УНИВЕРСАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ СВЕТОВЫХОДА ПЛАСТМАССОВЫХ И ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ТЯЖЁЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Основные определения и соотношения метода времени пролёта 8
2 Полуэмпирическая модель световыхода пластмассового сцинтиллятора на основе
полистирола для протонов 12
3 Основные соотношения универсальной модели световыхода 14
4 Функции световыхода для жидкого органического сцинтиллятора NE-213 на
основе ксилола 16
5 Функции световыхода для пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола 25
5.1 Измерения амплитудных распределений импульсов с детектора с
пластмассовым сцинтиллятором на эталонном генераторе ДТ-нейтронов НГ-150М 28
5.2 Зависимости световыхода пластмассового сцинтиллятора на основе
полистирола 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Основные определения и соотношения метода времени пролёта 8
2 Полуэмпирическая модель световыхода пластмассового сцинтиллятора на основе
полистирола для протонов 12
3 Основные соотношения универсальной модели световыхода 14
4 Функции световыхода для жидкого органического сцинтиллятора NE-213 на
основе ксилола 16
5 Функции световыхода для пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола 25
5.1 Измерения амплитудных распределений импульсов с детектора с
пластмассовым сцинтиллятором на эталонном генераторе ДТ-нейтронов НГ-150М 28
5.2 Зависимости световыхода пластмассового сцинтиллятора на основе
полистирола 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Во ВНИИЭФ для измерений спектров нейтронов как мощных импульсных источников однократного действия, так и лабораторных установок с периодическими импульсами широко применяется метод времени пролёта с использованием сцинтилляционных детекторов с отечественными пластмассовыми сцинтилляторами на основе полистирола. В первом случае детекторы работают в так называемом токовом режиме, когда импульсы тока от каждого взаимодействия нейтронов в сцинтилляторе сливаются в непрерывный токовый сигнал, и основной спектральной характеристикой детектора, связывающей амплитуду токового сигнала на его выходе i[t(En)] с полотностью потока падающих нейтронов ф[1(Ед)], является его спектральная чувствительность %(Е) : i[t(Е)] = %(En) -$t(En)]. Во втором случае для определения спектра нейтронов анализируется временное распределение импульсов с детектора, и основной спектральной характеристикой детектора является зависимость его счётной эффективности в(Еп) от энергии регистируемых нейтронов. Обе спектральные характеристики %(Еп) и t:(Е) сцинтилляционных детекторов могут быть надёжно рассчитаны по программам Монте-Карло, если известны зависимости световыхода сцинтиллятора от энергии образующихся в нём под действием нейтронов электронов (позитронов) L(Ee), протонов L(Ep), альфа-частиц L(Ea), ядер отдачи бериллия Е(Еве) и углерода L(EC).
Главным достоинством пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола является сравнительно малый выход медленных компонент люминесценции даже для тяжёлых заряженных частиц. Поэтому в измерениях методом времени пролёта с использованием токового режима работы детекторов пластмассовы сцинтилляторы обеспечивают наиболее высокое временное разрешение и находятся вне конкуренции. В то же время малый выход медленных компонент люминесценции пластмассовых сцинтилляторов не позволяет использовать для него метод дискриминации формы импульса, основанный на разных соотношениях выходов быстрых и медленных компонент люминесценции для электронов и тяжёлых заряженных частиц и позволяющий надёжно выделить импульсы от последних на фоне «электронных» импульсов. Именно по этой причине световыход отечественного пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола долгое время был недостаточно изучен даже для протонов отдачи. Известные литературные данные [1, 2] носят скорее качественный характер и по современным требованиям имеют явно недостаточную точность. Например, погрешность полученных в наиболее надёжной работе [2] данных по световыходу от протонов отдачи составляет +15% (1о) на нижней границе исследованного диапазона энергий Ep=0.5 МэВ и уменьшается до (8...10)% на верхней границе Ep=10 МэВ. Что касается световыхода от альфа-частиц и ядер отдачи 9Be и 12C, то такие данные для пластмассового сцинтиллятора вообще отсутствуют.
Выход фактически из тупиковой ситуации был найден на пути разработки полуэмпирической модели световыхода пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола для протонов [3], основанной на экспериментальной зависимости L(Ep) наиболее изученного жидкого сцинтиллятора на основе ксилола NE-213 [4] и учитывающей разницу в плотностях (тормозных способностях) полистирола и ксилола. Так как в диапазоне энергий нейтронов En<15 МэВ практически всё образующееся в сцинтилляторе люминесцентное излучение обусловлено протонами отдачи (вклады альфа-частиц и ядер отдачи углерода составляет всего ~5% и ~2% соответственно), то полуэмпирическая модель позволила достаточно надёжно определить спектральную чувствительность детектора в широком диапазоне энергий нейтронов En=(0.5.15) МэВ [3].
Совсем другая ситуация наблюдается с определением счётной эффективности детекторов с пластмассовыми сцинтилляторами. Например для её надёжного установления в диапазоне энергий нейтронов En=(0.2.15) МэВ порог регистрации импульсов с детектора должен располагаться вблизи значений En=(0.04.0.05) МэВ. Сложность ситуации иллюстрируют два крайних случая: для нейтронов с энергией En=15 МэВ подавляющее большинство импульсов с детектора оказываются обусловленными ядрами отдачи углерода, а для нейтронов с En=0.2 МэВ - только протонами отдачи. Таким образом, к чрезвычайно сложной задаче по точному определению порога регистрации добавляется не менее трудная задача по расширению зависимостей L(Ek) в область низких энергий заряженных частиц. Следует отметить, что даже для наиболее изученного сцинтиллятора NE-213 зависимость L(Ep) «обрывается» в области энергий протонов Ep=0.3 МэВ.
Серьёзная попытка по продвижению зависимостей L(Ep) и L(EC) в область низких энергий была предпринята в [5]. Были измерены и проанализированы амплитудные распределения импульсов с детектора с пластмассовым сцинтиллятором на нейтронах с энергиями E = 14.7 МэВ, En=2.47 МэВ и энергетической группе нейтронов
En=(0.72.. .0.88) МэВ, выделенной по методу времени пролёта из спектра нейтронов утечки из ванадиевой сферы, облучаемой изнутри ДТ-нейтронами. Однако сравнительно высокая энергия выделенной группы не позволила достичь необходимой точности определения зависимости L(Ep) вблизи энергий протонов Ep^0.05 МэВ.
В дипломной работе приводятся результаты расчётно-экспериментальных исследований по разработке универсальной модели световыхода пластмассовых и жидких органических сцинтилляторов, в которых автор принял прямое и непосредственное участие.
Создание новой модели световыхода базируется на экспериментальном установлении функций, связывающих дифференциальную энергетическую зависимость световыхода dL(E)/dEk от заряженной частицы k-ого сорта с удельной потерей энергии dEjdx этой
совместный анализ всего набора имеющихся экспериментальных данных и позволил в конечном итоге наметить пути построения универсальной модели световыхода. Кроме того, простое рассмотрение этих экспериментальных данных в терминах дифференциальных зависимостей световыхода и удельных потерь энергии уже сейчас позволило выявить взаимное рассогласование между ними, а также заметно расширить диапазон их определения.
В первой вводной главе дипломной работы кратко излагаются физические основы метода времени пролёта. Приводятся базовые определения и соотношения, показывающие возможность использования этого метода в измерениях спектра и выхода нейтронов импульсных источников. Рассмотрены особенности использования метода времени пролёта в двух различных случаях, представляющих практический интерес: токовый и счётный режимы регистрации. Даются формулировки понятий относительной спектральной чувствительности детектора и его счётной эффективности регистрации, знание которых необходимо для проведения измерений в каждом из указанных режимов. В кратком изложении представлена полуэмпирическая модель световыхода ПС, с помощью которой ранее определялись спектральные характеристики детекторов в методиках физизмерений.
Во второй главе описывается способ построения дифференциальных функций dL(Ek)/dEk на основе зависимостей L(Ep), L(Ea) и L(EC), полученных в работе [4] для жидкого сцинтиллятора на основе ксилола NE-213. Демонстрируются обнаруженные с помощью указанного подхода рассогласования в относительном поведении этих функций. Анализируются возможные источники неучтённых погрешностей метода дискриминации формы импульса в области малых амплитуд импульсов, которые могли послужить причиной таких расхождений.
В третьей главе описывается постановка на эталонном генераторе ДТ-нейтронов измерений амплитудных распределений импульсов, появляющихся на выходе сцинтилляционного детектора с ПС при его облучении нейтронами с энергией E = 14.7 МэВ. Приводится геометрия и блок-схема измерений, конструкция и основные характеристики специально разработанного для этих измерений сцинтилляционного детектора. Анализируется форма зарегистрированного амплитудного распределения. Выявляются её характерные локальные особенности, соответствующие фиксированным значениям энергий тяжёлых заряженных частиц и позволяющие сформировать дифференциальные функции световыхода для них. Приводятся полученные на их основе зависимости L(Ep) и L(Ea) для протонов и альфа-частиц вместе с оценёнными их погрешностями.
В заключении формулируются основные результаты дипломной работы и направления дальнейших исследований по завершению создания универсальной модели световыхода.
Главным достоинством пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола является сравнительно малый выход медленных компонент люминесценции даже для тяжёлых заряженных частиц. Поэтому в измерениях методом времени пролёта с использованием токового режима работы детекторов пластмассовы сцинтилляторы обеспечивают наиболее высокое временное разрешение и находятся вне конкуренции. В то же время малый выход медленных компонент люминесценции пластмассовых сцинтилляторов не позволяет использовать для него метод дискриминации формы импульса, основанный на разных соотношениях выходов быстрых и медленных компонент люминесценции для электронов и тяжёлых заряженных частиц и позволяющий надёжно выделить импульсы от последних на фоне «электронных» импульсов. Именно по этой причине световыход отечественного пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола долгое время был недостаточно изучен даже для протонов отдачи. Известные литературные данные [1, 2] носят скорее качественный характер и по современным требованиям имеют явно недостаточную точность. Например, погрешность полученных в наиболее надёжной работе [2] данных по световыходу от протонов отдачи составляет +15% (1о) на нижней границе исследованного диапазона энергий Ep=0.5 МэВ и уменьшается до (8...10)% на верхней границе Ep=10 МэВ. Что касается световыхода от альфа-частиц и ядер отдачи 9Be и 12C, то такие данные для пластмассового сцинтиллятора вообще отсутствуют.
Выход фактически из тупиковой ситуации был найден на пути разработки полуэмпирической модели световыхода пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола для протонов [3], основанной на экспериментальной зависимости L(Ep) наиболее изученного жидкого сцинтиллятора на основе ксилола NE-213 [4] и учитывающей разницу в плотностях (тормозных способностях) полистирола и ксилола. Так как в диапазоне энергий нейтронов En<15 МэВ практически всё образующееся в сцинтилляторе люминесцентное излучение обусловлено протонами отдачи (вклады альфа-частиц и ядер отдачи углерода составляет всего ~5% и ~2% соответственно), то полуэмпирическая модель позволила достаточно надёжно определить спектральную чувствительность детектора в широком диапазоне энергий нейтронов En=(0.5.15) МэВ [3].
Совсем другая ситуация наблюдается с определением счётной эффективности детекторов с пластмассовыми сцинтилляторами. Например для её надёжного установления в диапазоне энергий нейтронов En=(0.2.15) МэВ порог регистрации импульсов с детектора должен располагаться вблизи значений En=(0.04.0.05) МэВ. Сложность ситуации иллюстрируют два крайних случая: для нейтронов с энергией En=15 МэВ подавляющее большинство импульсов с детектора оказываются обусловленными ядрами отдачи углерода, а для нейтронов с En=0.2 МэВ - только протонами отдачи. Таким образом, к чрезвычайно сложной задаче по точному определению порога регистрации добавляется не менее трудная задача по расширению зависимостей L(Ek) в область низких энергий заряженных частиц. Следует отметить, что даже для наиболее изученного сцинтиллятора NE-213 зависимость L(Ep) «обрывается» в области энергий протонов Ep=0.3 МэВ.
Серьёзная попытка по продвижению зависимостей L(Ep) и L(EC) в область низких энергий была предпринята в [5]. Были измерены и проанализированы амплитудные распределения импульсов с детектора с пластмассовым сцинтиллятором на нейтронах с энергиями E = 14.7 МэВ, En=2.47 МэВ и энергетической группе нейтронов
En=(0.72.. .0.88) МэВ, выделенной по методу времени пролёта из спектра нейтронов утечки из ванадиевой сферы, облучаемой изнутри ДТ-нейтронами. Однако сравнительно высокая энергия выделенной группы не позволила достичь необходимой точности определения зависимости L(Ep) вблизи энергий протонов Ep^0.05 МэВ.
В дипломной работе приводятся результаты расчётно-экспериментальных исследований по разработке универсальной модели световыхода пластмассовых и жидких органических сцинтилляторов, в которых автор принял прямое и непосредственное участие.
Создание новой модели световыхода базируется на экспериментальном установлении функций, связывающих дифференциальную энергетическую зависимость световыхода dL(E)/dEk от заряженной частицы k-ого сорта с удельной потерей энергии dEjdx этой
совместный анализ всего набора имеющихся экспериментальных данных и позволил в конечном итоге наметить пути построения универсальной модели световыхода. Кроме того, простое рассмотрение этих экспериментальных данных в терминах дифференциальных зависимостей световыхода и удельных потерь энергии уже сейчас позволило выявить взаимное рассогласование между ними, а также заметно расширить диапазон их определения.
В первой вводной главе дипломной работы кратко излагаются физические основы метода времени пролёта. Приводятся базовые определения и соотношения, показывающие возможность использования этого метода в измерениях спектра и выхода нейтронов импульсных источников. Рассмотрены особенности использования метода времени пролёта в двух различных случаях, представляющих практический интерес: токовый и счётный режимы регистрации. Даются формулировки понятий относительной спектральной чувствительности детектора и его счётной эффективности регистрации, знание которых необходимо для проведения измерений в каждом из указанных режимов. В кратком изложении представлена полуэмпирическая модель световыхода ПС, с помощью которой ранее определялись спектральные характеристики детекторов в методиках физизмерений.
Во второй главе описывается способ построения дифференциальных функций dL(Ek)/dEk на основе зависимостей L(Ep), L(Ea) и L(EC), полученных в работе [4] для жидкого сцинтиллятора на основе ксилола NE-213. Демонстрируются обнаруженные с помощью указанного подхода рассогласования в относительном поведении этих функций. Анализируются возможные источники неучтённых погрешностей метода дискриминации формы импульса в области малых амплитуд импульсов, которые могли послужить причиной таких расхождений.
В третьей главе описывается постановка на эталонном генераторе ДТ-нейтронов измерений амплитудных распределений импульсов, появляющихся на выходе сцинтилляционного детектора с ПС при его облучении нейтронами с энергией E = 14.7 МэВ. Приводится геометрия и блок-схема измерений, конструкция и основные характеристики специально разработанного для этих измерений сцинтилляционного детектора. Анализируется форма зарегистрированного амплитудного распределения. Выявляются её характерные локальные особенности, соответствующие фиксированным значениям энергий тяжёлых заряженных частиц и позволяющие сформировать дифференциальные функции световыхода для них. Приводятся полученные на их основе зависимости L(Ep) и L(Ea) для протонов и альфа-частиц вместе с оценёнными их погрешностями.
В заключении формулируются основные результаты дипломной работы и направления дальнейших исследований по завершению создания универсальной модели световыхода.
В данной работе представлены основные результаты начального этапа исследований по разработке новой универсальной модели световыхода пластмассовых и жидких органических сцинтилляторов для лёгких и тяжёлых заряженных частиц. Её создание базируется на построении экспериментально обоснованных функций, связывающих дифференциальную энергетическую зависимость световыхода dL(Ek)/dEk от заряженной частицы k-ого сорта с удельной потерей энергии dEjdx этой частицы в сцинтилляторе
Указанные функции носят универсальный характер не только в
отношении различных пластмассовых и жидких органических сцинтилляторов, но и относительно друг друга для различных заряженных частиц. При этом энергетические зависимости интегрального световыхода L(Ek), необходимые для практического
использования в расчётах относительной спектральной чувствительности и счётной эффективности сцинтилляторов, могут быть легко получены из функций dL(E)/dEk элементарным интегрированием.
Анализ в терминах дифференциального световыхода и удельных потерь энергии экспериментальных данных [4] по зависимостям интегрального световыхода жидкого органического сцинтиллятора NE-213 для протонов L(Ep), альфа-частиц L(Ea) и ядер отдачи углерода L(EC) позволил выявить заметные нерегулярности в поведении каждой из них, а также взаимное рассогласование между ними. Это вынудило провести дополнительное рассмотрение возможностей метода дискриминации формы импульса, и обосновать нестабильность его работы при регистрации импульсов малой амплитуды, что может стать одной из вероятных причин противоречивости данных [4].
На основе проведённого анализа были выработаны критерии и разработаны численные алгоритмы и итерационные процедуры для уточнения измеренной в [4] зависимости L(Ep) для протонов. Полученная при этом уточнённая зависимость L(Ep) отличается от экспериментальной не более чем +5% (Р=0.95) в диапазоне энергий протонов от 1 МэВ до 40 МэВ. При снижении энергии протонов ниже 1 МэВ расхождения нарастают и достигают ~10% при энергии протонов 0.3 МэВ. Указанные расхождения носят существенный характер, особенно на нижней границе измеренного диапазона, с учётом объявленной авторами работы [4] погрешности +2% в диапазоне энергий от 0.3 до 22 МэВ.
Уточнение зависимости световыхода L(Ea) для альфа-частиц потребовало
дополнительных экспериментальных исследований, которые были проведены на эталонном генераторе ДТ-нейтронов НГ-150М с отечественным пластмассовым сцинтиллятором на основе полистирола. В ходе эксперимента с использованием импульсного режима работы нейтронного генератора и метода времени пролёта было зарегистрировано распределение амплитуд вспышек люминесценции, образующихся в пластмассовом сцинтилляторе диаметром и высотой 40 мм под действием ДТ-нейтронов со средней энергией 14.7 МэВ. Результаты измерений приведены на рисунке 11. По хараткерным точкам полученного амплитудного распределения в диапазоне номеров каналов от ~20 до ~250, соответствующим импульсам от альфа-частиц с конкретными фиксированными значениями энергий, была построена универсальная функция световыхода dL(Ea)/dEa , а на её основе - энергетические зависимости интегрального световыхода L(Ea) жидкого органического сцинтиллятора NE-213 на основе ксилола и пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола.
Предварительный качественный анализ полученных в работе дифференциальных функций F(dE /dx) и F(dEa/dx) на основе элементарной теории удельных потерь энергии тяжёлых заряженных частиц позволил обнаружить закономерности в их относительном поведении и сделать выводы о возможности построения аналогичных функций для других заряженных частиц. Это позволит разрабатываемую модель световыхода сделать в полном смысле универсальной не только в отношении универсальности каждой функции F (dE / dx) для различных жидких и пластмассовых органических сцинтилляторов, но и в универсальном поведении этих зависимостей для различных заряженных частиц относительно друг друга. Дальнейшее изучение этих вопросов представляет собой ближайшую перспективу проводимых исследований.
Основные результаты данной работы приведены в таблице 2, в которые включены данные по энергетическим зависимостям интегрального световыхода органического жидкого сцинтиллятора NE-213 на основе ксилола и пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола в диапазоне энергий частиц от 0.1 до 20 МэВ.
Указанные функции носят универсальный характер не только в
отношении различных пластмассовых и жидких органических сцинтилляторов, но и относительно друг друга для различных заряженных частиц. При этом энергетические зависимости интегрального световыхода L(Ek), необходимые для практического
использования в расчётах относительной спектральной чувствительности и счётной эффективности сцинтилляторов, могут быть легко получены из функций dL(E)/dEk элементарным интегрированием.
Анализ в терминах дифференциального световыхода и удельных потерь энергии экспериментальных данных [4] по зависимостям интегрального световыхода жидкого органического сцинтиллятора NE-213 для протонов L(Ep), альфа-частиц L(Ea) и ядер отдачи углерода L(EC) позволил выявить заметные нерегулярности в поведении каждой из них, а также взаимное рассогласование между ними. Это вынудило провести дополнительное рассмотрение возможностей метода дискриминации формы импульса, и обосновать нестабильность его работы при регистрации импульсов малой амплитуды, что может стать одной из вероятных причин противоречивости данных [4].
На основе проведённого анализа были выработаны критерии и разработаны численные алгоритмы и итерационные процедуры для уточнения измеренной в [4] зависимости L(Ep) для протонов. Полученная при этом уточнённая зависимость L(Ep) отличается от экспериментальной не более чем +5% (Р=0.95) в диапазоне энергий протонов от 1 МэВ до 40 МэВ. При снижении энергии протонов ниже 1 МэВ расхождения нарастают и достигают ~10% при энергии протонов 0.3 МэВ. Указанные расхождения носят существенный характер, особенно на нижней границе измеренного диапазона, с учётом объявленной авторами работы [4] погрешности +2% в диапазоне энергий от 0.3 до 22 МэВ.
Уточнение зависимости световыхода L(Ea) для альфа-частиц потребовало
дополнительных экспериментальных исследований, которые были проведены на эталонном генераторе ДТ-нейтронов НГ-150М с отечественным пластмассовым сцинтиллятором на основе полистирола. В ходе эксперимента с использованием импульсного режима работы нейтронного генератора и метода времени пролёта было зарегистрировано распределение амплитуд вспышек люминесценции, образующихся в пластмассовом сцинтилляторе диаметром и высотой 40 мм под действием ДТ-нейтронов со средней энергией 14.7 МэВ. Результаты измерений приведены на рисунке 11. По хараткерным точкам полученного амплитудного распределения в диапазоне номеров каналов от ~20 до ~250, соответствующим импульсам от альфа-частиц с конкретными фиксированными значениями энергий, была построена универсальная функция световыхода dL(Ea)/dEa , а на её основе - энергетические зависимости интегрального световыхода L(Ea) жидкого органического сцинтиллятора NE-213 на основе ксилола и пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола.
Предварительный качественный анализ полученных в работе дифференциальных функций F(dE /dx) и F(dEa/dx) на основе элементарной теории удельных потерь энергии тяжёлых заряженных частиц позволил обнаружить закономерности в их относительном поведении и сделать выводы о возможности построения аналогичных функций для других заряженных частиц. Это позволит разрабатываемую модель световыхода сделать в полном смысле универсальной не только в отношении универсальности каждой функции F (dE / dx) для различных жидких и пластмассовых органических сцинтилляторов, но и в универсальном поведении этих зависимостей для различных заряженных частиц относительно друг друга. Дальнейшее изучение этих вопросов представляет собой ближайшую перспективу проводимых исследований.
Основные результаты данной работы приведены в таблице 2, в которые включены данные по энергетическим зависимостям интегрального световыхода органического жидкого сцинтиллятора NE-213 на основе ксилола и пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола в диапазоне энергий частиц от 0.1 до 20 МэВ.