Study of the influence of light guide type on light collection parameters in scintillation neutron detectors used for diffraction experiments
Study of the influence of light guide type on light collection parameters in scintillation neutron detectors used for diffraction experiments
Abstract
A comparative study of the influence of the light guide type in neutron scintillation detectors on photon transport parameters has been carried out. A transparent PMMA-based light guide and a polystyrene-based light guide with spectroscopic additives (PS + 1% pTP + 0.1% 3-HF) were selected for the research. The effect of using an ultra-wide angle lens with purposely increased distortion on the number of photons was also examined. It is shown that the light output of the detector with PMMA-based light guide with light removal at the ends is more than 4 times higher than for the detector based on WLS. For detectors with "fisheye" lenses, the light output differs more than 13 times. In addition, modelling of optical parameters was carried out and a limit on the maximum length of detectors with optically transparent light guide was obtained.
1. Введение
В настоящее время сцинтилляционные детекторы нейтронов находят широкое применение в различных дифракционных установках в качестве замены для классических детекторов на основе гелий-3. Принцип работы сцинтилляционых детекторов основан на конвертации нейтрона в оптическое излучение различными сцинтилляторами, например ZnS(Ag):6LiF,ZnS(Ag):B203 и др. В свою очередь, фотоны, излучаемые сцинтиллятором, требуется транспортировать до детекторов фотонов, в качестве которого может использоваться Фотоэлектронный умножить (ФЭУ) или Кремниевый фотоумножитель (SiPM).
Исторически сложилось, что наиболее широкое применение сцинтилляционные детекторы нейтронов нашли в области физики высоких энергий
. К ним предъявляются требования по большой чувствительной площади, и единственным вариантом съема и транспортировки фотонов с больших площадей сцинтиллятора является использование спектросмещающих волокон(WLS) , либо размещения сцинтиллятора в прямой видимости от фотоприемника .Для детекторов, используемых при дифракционных измерениях, предъявляются другие требования. Одно из требований – компактные размеры, которые необходимы для достижения высокого углового разрешения. Также от них требуется высокая загрузочная способность, так как плотность потока нейтронов на образце достигает 1015 см-2×с-1 и выше
, а также требуется высокая эффективность регистрации тепловых нейтронов, которая позволяет уменьшить время проведения эксперимента. Из-за высокой эффективности регистрации тепловых нейтронов при большом размере детектора также может возникнуть ситуация, когда станет невозможно разделять события регистрации нейтронов близкие по времени, т.к. типичное время высвечивания сцинтиллятора при регистрации нейтрона около 300 нм, но при этом имеет и более длительные компоненты .Дифракция нейтронов на образце образует кольца Дебая-Шеррера, и, в идеальном случае, детекторы должны размещаться вертикально по радиусу кольца от образца. Это нужно для сохранения одинакового расстояния образец-детектор, которое влияет на разрешения дифракционной установки. Таким образом, детекторы для дифракции должны одновременно иметь небольшую ширину, чтобы можно было добиться высокого пространственного разрешения, и одновременно с этим небольшую длину, чтобы исключить ухудшение разрешения за счет сильного различия расстояния образец-детектор и не вызывать перегрузку из-за высокой эффективности.
При проектировании сцинтилляционных детекторов важно учитывать теорему Лиувилля о сохранении фазового объема. В случае оптических систем она отвечает на вопрос о том, сколько света будет потеряно на согласовании размеров фотоприёмника и световода
. Если поверхность фотодетектора меньше световода, то количество света попадающего на фотодетектор, уменьшается в соотношении площади этих поверхностей. Из-за этого эффективность сбора света может быть очень низкой, если небольшой фотодетектор считывает большой лист сцинтилляционного материала .В дифракционных экспериментах типичный диапазон размеров детекторов – ширина 3-10 мм, длина 50-150 мм. В данном случае использование WLS для сбора света приводит только к усложнению конструкции детектора — так как ширина детектора соответствует размерам SiPM, а количество фотонов, достигаемых торцов световода на длине световода до 200 мм достаточно, чтобы достоверно зарегистрировать событие. Также, что немаловажно, квантовая эффективность приемника зависит от длины волны. Для большинства SiPM максимальная квантовая эффективность (PDE) достигается для фотонов ~450 нм. Например, для SiPM SensL и NDL PDE (для 450 нм) равна 40%, а при длине ~500 нм (что соответствует длине переизлучения WLS) составляет 30%
. Таким образом, за счет отсутствия сдвига длины волны компактные детекторы на основе прозрачного световода и кремниевого фотоумножителя имеют большую эффективность регистрации фотонов.При исследованиях с помощью нейтронов достаточно часто используются различные устройства, создающие сильное магнитное поле, например спин-флипперы
и устройства создания магнитного поля на образце . В свою очередь, SiPM нечувствительны к магнитному полю , (в отличие от ФЭУ ), что определяет их использование в магнитных полях.Таким образом, в нейтронных детекторах для дифракционных измерений отказ от световода на основе WLS позволит, во-первых, увеличить количество фотонов, достигающих торцов световода, а также увеличить эффективность регистрации фотонов за счет отсутствия переизлучения. Одновременно с этим за счет близких размеров контактного пятна световода и SiPM можно согласовать размеры и исключить потери света при согласовании размеров световода и фотоприемника. За счет большего количества фотонов становится возможно увеличить эффективность регистрации, используя сцинтиллятор большой толщины, на котором меньше световыход
. Что немаловажно, отсутствие WLS и крепление SiPM на световоде позволит упростить конструкцию и уменьшить габариты детектора.Целью работы стояла задача сравнить световоды из прозрачного пластика и WLS, а также влияние на параметры транспортировки фотонов сверхширокоугольной линзы с целенаправленно увеличенной дисторсией («рыбий глаз»). Дополнительно поставлена задача определить максимальную длину сцинтилляционного детектора на основе прозрачного световода.
2. Описание исследуемых детекторов
Для исследования параметров транспортировки фотонов было проведено сравнительное тестирование детекторов, которые имеют одинаковую геометрию, но различный тип световода. Особенность кремниевых фотоумножителей в том, что на выходе образуется сигнал, пропорциональный числу одновременно «сработавших» ячеек, а следовательно, и фотонов
. Таким образом, измерение сигнала (осциллограммы) получаемого сигнала позволит сравнить количество фотонов, получаемых со световода (в случае использования трансимпендансного усилителя (TIA), в котором напряжение на выходе прямо пропорционально току на инвертирующем входе ).Для этих целей были подготовлены 4 детектора: размеры световода 5х5х60 мм, 1 слой сцинтиллятора ZnS (Ag): 6LiF размером 5х50 мм и толщиной 0.45мм. В двух детекторах световод изготовлен из прозрачного PMMA пластика прозрачностью 92%, регистрация фотонов происходит с помощью двух кремниевых фотоумножителей EQR1511-3030D-S с размером активной области 3х3 мм. На одном детекторе кремниевые фотоумножители располагались в торцах световода (DET1), на втором (DET2) сбор света осуществлялся линзой типа «рыбий глаз». Два других детектора (без линзы DET3, с линзой DET4) имели световод на основе полистирола (PS + 1% pTP + 0,1% 3-HF) с длиной волны максимальной эмиссии около 520-530 нм. На рисунке 1 приведен внешний вид световодов, полученных после механической обработки.
Рисунок 1 - Внешний вид световода после механической обработки
Рисунок 2 - Внешний вид собранных детекторов
3. Схема проведения исследования
В детекторах используется SiPM EQR1511-3030D-S который имеет, в частности, меньший коэффициент усиления (~в 15 раз) чем используемый нами ранее
. Это потребовало внести изменения в схему предусилителя. В частности, изменено сопротивление R для увеличения коэффициента усиления. Напряжение питания предусилителя +6 В и -6 В, напряжение SiPM – 28.8 В + Vb (Vb=7.2 В).Для записи сигналов, получаемых с кремниевых фотоумножителей, использован диджитайзер CAEN DT5720 с разработанной программой для анализа и накопления спектров. Сигналы снимались независимо от каждого кремниевого фотоумножителя. Также дополнительно разработана программа для обработки массивов получаемых данных, анализа сигналов (в том числе амплитудно-широтного анализа(PSD)), расчета интеграла, построения гистограмм и графиков. Исследование детекторов производилось попарно: DET1-DET3 и DET2-DET4. В качестве источника нейтронов использован источник на основе радионуклида калифорний-252 тип НК252М11. Источник размещался на равном расстоянии от детекторов. Перед и после детектора размещался полиэтиленовый блок NEUTROSTOP C0.
4. Определение шума каналов
В первую очередь были определены уровни шума детекторов. Уровень шума детектора складывается из шума кремниевого фотоумножителя и шума электроники. Шум кремниевого фотоумножителя в основном зависит от скорости темнового счёта (Dark current rate – DCR). Она определяется как скорость счёта на уровне одного фотона, которая создается тепловой генерацией электронов в активной области кремния, а не за счёт падающего на SiPM источника света
. Также возможно влияние эффекта кросс-ток (crosstalk) и послеимпульсов (afterpulsing), но они не вносят большого влияния в тепловой шум и ими можно пренебречь.Для усиления токовых сигналов с SiPM используется TIA. Параметры усиления и шума подобных усилителей достаточно сильно зависят от качества пайки и трассировки платы, которая может создавать паразитные емкости. Также разброс параметров неизбежен в зависимости от партии микросхемы операционного усилителя (в данном случае AD8055) и пассивных компонентов, что также вносит влияние на коэффициент усиления и шумовые параметры. Также система регистрации сигналов имеет свои шумовые параметры. В случае кремниевых фотоумножителей они поставляются отобранной партией с достаточно близкими параметрами, и можно пренебречь разницей в параметрах различных кремниевых фотоумножителей. Для системы предусилитель + аналого-цифровой преобразователь достаточно один раз провести измерения шума каналов.
Для фильтрации большинства шумов достаточно определить максимальную амплитуду сигнала. Для этого проводилась запись 1000 сигналов, превышающих порог -5 мВ и расчет гистограммы на основе максимальных значений амплитуды. Для этого к усилителям подключались детекторы DET1 и DET2. На рисунке 3 показана гистограмма полученных сигналов.
Рисунок 3 - Гистограмма шумов каналов регистрации
5. Обработка данных и результаты
Для каждого канала устанавливается индивидуальный порог срабатывания, запись события происходила в соотношении 20% до порога, 80% после порога. Для набора достаточной статистики происходила запись по 100 тыс. событий для каждого детектора. Типичный сигнал, получаемый при регистрации фотонов кремниевым фотоумножителем, показан на рисунке 4. Поскольку сигнал от регистрации нейтрона имеет несколько временных констант, для анализа и сравнения рассчитывался интеграл сигнала (показан на рисунке 4).
Рисунок 4 - Сигнал, получаемый от регистрации нейтрона
Рисунок 5 - Интеграл сигналов, получаемых с детекторов
Примечание: нормированы на 1
Дополнительно проведен расчет интеграла сигналов от теплового шума Рисунок 6(а). Также проведено исследование гамма-чувствительности. Ввиду отсутствия гамма-источника, исследование гамма-чувствительности проведено также от источника Cf-252. Для этого перед и после детектора размещались листы кадмия, блоки NEUTROSTOP C0 заменили на NEUTROSTOP С3 с содержанием бора для экранирования нейтронов. Гамма-фон в позиции детектора равнялся примерно 20 мкЗв/ч. Гистограмма сигналов представлена на рисунке 6(б).
Рисунок 6 - Гистограмма:
а - теплового шума; б - от гамма-излучения
6. Моделирование оптических параметров детекторов на основе прозрачного световода
В случае использования WLS, при захвате фотонов в объёме волокна, максимальная длина детектора, как правило, 3-10 метра. Связано это с тем, что в волокне транспортировка фотонов происходит за счет полного внутреннего отражения, и затухание фотонов минимально. Для оптически прозрачного световода за счет использования диффузного отражения максимальная длина, как правило, ограничена сантиметрами. Поэтому для оценки размеров подобного типа детекторов проведено моделирование оптической части детектора. Для оценки параметров пропускания света и количества фотонов, падающих на кремниевый фотоумножитель, было проведено моделирование в программе оптического моделирования TracePro. В качестве исходной геометрии выбран детектор DET1. В качестве источника света использовалась сфера размером 0.0001 мм расположенная на поверхности сцинтиллятора.
Параметры, используемые при моделировании: t=1 сек, λ = 460 нм, количество фотонов — 1.6*105. Мощность источника составила 6.9*10-12 Вт. Количество лучей для расчета приняли равным 10 000.
Для упрощения моделирования принято допущение, что все фотоны, падающие на торцы световода, полностью поглощаются кремниевым фотоумножителем, и событие поглощения нейтрона происходит на поверхности сцинтиллятора вблизи световода. Остальные поверхности выбраны как диффузный белый отражатель, что в реальном детекторе реализуется в виде покрытия его белой фторопластовой лентой.
Результаты моделирования показаны на рисунке 7, а. Как видно из результатов моделирования, количество фотонов с обоих торцов почти одинаково и равно 4,5*104. Дополнительно было произведено моделирование детектора размером 120 мм (рисунок 7,б). Количество фотонов в торцах при этом равнялось 1.82 *104.
Рисунок 7 - Результаты моделирования световода:
(а) - длиной 60 мм; (б) - длиной 120 мм
По результатам моделирования видно, что для таких размеров детектора все еще достаточно фотонов, чтобы достоверно зарегистрировать вспышку от регистрации фотонов. Дополнительно было проведено моделирование детектора размером 250 мм. На такой длине до кремниевого фотоумножителя доходит 25*102 фотонов. Это позволяет все еще достоверно регистрировать фотоны. Эти результаты показывают, что из-за затухания в объёме и многократного отражения прозрачный световод накладывает ограничение на длину детектора. На длине более 200 мм светосбор с помощью органического световода становится близким с методом сбора света с помощью WLS (эффективность 5–20%
) и не имеет смысла создавать детекторы с органическим световодом большей длины, т.к. возрастающие потери не позволят достоверно регистрировать нейтроны и выделять сигнал на уровне шума.7. Заключение
В результатах измерений показано, что количество фотонов, регистрируемых кремниевыми фотоумножителями в детекторах на основе световода из PMMA, больше, чем в аналогичных детекторах на основе WLS. Это позволяет сделать вывод, что при небольших (до 200 мм) размерах световода наибольшее влияние на транспортировку фотонов оказывает прозрачность световода. Конструкция детекторов на основе PMMA основана на достижении максимальной прозрачности и диффузного отражения фотонов со всех сторон световода. Диффузное отражение позволяет равномерно распределить фотоны по всему объёму световода и донести максимальное количество до торцов световода. В свою очередь, доля фотонов, удовлетворяющих условиям полного внутреннего отражения, минимальна. Затухание фотонов при использовании прозрачного световода имеет экспоненциальную зависимость (закон Бугера-Ламберта-Бера), что накладывает ограничение на максимальную длину. На основе моделирования получено ограничение на размеры подобного типа детектора (не более 200 мм).
В свою очередь, для WLS, фотоны, которые выходят из сцинтиллятора и попадают в волокно, поглощаются и переизлучаются в соответствии с соотношениями между спектрами излучения, поглощения и эмиссии. Основной вклад в транспортировку фотонов, даже при небольших размерах световода, начинает иметь эффект полного внутреннего отражения. Поскольку доля этого излучения мала (но больше, чем для PMMA), то и количества фотонов тоже мало, но достаточно для достоверной регистрации фотонов. Сдвиг излучения в сторону зеленого света также уменьшает эффективность регистрации фотонов (в случае использования SiPM). В свою очередь, за счет полного внутреннего отражения световоды на основе WLS могут иметь намного большую длину (от 3 м). Также, что немаловажно, для детекторов на основе WLS как гамма, так и шумовые гистограммы частично перекрываются нейтронным спектром, что определяет использование методов анализа амплитуды для разделения сигналов. Для детекторов на основе PMMA количество фотонов от сигнала регистрации нейтронов превышает как гамма, так и тепловой шум, и возможно отсечь, используя только дискриминацию по пороговому уровню. Также, что немаловажно, использование световода на основе PMMA (или любого другого прозрачного материала) не требует согласования спектров поглощения и переизлучения для пары световод-сцинтиллятор, что, в свою очередь, позволяет использовать любой тип сцинтиллятора.