Сравнительный анализ сцинтилляционных детекторных систем

УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
А.Г. БАТИЩЕВ, С.В. КОЛДАШОВ, Н.А. СИДОРОВ,
А.А. КАРПОВА, П.Ю. НАУМОВ, В.В. СОСНОВЦЕВ,
В.Н. ФОМИН
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ
ДЕТЕКТОРНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ
В работе обсуждаются вопросы, связанные с возможностью применения в
космофизической аппаратуре сцинтилляционных детекторов на основе SiФЭУ.
В настоящее время в институте Космофизики МИФИ (ИНКОС) ведется
подготовка к проведению ряда космических экспериментов [1, 2] по изучению всплесков высокоэнергичных заряженных частиц. Поставленные задачи
и специфика этих экспериментов требуют от научной аппаратуры (НА) обладать высоким быстродействием (время интегрирования темпов счета частиц
порядка 500 нс [3]), малыми габаритами и энергопотреблением. Детекторы из
пластических сцинтилляторов обладают необходимым быстродействием.
Габариты, энергопотребление и вес НА во многом зависит от используемых в
детекторной системе фотоприемников.
Для проведения сравнения характеристик сцинтилляционных детекторов
(СД) с использованием электровакуумных и полупроводниковых ФЭУ были
проведены расчеты методом Монте-Карло. Толщина сцинтилляционных пластин d варьировалась в пределах 5-10мм. Были получены следующие результаты: зависимость светосбора N от площади рабочей поверхности фотоприемника, зависимости отношения величин светосборов  = NФЭУ/NSiPM от коэффициента отражения  и длины затухания L. В частности, при изменении μ
от 0.9 до 1.0, η изменяется от 5,5 до 3,5 соответственно. Для пластин СЦ-201
(d = 5 мм с покрытием  ≈ 0.99) отношение   4 в пользу ФЭУ-60.
Для экспериментальной проверки расчетов был создан лабораторный
стенд, состоящий из двух СД, образующих телескопическую систему. В качестве детекторов были взяты пластины сцинтиллятора СЦ-201 (длина затухания L = 200 см, τ  2.4 нс), а в качестве фотоприемников - ФЭУ-60 (диаметр
рабочего окна 10 мм2) и Si ФЭУ с размером окна 3×3 мм2 [4]. К рабочему
окну на торце верхнего детектора (размером 7х10х50 мм), покрытого светоотражающей пленкой 3М ( ≈ 0.99) был прикреплен Si ФЭУ, подключенный
к блоку электроники (БЭ). К торцу нижнего детектора (размером
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 7
40
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
10х100х100мм) аналогичным образом был прикреплен ФЭУ-60, также подключенный к БЭ.
БЭ включал в себя два амплитудных измерительных канала и один логический - для управления накоплением информации. В амплитудных каналах
фотоприемников использовались малошумящие усилители в связке с быстрым компаратором, имеющим порог отсечения шумов около 50 мВ (для организации канала совпадений). К амплитудным каналам подключалось
устройство выборки-хранения (УВХ), управляемое сигналом со схемы совпадений (СС) логических сигналов с пороговых узлов амплитудных каналов.
Разрешающее время СС около 50 нс. Выход УВХ подключался к АЦП (8 бит,
время преобразования  1 мкс), работающий on-line с компьютером.
Типичный вид спектров с фотоприемников (источник излучения – Sr90)
представлен на рис.1 и 2, из которых следует, что несмотря на присутствие
фона в случае с Si ФЭУ, полезный сигнал достаточно хорошо из него выделяется. Более того, амплитудное разрешение Si ФЭУ при этом составило около 25 %, что оказалось лучше разрешения ФЭУ-60 (30 %). Данный факт открывает возможность для использования Si ФЭУ в ряде перспективных разработок ИНКОС.
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1
5
9
Рис.1. Типичный амплитудный
спектр с выхода Si ФЭУ 3х3 мм
13
17
21
25
29
33
37
41
45
49
53
57
61
65
69
73
77
81
85
89
93
97
101 105
109 113
Рис.2. Типичный амплитудный
спектр с выхода ФЭУ-60
Коллектив авторов выражает признательность проф. А.М. Гальперу и
проф. Б.А. Долгошеину за проявленный интерес к работе и ее поддержку.
Список литературы
1.А.Г. Батищев и др. //Науч. сессия МИФИ-2006:Сб.науч.тр. М.: МИФИ, Т.7. С. 71-72.
2. А.Г. Батищев и др. //Науч. сессия МИФИ-2001:Сб.науч.тр. М.: МИФИ, Т.7. С. 43-44.
3. А.М. Гальпер, С.В. Колдашов //Науч. сессия МИФИ-2006: Сб. науч. тр. М.: МИФИ,
T.7. C. 77-78.
4. B. Dolgoshein et al. //Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Research, A563 (2006), 368-376.
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 7
41