Badanie własności scyntylacyjnych kryształów w szerokim zakresie temperatur

Scyntylatory należą do jednych z najbardziej powszechnie stosowanych materiałów, dzięki którym możliwa jest detekcja promieniowania jonizującego. Absorbcja energii niesionej przez cząstkę bądź foton prowadzi do wzbudzenia stanów atomowych w scyntylatorze, a następnie dochodzi do deekscytacji wzbudzonych stanów, między innymi poprzez emisję światła w zakresie widzialnym, ultrafiolecie bądź też podczerwieni. Zastosowanie odpowiedniego fotodetektora pozwala na zamianę wytworzonego w scyntylatorze błysku na impuls elektryczny.
Dzięki obecnym możliwościom technologicznym scyntylatory są dostępne w dużych rozmiarach, co zapewnia osiągnięcie dużej wydajności detekcji nawet w przypadku wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Różnorodność materiałów, jakie można wytwarzać do produkcji scyntylatorów powoduje, że znajdują one zastosowanie w wielu aplikacjach. A jednak, pomimo iż scyntylatory są znane już od ponad stu lat, mechanizm powstawania scyntylacji, a w szczególności geneza różnic we własnościach materiałów o niekiedy bardzo zbliżonym składzie i budowie nie są do końca wyjaśnione.

Badania scyntylatorów w wysokich temperaturach

Niektóre zastosowania przemysłowe wymagają stosowania detektorów promieniowania jonizującego w trudnych warunkach środowiskowych. Laboratorium dysponuje dwiema komorami klimatycznymi, w których istnieje możliwość testowania urządzeń detekcyjnych do temperatury +170˚C. W pomiarach wykorzystywane są wysokotemperaturowe fotopowielacze.

Osoba prowadząca badania:
dr Joanna Iwanowska-Hanke
J.Iwanowska@ncbj.gov.pl

Własności scyntylatorów od temperatury ciekłego azotu (LN2) do +150°C

Zastosowanie scyntylatorów w detekcji promieniowania jonizującego nie wymaga ich chłodzenia. Jednakże scharakteryzowanie ich własności scyntylacyjnych w szerokim zakresie temperatur pozwala stworzyć pełniejszy opis zjawisk, które prowadzą do konwersji zaabsorbowanego promieniowania na światło. W celu badania wydajności świecenia w funkcji temperatury próbki skonstruowaliśmy układ pomiarowy pozwalający na pomiar zmiany ilości emitowanego światła w zakresie temperatur od 183˚C (90 K.), czyli nieznacznie wyższej od temperatury wrzenia azotu, do ok. 150˚C (423 K.). Układ składa się z kriostatu chłodzonego LN2 wyposażonego w elementy grzejne oraz czujniki temperatury. Wewnątrz kriostatu zamontowany jest fotodetektor krzemowy typu MPPC (ang. multi pixel photon counter), nazywany też SiPM (ang. silicon photomultiplier), oraz badana próbka scyntylacyjna. Cienkie okienko z berylu umożliwia ekspozycję scyntylatorów nawet na niskoenergetyczne kwanty promieniowania X i γ. Rys. 2 przedstawia schemat układu oraz zdjęcie wnętrza kriostatu z zamontowanym MPPC.

Rys. 3 przedstawia widma energetyczne Cs-137 (z lewej) zmierzone na poniższym układzie dla kryształu jodku cezu domieszkowanego talem (CsI:Tl) w kilku temperaturach. Po prawej stronie przedstawiona jest wydajność świecenia próbki (czarne punkty – pełne i puste) w funkcji temperatury. Na wykres naniesione są również wyniki uzyskane przez inne zespoły badawcze. Krzywe mają zgodny przebieg, zaś nasz układ pomiarowy zapewnia przeprowadzenie pomiarów w najszerszym zakresie temperatur. Wysoka precyzja pomiaru pozwala na obserwację drobnych różnic, występujących np. w przypadku stosowania różnych stałych formowania we wzmacniaczu spektroskopowym.

 
Rys. 3. Widma energetyczne Cs-137 i wydajność świecenia CsI:Tl w funkcji temperatury

Osoba prowadząca badania:
Dr hab. Łukasz Świderski
L.Swiderski@ncbj.gov.pl