолновой (ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой) области спектра, что не соответствует спектральной чувствительности современных быстрых приемников оптического излучения, например, кремниевых фотоумножителей (SiPM) (RU 1702831 C опубликовано 27.06.1997, кл. H01L 31/06). Кроме того, в отличии от люминесценции, черенковское излучение неизотропно по отношению к пролетающей частице, и процесс излучения имеет пороговый характер по энергии ионизирующей частицы, свечение наблюдается только для частиц, летящих со скоростью больше фазовой скорости света в кристалле.
Известно, что большинство быстрых сцинтилляторов с центрами свечения в виде активаторов обладают характерным временем разгорания порядка сотен пикосекунд, с характерными временами затухания больше 20 наносекунд, и по этой причине они могут использоваться для регистрации времени пролета частицы по первому фотону только при большом сцинтилляционном выходе (S. Gundacker et al., J. Instrum., 8 (2013) 07014). В настоящее время такие методы дают временное разрешение не лучше 150 пикосекунд, т.к. центры свечения начинают возбуждаться только после термической релаксации электронных возбуждений, которая длится во многих сцинтилляционных кристаллах не менее нескольких пикосекунд, и передаче энергии от электронных возбуждений к активатору с характерным временем в несколько сотен пикосекунд. Кроме того, применение сцинтилляционных материалов с большим интегральным (по времени) сцинтилляционным выходом ухудшает условия регистрации по первому фотону в условиях интенсивных потоков ионизирующих частиц из-за большого количества задержанных фотонов, испускаемых с задержкой порядка времени высвечивания (несколько десятков наносекунд).
2
Известны вещества со сверхбыстрой постоянной высвечивания, у которых эта люминесценция связана с переходами между различными энергетическими зонами (кросслюминесценция), в частности, BaF с постоянного времени высвечивания 0,8 наносекунд (патент US №4510394, опубликовано 09.04.1985, кл. G01J 1/58). Однако это вещество имеет два недостатка, а именно, имеется медленная компонента свечения с длительностью в сотни наносекунд, и спектральный состав сверхбыстрого свечения ограничен ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой областями спектра, что не соответствует области спектральной чувствительности радиационно-стойких приемников на базе SiPM.
2
Известен также способ получения материала на основе BaF за счет добавления Tm, который обеспечивает подавление медленных компонент свечения (патент RU 2467354 C1 опубликовано 20.11.2012, кл. G01T 1/202), и за счет этого у материала сцинтилляционного детектора остается только субнаносекундная компонента. Однако этот способ не меняет спектрального состава свечения, которое остается вне области чувствительности SiPM.
Сцинтилляционные детекторы на основе кристаллов с активаторным свечением обладают существенно худшим временным разрешением, а детекторы на основе кристаллов с кросслюминесценцией имеют свечение в спектральной области, не совпадающей с областью чувствительности кремниевых фотоумножителей.
Раскрытие полезной модели
Задача настоящей полезной модели состоит в разработке сцинтилляционного детектора для регистрации момента прихода ионизирующей частицы, в частности быстрых электронов и позитронов, гамма-квантов с энергией от 500 кэВ до 10 МэВ, с пикосекундной временной точностью.
Техническим результатом является улучшение точности измерения момента попадания (регистрации) ионизирующей частицы до 10 пикосекунд за счет применения материала, обладающего пикосекундным свечением в спектральной области, совпадающей с областью чувствительности кремниевых фотоумножителей.
Технический результат и задача достигаются за счет сцинтилляционного детектора для регистрации ионизирующих частиц и гамма-квантов с энергией от 500 кэВ до 10 МэВ с разрешением во времени не более 100 пикосекунд, который содержит сцинтиллирующую кристаллическую пластину толщиной до 1 мм из чистого CsI, выполненную со светорассеивающим покрытием, за исключением части поверхности, находящейся в оптическом контакте со стеклянным светофильтром, выполненного с возможностью пропускания сверхбыстрого излучение CsI с длиной волны более 500 нм и с возможностью поглощения более медленного излучения с длиной волны короче 450 нм, и кремниевый фотоумножитель, в свою очередь находящийся в оптическом контакте со стеклянным светофильтром.
Светорассеивающее покрытие может представлять собой тефлон.
Кремниевый фотоумножитель может представлять собой SiPM.
Стеклянный светофильтр может представлять собой оптическое цветное стекло ЖС-16.
Стеклянный светофильтр может представлять собой оптическое цветное стекло ЖС-17.
Т.е. задача решается за счет применения для регистрации ионизирующих частиц кристаллов, в которых наблюдается свечение горячих вторичных электронных
возбуждений. Время затухания такого свечения не превышает времени жизни горячего электронного (дырочного) состояния, то есть нескольких пикосекунд.
-4
-3
При взаимодействии ионизирующей частицы (первичной ионизирующей частицы или фотоэлектрона, созданного в результате поглощения гамма-кванта) с веществом развивается каскад электронных возбуждений длительностью до нескольких десятков фемтосекунд, который завершается, когда энергия электронов и дырок в каскаде становится меньше порога сильно неупругих рассеяний с образованием новых электронных возбуждений. После этого наступает этап термализации возбуждений, который имеет длительность от долей до единиц пикосекунд. Термализация возбуждений проходит за счет испускания оптических фононов. Параллельным каналом для этого процесса в диэлектрических кристаллах является испускание фотонов. Поскольку имеет место конкуренция этих каналов, то время высвечивания таких фотонов определяется скоростью релаксации на фононах (до единиц пикосекунд), а интенсивность процесса - соотношением вероятностей испускания фотона и фонона. Оценки этих вероятностей дают эффективность свечения порядка 10-10 фотонов на одно вторичное электронного возбуждение (D.I. Vaisburd and К.Е. Evdokimov, Phys. Stat. Sol. (c) 2(2005) 216), что составляет порядка 10 фотонов на 1 МэВ энергии ионизирующей частицы. Такая люминесценция получила название внутризонной люминесценции и наблюдалась под воздействием электронных пучков в ряде диэлектрических кристаллов (E.D. Aluker et al., JETP Lett., 47 (1988) 142). Было показано, что у этой люминесценции имеется компонента в инфракрасной области спектра (A.N. Vasil′ev, R.V. Kirkin, Physics of Wave Phenomena, 23 (2015) 186), что совпадает с областью чувствительности современных кремниевых фотоумножителей. Интенсивность этой внутризонной люминесценции увеличивается с замедлением скорости остывания электронных возбуждений на оптических фононах, что в свою очередь проявляется в кристаллах с малой энергией оптического фонона (например, CsI, у которого энергия оптических фонона равна 10 мэВ). На эту область в таких кристаллах приходится до 10 фотонов сверхбыстрой внутризонной люминесценции на 1 МэВ поглощенной энергии, что достаточно для регистрации с помощью кремниевого фотоумножителя.
Учитывая, что в кристалле CsI пробег частицы с энергией 1 МэВ составляет порядка 1 мм, разница времен прихода фотонов на детектор от начала и конца трека составляет не более 3 пикосекунд. Длительность внутризонной люминесценции в CsI не превышает время термализации вторичных электронов и дырок, которая составляет не более 3 пикосекунд (A.N. Vasil′ev and A.V. Gektin, IEEE Trans. Nucl. Sci. 61 (2014) 235). Тем самым, учитывая разброс времен прихода фотонов люминесценции на SiPM от разных участков трека и от различных стадий термализации, разрешение регистрации одиночных ионизирующих частиц составляет 5 пикосекунд (без учета временного разрешения SiPM).
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 схематично изображен сцинтилляционный детектор ионизирующих частиц, предназначенный для регистрации ионизирующих частиц, в частности быстрых электронов, позитронов и гамма-квантов с энергией от 500 кэВ до 10 МэВ.
Детектор содержит сцинтиллирующую кристаллическую пластину (1), светофильтр (2) и кремниевый фотоумножитель (3).
Пластина (1) выполнена из чистого (без примесей) CsI. Толщина пластины (1) до 1 мм. Пластина (1) выполнена со светорассеивающим покрытием, (например, тефлоном либо другим известным светорассеивающим покрытием) за исключением части поверхности, находящейся в оптическом контакте со стеклянным светофильтром (2). Светофильтр (2) выполнен с возможностью пропускания сверхбыстрого излучения CsI с длиной волны более 500 нм и поглощения более медленного излучения с длиной волны короче 450 нм. Кремниевый фотоумножитель (3) в свою очередь находится в оптическом контакте со светофильтром (2).
Светофильтр (2) выделяет область длин волн 500-1200 нм. Светофильтром (2) может быть, например, известное оптическое цветное стекло ЖС-16 или ЖС-17 (см. ГОСТ 9411-91), которые отвечают требованиям - пропускают сверхбыстрое излучение CsI с длиной волны более 500 нм и поглощают более медленное излучение с длиной волны короче 450 нм.
Фильтрация излучения необходима в связи с тем, что номинально чистый кристалл CsI имеет при комнатной температуре, помимо пикосекундного свечения с широкой полосой (интенсивность которой повышается с увеличением длины волны свечения), также свечение с максимумом около 310 нм (так называемую быструю собственную люминесценцию, имеющую компоненты затухания до 10 нс). Для того, чтобы отсечь эту компоненту свечения, и применяется светофильтр (2). Тем самым на приемник излучения - кремниевый фотоумножитель (3) поступают только фотоны области спектра, соответствующей пикосекундной внутризонной люминесценции. Современные кремниевые фотоумножители, например, SiPM, обладают временем нарастания сигнала менее 100 пс, что обеспечивает временное разрешение всего детектора тоже менее 100 пс.
Обычно пластина (1), светофильтр (2) и кремниевый фотоумножитель (3) крепятся между собой посредством склейки. Однако, также возможно выполнение сцинтилляционного детектора внутри корпуса, содержащим пластину (1), светофильтр (2) и кремниевый фотоумножитель (3), при этом пластина (1), светофильтр (2) и кремниевый фотоумножитель (3) могут быть склеенными, а могут находиться внутри корпуса без склейки, но при этом вышеуказанные элементы (1), (2) и (3) находятся в оптическом контакте.
Детектор работает следующим образом.
Ионизирующая частица или гамма-квант с энергией от 500 кэВ до 10 МэВ при попадании в сцинтиллирующую кристаллическую пластину (1) из CsI вызывает генерацию оптических фотонов, часть из которых генерируется в течение 1 пикосекунды и имеет длину волны более 500 нм, а часть генерируется в течение 1-10 наносекунд и имеет длину волны от 250 до 400 нанометров. Спектральное различие быстрой и медленной компонент свечения позволяет их разделить с помощью светофильтра (2), за счет чего на приемник оптических фотонов - кремниевый фотоумножитель (3) поступает только быстрая компонента сцинтилляционного отклика. Медленная компонента не проходит сквозь светофильтр (2). Кремниевый фотоумножитель (3) преобразует поступающий оптический сигнал в электрический импульс с задержкой не более 100 пикосекунд, который затем обрабатывается.
Таким образом, данный сцинтилляционный детектор позволяет регистрировать момент прихода ионизирующей частицы, в частности быстрых электронов и позитронов, гамма-квантов с энергией от 500 кэВ до 10 МэВ, с пикосекундной временной точностью (до 10 пс).