СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР С ПИКОСЕКУНДНЫМ ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ НА ОСНОВЕ CsF

Область техники
Полезная модель относится к области сцинтилляционной техники, в частности, к быстродействующим сцинтилляционным детекторам, предназначенным для регистрации ионизирующих частиц (быстрых электронов и позитронов, гамма-квантов с энергией от 100 кэВ до 10 МэВ) с высоким временным разрешением (сцинтилляционная компонента обеспечивает временную точность не хуже 10 пс), в экспериментах с высокими потоками в физике высоких энергий 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 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 (до 1.5 мм) 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 С 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 постоянной 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 Тm (патент RU 2467354 С1 опубликовано 20.11.2012, кл. G01T 1/202) или Sc (патент RU 2436123 С1 опубликовано 10.12.2011, кл. G01T 1/202), который обеспечивает подавление медленных компонент свечения, 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.
-4
-3
Наиболее близким к заявляемому решению является сцинтилляционный детектор, в котором для регистрации ионизирующих частиц используются кристаллы, в которых наблюдается так называемая внутризонная люминесценция, обусловленная свечением горячих вторичных электронных возбуждений (патент RU 165998 U1 опубликовано 10.11.2016, кл. G01T 1/20). Время затухания такого свечения не превышает времени жизни горячего электронного (или дырочного) состояния, то есть нескольких пикосекунд. Однако эффективность внутризонной люминесценции составляет 10-10 фотонов на одно вторичное электронное возбуждение, что может оказаться недостаточным для получения высокого временного разрешения по времени регистрации первого фотона.
2
Таким образом, сцинтилляционные детекторы на основе кристаллов с активаторным свечением обладают существенно худшим временным разрешением, сцинтилляторы на основе внутризонной люминесценции обладают недостаточно высоким световыходом, а сцинтилляторы на основе кристаллов BaF 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 100 кэВ до 10 МэВ, сцинтилляционная компонента которого обеспечивает временную точность не хуже 10 пс.
Техническим результатом является улучшение точности измерения момента попадания (регистрации) ионизирующей частицы до 10 пикосекунд за счет применения материала, обладающего свечением с пикосекундным временем разгорания и спектром, совпадающим с областью чувствительности кремниевых фотоумножителей.
Задача решается за счет сцинтилляционного детектора для регистрации ионизирующих частиц и гамма-квантов с энергией от 100 кэВ до 10 МэВ, сцинтилляционная компонента которого обеспечивает временную точность не хуже 10 пикосекунд, который содержит сцинтиллирующую кристаллическую пластину (сцинтиллятор) толщиной до 1 мм из чистого CsF, помещенного в герметичную прозрачную оболочку, и кремниевый фотоумножитель, находящийся в оптическом контакте со сцинтиллятором. Кристаллы CsF являются гигроскопичным материалом, поэтому пластина помещена в герметичную оболочку. Оболочка может быть выполнена из кварца толщиной до 0.5 мм. Ограничение на толщину пластины CsF накладывается требованием 10 пс временного разрешения. При этом в 1 мм CsF будет поглощаться ~ 10% гамма-квантов с энергий 511 КэВ. В физике высоких энергий при высоких потоках излучения такой подход не создает проблемы. В позитрон-эмиссионной томографии, где увеличение потока потребует увеличения дозы облучения пациента, предлагается другая геометрия, при которой гамма-излучение направляется в торец пластины CsF. Для считывания используется матрица из SiPM, позволяющая определять локализацию (расстояние от точки входа гамма-излучения) сцинтилляционной вспышки.
Таким образом, задача решается за счет применения для регистрации ионизирующих частиц кристаллов CsF, в которых наблюдается кросслюминесценция с субпикосекундным временем разгорания и спектром свечения, хорошо соответствующим области спектральной чувствительности кремниевых фотоумножителей.
r
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. В случае кросслюминесценции время термализации электронов и валентных дырок не влияет на временные характеристики свечения, и время разгорания определяется временем термализации дырки в верхней остовной зоне, которое очень короткое из-за низкой подвижности таких дырок и составляет τ≤1 пс (Т. Sekikawa, et al., J. Opt. Soc. Am. В 19 (2002) 1941).
d
phe
d
phe
Сцинтиллятор CsF испускает только быструю кросслюминесценцию без примеси какого-либо медленного свечения. Время затухания кросслюминесценции в CsF составляет τ = 2.8 нс (М. Moszinski et al., Nucl. Instrum. Meth. 179 (1981) 271), и центр полосы свечения находится при 390 нм (V.N. Makhov, М. Kirm, G. Zimmerer, Proceedings of the Eighth Int. Conf. on Inorganic Scintillators and their Use in Scientific and Industrial Applications SCINT 2005, Alushta, Crimea, Ukraine, September 19-23, 2005, pp. 74-76.). Фотоэлектронный выход сцинтиллятора CsF составляет N ~ 500/МэВ (M. Moszinski et al., Nucl. Instrum. Meth. 205 (1983) 239), что обеспечивает предельное временное разрешение сцинтиллятора Δt = τ/ N ~ 5 пс. Разница времен прихода фотонов на детектор от передней и задней граней кристалла CsF составляет не более 2 пикосекунд при толщине кристалла 1 мм. Тем самым, разрешение регистрации одиночных ионизирующих частиц и гамма-квантов составляет 10 пикосекунды (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 100 кэВ до 10 МэВ.
Детектор содержит сцинтиллирующую кристаллическую пластину (1) в герметичной прозрачной оболочке (2) и кремниевый фотоумножитель (3).
Пластина (1) выполнена из чистого (без примесей) CsF. Толщина пластины (1) до 1 мм. Пластина (1) заключена в прозрачную герметичную оболочку (2). Кремниевый фотоумножитель (3) находится в оптическом контакте с пластиной (1) через прозрачную оболочку (2).
Современные кремниевые фотоумножители (SiPM) обладают временем нарастания сигнала менее 100 пс, что обеспечивает временное разрешение всего детектора тоже менее 100 пс.
Обычно пластина (1) и кремниевый фотоумножитель (3) крепятся между собой посредством склейки. Однако, также возможно выполнение сцинтилляционного детектора внутри герметичного корпуса (2) из оптически прозрачного вещества толщиной стенок до 0.5 мм, например, кварца, содержащим пластину (1) и кремниевый фотоумножитель (3), при этом пластина (1) и кремниевый фотоумножитель (3) склеиваются с помощью оптически прозрачного клея.
Детектор работает следующим образом.
Ионизирующая частица или гамма-квант с энергией от 100 кэВ до 10 МэВ при попадании в сцинтиллирующую кристаллическую пластину (1) из CsF вызывает генерацию оптических фотонов в течение ~ 2.8 наносекунд, однако первый фотон генерируется в среднем за время ~ 5 пикосекунд.
Таким образом, данный сцинтилляционный детектор позволяет регистрировать момент прихода ионизирующей частицы, в частности быстрых электронов и позитронов, гамма-квантов с энергией от 100 кэВ до 10 МэВ, с временной точностью до 100 пс.
В качестве примера можно привести конструкцию, в которой площадь пластины кремниевого фотоумножителя ASD-SiPM3S-M-50 фирмы AdvanSiD составляет 3×3 мм, а временное разрешение - 120 пс (V. Puill, et al., Nuclear Instruments & Methods In Physics Research A (2012)), а кристалл CsF имеет размеры 1×3×3 мм. При этом временное разрешение такой системы будет определяться только характеристиками кремниевого фотоумножителя, поскольку фронт нарастания оптического отклика много меньше последнего.