Сцинтилляционные счетчики Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц

Сцинтилляционные счетчики Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп. Игорь Алексеев, ИТЭФ

Неорганические сцинтилляторы S- Q- эффективность сцинтилляции эффективность преобразования энергии эффективность переноса к сцинтиллирующему центру квантовый выход сцинтиллятора Есть несколько компонент с различными временами высвечивания. Игорь Алексеев, ИТЭФ

Характеристики неорганических сцинтилляторов Игорь Алексеев, ИТЭФ

Обозначения – плотность MP – температура плавления X 0 – радиационная длина RM – радиус Мольера (90% энергии внутри цилиндра с радиусом RM и 99% внутри цилиндра с радиусом 3. 5 RM) d. E/dx – потери на ионизацию для m. i. p I – длина затухания decay – время высвечивания max – максимальная длина волны n – коэффициент преломления d<LY>/d. T – зависимость световыхода от температуры Игорь Алексеев, ИТЭФ

Na. I(Tl), Bi 4 Ge 3 O 12 Bicron: http: //www. detectors. saint-gobain. com Игорь Алексеев, ИТЭФ

Особенности неорганических сцинтилляторов • Применение: электромагнитные калориметры, регистрация гамма-квантов. • Относительно дорогие кристаллы • Радиационная стойкость ~ 100 к. Грей/год (1 Грей = 1 Дж/кг = 100 рад) • До 40000 фотонов на Мэ. В • Высокие Z и Игорь Алексеев, ИТЭФ

Жидкие благородные газы LAr, LXe, LKr Несколько компонент высвечивания с временами от нескольких наносекунд до микросекунды Применение: поиски темной материи и другие низкофоновые эксперименты Игорь Алексеев, ИТЭФ

Органические сцинтилляторы Трехкомпонентная схема Игорь Алексеев, ИТЭФ

Смещение спектра Игорь Алексеев, ИТЭФ

Свойства органических сцинтилляторов • ~ 10000 фотонов на Мэ. В ~ 1 г/см 3 • Небольшое Z • Относительно дешевый • Короткое время высвечивания (нс) • Радиационная стойкость ~ 10 к. Грей/год • Применение: триггерные и время-пролетные счетчики (антисчетчики), гетерогенные (сэмплинг) калориметры, трековые приборы на сцинтилляционных волокнах Игорь Алексеев, ИТЭФ

Сбор света адиабатически “рыбий хвост” Теорема Лиувилля: фазовый объем сохраняется. Свет, излученный вначале хаотически в произвольных направлениях, нельзя собрать на меньшую площадь без потерь. Дополнительное “сдвигание частоты”: Воздушный зазор для полного внутр. отражения WLS = wave length shifting Зеленый свет фотодетектор синий (вторичный) ультрафиолет (первичный) сцинтиллятор Игорь Алексеев, ИТЭФ Например, WLS брусок над сцинтиллятором

Сцинтиллирующие волокна Можно сделать два слоя: cladding (PMMA) n=1. 49 25 mm core polystyrene n=1. 59 fluorinated outer cladding n=1. 42 25 mm Длина поглощения может быть >10 м Игорь Алексеев, ИТЭФ

Треки в сцинтилляционных волокнах 60 мкм Игорь Алексеев, ИТЭФ

Фотодетекторы Основные типы: 1. Вакуумные Везде используется фотоэффект 2. Гибридные 3. Полупроводниковые 4. Газовые Photoemission threshold Wph of various materials TMAE, Cs. I Ultra Violet (UV) Visible Infra Red (IR) Ga. As Bialkali Multialkali TEA 12. 3 4. 9 3. 1 2. 24 1. 76 1. 45 100 250 400 550 700 850 [nm] Игорь Алексеев, ИТЭФ E [e. V]

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) photon e- Фотоэффект на фотокатоде Излучение вторичных e- на динодах Большое усиление – типично, 105 - 106 Быстрый сигнал: • время распространения – 15– 30 нс • фронт – 1 -3 нс • разброс времени – 0. 3 – 2 нс ФЭУ очень чувствительны к магнитным полям (иногда даже к полю Земли 30 -60 mk. T) → нужна экранировка Игорь Алексеев, ИТЭФ

Квантовая эффективность фотокатодов Игорь Алексеев, ИТЭФ

Входные окна Игорь Алексеев, ИТЭФ

Работа ФЭУ Усиление: M=AVk. N k ~ 0. 7 -0. 8 N – число динодов • Емкости на последних динодах • Отдельное питание (подпитка) последних динодов при больших загрузках • ФЭУ имеют большой разброс усиления • Можно заметно улучшить характеристики индивидуальным подбором напряжений для первых и последних динодов и фокусирующих электродов Игорь Алексеев, ИТЭФ

Hamamatsu R 9779 http: //www. hamamatsu. com

Hamamatsu R 9779

Микроканальные пластины “Continuous” dynode chain (Hamamatsu) Pb-glass Выглядит как 2 D ФЭУ: + усиление до 5· 104; + быстрый сигнал (время прохождения ~50 псек); + менее чувствительны к магнитным полям (0. 1 T); - ограниченное время эксплуатации изза старения (0. 5 C/cm 2); - ограниченные загрузки (m. A/см 2); Pore : 2 mm Pitch: 3 mm (Burle Industries) Игорь Алексеев, ИТЭФ

Микроканальные пластины Игорь Алексеев, ИТЭФ

Гибридные фотодиоды (HPD) Убираем из ФЭУ диноды, заменяем металлический анод на кремниевый детектор Фотокатод как в ФЭУ, потом разгон в поле DV~10 -20 k. V, получаем усиление ≈25 Коэффициент Фано для кремния F=0. 12 20% электронов отражаются от поверхности Si обратно и высаживают только часть своей энергии. Получается непрерывный фон слева от пика Игорь Алексеев, ИТЭФ

Задача Светонепроницаемый ящик Генератор ворота ФЭУ QDC компьютер светодиод Питание Как с помощью установки, показанной на рисунке измерить усиление ФЭУ? Следующая тема – полупроводниковые детекторы Игорь Алексеев, ИТЭФ