Метод сравнения различных сцинтиллирующих кристаллов: световой выход, время спада и разрешающая способность при помощи γ-излучения

Комплектация оборудования:

Цель эксперимента: 

Сравнить основные характеристики различных сцинтиллирующих кристаллов, а именно световой выход и время спада сцинтилляционного свечения. Проверить влияние этих параметров на энергетическое разрешение.

Основа эксперимента:

Сцинтиллирующие материалы обладают разными характеристиками, связанными со световым выходом и временем свечения. Спектрометр CAEN укомплектован тремя различными кристаллами:

• BGO (германат висмута),

• LYSO(Ce) (лютетий-иттриевый ортоcиликат, легированный церием),

• CsI(Tl) (йодид цезия, легированный талием).

Все кристаллы имеют одинаковый объём (6 × 6 × 15 мм³), полированы со всех сторон и покрыты белым эпоксидным слоем на пяти гранях. Одна грань 6 × 6 мм² открыта для оптического контакта с кремниевым фотомножителем.

Основные характеристики кристаллов приведены в таблице

Световой выход оказывает прямое влияние на энергетическое разрешение. Последнее также зависит от времени спада, поскольку оно определяет длительность интегрирования сигнала и влияние стохастических шумов детектора (темновые счета, афтерпульсы).

Проведение эксперимента:

• Кристалл сцинтиллятора должен быть соединён с кремниевым фотопомножителем (SiPM) в модуле SP5607 с помощью тонкого слоя оптической смазки для максимального сбора света.
• Чтобы избежать насыщения, выходной сигнал с SiPM разделяется с помощью делителя A315:

– одна ветвь подключается к DT5720A и оцифровывается,
– другая проходит через модуль SP5600, где усиливается и используется для генерации триггера интеграции сигнала по переднему фронту.

• Порог срабатывания дискриминатора необходимо установить, ориентируясь на спектр и уровень тёмных шумов.
• После настройки и корректного размещения радиоактивного источника можно приступать к регистрации спектра.
• Процедуру следует повторить для каждого из кристаллов.

Блок-схема экспериментального оборудования:

Результаты:

Характеристики кристаллов исследуются путём регистрации спектра радиоактивного источника (например, ^137Cs) с тремя различными кристаллами, оптимизируя время интегрирования в зависимости от времени спада сцинтилляции.

Согласно таблице, световой выход кристаллов существенно различается:
– LYSO(Ce) имеет световой выход в 3 раза выше, чем у BGO,
– а у CsI(Tl) он в 2 раза выше, чем у LYSO(Ce).

Анализ формы сигнала или зависимость заряда от времени интегрирования позволяет определить временные характеристики сцинтилляторов.

Спектры энергии  ¹³⁷Cs: синий спектр соответствует регистрации с помощью кристалла lyso, красный — с кристаллом bgo, черный — с кристаллом csi(tl).