Приборы и техника эксперимента, 2022, № 4, стр. 46-50

ВВЕДЕНИЕ

Многопиксельный счетчик фотонов (MPPC – Multi-Pixel Photon Counter) – это вариант полупроводникового прибора, называемого SiPM (кремниевый фотоумножитель). Это новый тип счетчика фотонов. Он обладает высокой эффективностью регистрации фотонов и может использоваться в различных приложениях для обнаружения слабого светового сигнала на уровне счета отдельных фотонов. MPPC может заменить обычные детекторы, используемые до настоящего времени для регистрации фотонов [1].

MPPC способен регистрировать отдельные сцинтилляции, производимые α-частицами при бомбардировке слоя ZnS(Ag) [2]. Первым прибором, способным регистрировать отдельные частицы, был спинтарископ, изобретенный Уильямом Круксом в 1903 году. Было обнаружено, что свечение экрана из сульфида цинка при воздействии α-частиц состоит из ряда отдельных мерцающих световых точек, яркость которых достаточна для наблюдения человеческим глазом [3].

Временные методы измерения могут быть использованы для разделения частиц различных типов на основе различных временных характеристик их импульсов [4]. Один из наиболее эффективных методов – это метод временной привязки с постоянным порогом. В этом методе входящий импульс сначала разделяется на две части, причем одна часть задерживается на время, равное длительности роста импульса от порога до амплитудного значения, а другая часть инвертируется и ослабляется определенным образом. Затем они суммируются для получения биполярного импульса [5].

Исторический обзор спинтарископа и регистрации сцинтилляций был сделан Kolar and Hollander [6]. Gazzola et al. в [7] исследовали дискриминацию α-частиц путем анализа сцинтилляционного света, собранного SiPM. Оценка характеристик α-детектирования четырех различных сцинтилляторов с использованием ФЭУ и SiPM была проведена Morishita et al. [8], которые предложили для одновременного обнаружения α-, β- и γ-излучения использовать детектор типа фосвич, вкючающий SiPM [9]. Авторы работы [8] разработали α-, β-спектрометр на основе органических сцинтилляторов для измерения радона [10].

В данном исследовании α-спектр радиоизотопа ²²⁶Ra был получен с помощью пластины спинтарископа и МРРС. Поскольку в сигналах от MPPC значительную роль играют шумы, был предложен спектрометр с методом временной привязки с постоянным порогом, чтобы отличать шумовые сигналы от исходных α-сигналов, что позволяет получить более четкий α-спектр и улучшить разрешение.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В экспериментах использовался стандартный модуль МРРС (C10507-11-100U) фирмы Hamamatsu, содержащий полупроводниковый сенсор SiPM. Модуль имел аналоговый и цифровой выходы, напряжение подавалось через порт USB компьютера. Фотография использованного модуля показана на рис. 1.

Рис. 1.

Фотография использованного модуля МРРС с источником излучений.

Для регистрации α-частиц использовалась пластина спинтарископа толщиной 0.25 мм, состоявшая из слоя активированного серебром сульфида цинка (ZnS(Ag)), нанесенного на прозрачную подложку. Фотография спинтарископа приведена на рис. 2. Облучение проводилось твердым источником ²²⁶Ra с активностью 9 мкКи. Число регистрируемых α-частиц определяется расстоянием между источником и пластиной: чем меньше расстояние, тем больше α-частиц попадает в спинтарископ.

Рис. 2.

Фотография пластины спинтарископа.

Пластина размещалась между источником и окном МРРС. Максимум длины волны излучения спинтарископа составлял 450 нм. Излучение с такой длиной волны надежно регистрируется SiPM-сенсором, так как его чувствительность простирается на область 320–900 нм [11].

Для подавления электронного шума, создаваемого внешним светом, вся система помещалась в оптически герметичный корпус. Для подавления теплового шума вся система помещалась в холодильник. Во всех экспериментах время набора статистики было равно 300 с. Схема экспериментальной установки для регистрации α-частиц и получения чистых α-спектров приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Схема спектрометра. S – источник; М – ZnS(Ag)-пластина спинтарископа; A – основной усилитель ORTEC 671; CFD – дискриминатор с постоянным порогом ORTEC 584; D – блок задержки ORTEC 425A; TAC – времяамплитудный конвертер ORTEC 566; MCA – многоканальный анализатор ORTEC Easy MCA 2k.

В представленной на рис. 3 схеме модуль МРРС имеет два выхода: один – аналоговый “Analog”, другой – цифровой “Comparator”, отмеченные на рис. 1. Сигнал с аналогового выхода подается на основной усилитель. Усиленный сигнал показан на рис. 4, где можно видеть заметный вклад шумов.

Рис. 4.

Аналоговый сигнал с выхода МРРС.

Устранение этого негативного шумового эффекта было очень важно для получения более четкого α-спектра. По этой причине был использован метод временной привязки с постоянным порогом, который достаточно эффективен для отделения шумовой составляющей. В связи с этим сигнал с выхода усилителя направлялся на блок CFD для процесса синхронизации. Блок CFD генерирует два выходных сигнала синхронизации с одинаковыми характеристиками. Один умножается на определенный коэффициент f для соответствия необходимой временной доле амплитуды. Другой сигнал инвертируется и задерживается на время, превышающее время нарастания импульса (время между 10% и 90% от амплитуды сигнала). Затем задержанные и инвертированные сигналы суммируются для формирования окончательного выходного сигнала. Подробное объяснение метода можно найти в [12]. Временные выходы CFD были подключены к входам “Start” и ”Stop” время-амплитудного конвертера (ТАС), который формирует сигнал синхронизации, пропорциональный временному интервалу между его входами “Start” и “Stop”. Блок задержки задавал время задержки, равное 16 нс. Форма выходного сигнала ТАС представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Форма выходного сигнала блока ТАС.

Выходной сигнал TAC управлял воротами MCA. Цифровой выход МРРС (“Comparator”) был напрямую подключен к прямому входу MCA. На рис. 6 хорошо видны шумовые сигналы с выхода “Comparator”, показанные на экране цифрового осциллографа. Таким образом, анализатор МСА накапливал только сигналы от α-частиц, инициированные временными, что позволяло записывать в компьютер α-спектр с подавленным шумом.

Рис. 6.

Форма цифровых сигналов на выходе МРРС.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнение энергетических спектров с источником ²²⁶Ra и без него приведено на рис. 7. На фотографии с экрана МСА отчетливо виден α-пик.

Рис. 7.

Сравнение спектров от МРРС: 1 – спектр ²²⁶Ra (красный); 2 – спектр фона без источника ²²⁶Ra (черный).

Совместная запись с двух входов анализатора МСА позволила получить очищенный от шумов энергетический α-спектр радиоизотопа ²²⁶Ra, показанный на рис. 8. Спектр на рис. 8 более четкий, устранены многие шумовые сигналы, а энергетическое разрешение α-пика было улучшено с 1.34% до 1.12%.

Рис. 8.

Окончательный спектр, полученный с предложенным спектрометром.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе описан альтернативный экспериментальный метод для регистрации α-частиц с использованием MPPC и пластины из слоя ZnS(Ag), нанесенного на прозрачную подложку (спинтарископ). Полученные результаты показали, что посредством метода временной привязки с постоянным порогом можно получить более четкий α-спектр, в котором в основном подавлены электронные шумы. Кроме того, на основании полученных результатов можно предположить, что предлагаемый спектрометр можно будет использовать для получения чистых спектров α-излучения с подавленными шумами электронной системы и для других источников β-излучения.

Также полагается, что не только электронный шум, но и другие негативные эффекты, препятствующие накоплению чистого α-спектра, такие как фон, рассеяние, обратное рассеяние, окружающий свет и температура, а также старение, могут быть выделены с помощью предложенного в данной работе спектрометра.

По результатам работы можно сделать вывод, что предложенный спектрометр, состоящий из пластины спинтарископа и МРРС, за счет временного метода измерения достаточно эффективен для получения более четкого α-спектра, существенно избавленного от шумов и других негативных эффектов, даже для любого α-излучателя.