Badanie zniszczeń radiacyjnych fotopowielaczy krzemowych i materiałów scyntylacyjnych

Foto­po­wie­la­cze krze­mowe, powszech­nie zwane SiPM-ami (ang. Sili­con Pho­to­Mul­ti­pliers) lub MPPC (ang. Multi-Pixel Pho­ton Coun­ters), są jed­nymi z naj­pręż­niej roz­wi­ja­ją­cych się foto­de­tek­to­rów świa­tła. Ich wła­sno­ści takie jak niskie napię­cie zasi­la­nia, nie­czu­łość na pole magne­tyczne, kom­pak­towe roz­miary spra­wiają, że znaj­dują coraz szer­sze zasto­so­wa­nie w obsza­rze nauki i prze­my­słu, wypie­ra­jąc nie­jed­no­krot­nie stan­dar­dowe foto­po­wie­la­cze.

Pla­nu­jąc każdy eks­pe­ry­ment fizyczny, trzeba mieć świa­do­mość nie­do­sko­na­ło­ści współ­cze­snych ukła­dów eks­pe­ry­men­tal­nych. Jest to szcze­gól­nie ważne, jeśli pomiary są dłu­go­okre­sowe i odby­wają się w śro­do­wi­sku o wyso­kiej radia­cji. Znisz­cze­nia radia­cyjne foto­de­tek­to­rów i mate­ria­łów scyn­ty­la­cyj­nych, potra­fią w dłu­gim okre­sie czasu unie­moż­li­wić speł­nie­nie począt­ko­wych warun­ków eks­pe­ry­mentu.

W swych bada­niach poka­zuję, jak znisz­cze­nia radia­cyjne indu­ko­wane róż­nymi cząst­kami wpły­wają na samo zacho­wa­nie foto­po­wie­la­cza krze­mo­wego i scyn­ty­la­tora oraz na pod­sta­wowe para­me­try w spek­tro­sko­pii jądro­wej. Poka­zuję jak w wyniku naświe­tlań zmie­nia się liczba zli­czeń ciem­nych w SiPM-ie (rys. 1), ener­ge­tyczna zdol­ność roz­dziel­cza układu (rys. 2), czy też ilość emi­to­wa­nego ze scyn­ty­la­tora świa­tła (rys. 3). Jak się oka­zuje, nie­ba­ga­telne zna­cze­nie w takich pomia­rach ma tem­pe­ra­tura oto­cze­nia, która w przy­padku foto­po­wie­la­czy krze­mo­wych (i scyn­ty­la­torów w ogól­no­ści), jest klu­czo­wym para­me­trem opty­ma­li­za­cji układu SiPM-scyn­ty­la­tor (rys. 4).

Dokład­niej­szy opis i ana­lizę powyż­szych zagad­nień można zna­leźć w publi­ka­cjach:

Rys. 1. Widmo zliczeń ciemnych fotopowielacza krzemowego firmy Hamamatsu (model: S13360-3025CS) w zależności od temperatury otoczenia i fluencji 170 MeV protonów.

Rysu­nek 1. Widmo zli­czeń ciem­nych foto­po­wie­la­cza krze­mo­wego firmy Hama­matsu (model: S13360-3025CS) w zależ­no­ści od tem­pe­ra­tury oto­cze­nia i flu­en­cji 170 MeV pro­to­nów.

Rys. 2. Pik pełnej energii pochodzący od 137Cs zarejestrowany w scyntylatorze GAGG scalonym z fotopowielaczem krzemowym firmy Hamamatsu. Po lewej – model S13360-3050CS, Po prawej - S13360-6050CS. Krzywe czerwone i czarne oznaczają odpowiednio kształt widma piku pełnej energii po naświetleniu fotopowielaczy krzemowych neutronami prędkimi i przed ich naświetleniem.

Rysunek 2. Zdolność rozdzielcza linii 662 keV z 137Cs dla nienaświetlanego scyntylatora GAGG:Ce. Kolor czarny – fotopowielacz krzemowy przed naświetlaniem neutronami prędkimi. Krzywa czerwona –  fotopowielacz krzemowy po naświetleniach

Rys. 3. Wła­sno­ści scyn­ty­la­tora EJ-276 przed i po naświe­tle­niu neu­tro­nami pręd­kimi. Po lewej – liczba foto­elek­tro­nów w zależ­no­ści od ener­gii zde­po­no­wa­nej w scyn­ty­la­to­rze oraz wzra­sta­ją­cej flu­en­cji neu­tro­nów pręd­kich. Po pra­wej – względna zmiana świa­tła w prze­li­cze­niu na 1 MeV dla wzra­sta­ją­cej flu­en­cji neu­tro­nów pręd­kich (tzw. krzywa nie­pro­por­cjo­nal­no­ści).

Rysunek 3. Po lewej - liczba fotoelektronów emitowana przez scyntylator EJ-276 w zależności od energii padającego kwantu gamma oraz wzrastającej fluencji neutronów. Po prawej – względna zmiana światła w przeliczeniu na 1 MeV dla wzrastającej fluencji neutronów

Rys. 4. Zależ­ność zdol­no­ści roz­dziel­czej nie­na­świe­tlo­nego i naświe­tlo­nego pro­to­nami foto­po­wie­la­cza krze­mo­wego sca­lo­nego z nie­na­świe­tla­nym scyn­ty­la­to­rem GAGG w funk­cji napię­cia zasi­la­nia dla róż­nej war­to­ści tem­pe­ra­tury oto­cze­nia.

Rysunek 4. Zdolność rozdzielcza nienaświetlonego i  naświetlonego protonami fotopowielacza krzemowego w funkcji napięcia zasilania dla różnej wartości temperatury otoczenia

Osoba pro­wa­dząca:

Dr Sła­wo­mir Mia­now­ski

Rys. 1. Widmo zliczeń ciemnych fotopowielacza krzemowego firmy Hamamatsu (model: S13360-3025CS) w zależności od temperatury otoczenia i fluencji 170 MeV protonów.
Rys. 2. Pik pełnej energii pochodzący od 137Cs zarejestrowany w scyntylatorze GAGG scalonym z fotopowielaczem krzemowym firmy Hamamatsu. Po lewej – model S13360-3050CS, Po prawej - S13360-6050CS. Krzywe czerwone i czarne oznaczają odpowiednio kształt widma piku pełnej energii po naświetleniu fotopowielaczy krzemowych neutronami prędkimi i przed ich naświetleniem.
Rys. 3. Własności scyntylatora EJ-276 przed i po naświetleniu neutronami prędkimi. Po lewej - liczba fotoelektronów w zależności od energii zdeponowanej w scyntylatorze oraz wzrastającej fluencji neutronów prędkich. Po prawej – względna zmiana światła w przeliczeniu na 1 MeV dla wzrastającej fluencji neutronów prędkich (tzw. krzywa nieproporcjonalności).
Rys. 4. Zależność zdolności rozdzielczej nienaświetlonego i naświetlonego protonami fotopowielacza krzemowego scalonego z nienaświetlanym scyntylatorem GAGG w funkcji napięcia zasilania dla różnej wartości temperatury otoczenia.