Приборы и техника эксперимента, 2020, № 1, стр. 35-38

ВВЕДЕНИЕ

Кристаллы CsI(Tl) широко используются в различных областях науки и сцинтилляционной техники [1, 2]. Очевидным достоинством этих кристаллов является их способность не только регистрировать заряженные частицы [3], но также осуществлять их идентификацию по форме импульса [4]. Необходимость регистрировать заряженные частицы предопределяет суровые требования к состоянию поверхности сцинтиллятора [5] и ее стабильности во времени [6].

Известно, что состояние поверхности кристаллов CsI нестабильно во времени. В литературе рассматривались две причины такой нестабильности. Во-первых, это релаксация вакансионной подсистемы внутри нарушенного слоя, созданного после механической обработки поверхности [7, 8], во-вторых, релаксация дислокационной структуры нарушенного слоя [9] и связанные с этим изменения рельефа поверхности.

Одним из путей обеспечения стабильности спектрометрических характеристик является применение защитных покрытий [10, 11]. В работе [12] был предложен состав покрытия на основе акриловой пленки толщиной 5 мкм, что меньше пробега α-частиц в CsI. Предложенный состав оказался удачным и успешно применялся в течение последних 40 лет.

В последние годы стали доступными многие гидрофобные материалы, превосходящие акриловый лак по своим физико-химическим характеристикам. В настоящей работе рассматривается возможность снижения толщины покрытия за счет применения новых гидрофобных материалов и повышения их адгезии к поверхности кристаллов без снижения стабильности характеристик α-детектора во времени.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Состав композиции. В качестве полимера в составе композиции для гидрофобного покрытия использован сополимер трифторхлор этилена и фтористого винилидена общей формулы [(–CF₂–CFCl)_n–CF₂–CH₂–]_m, известный как фторопластовый лак Ф-32Л, а в качестве растворителя – этилацетат. Известно [13], что этот лак применяется для формирования тепло- и химически стойких влагонепроницаемых пленочных покрытий. Защитные фторопластовые пленки в 30 раз менее влагопроницаемы, чем покрытия из полиэтилена, в 40–60 раз – по сравнению с эпоксидными лаками, в 80–120 раз – по сравнению с пленками масляных лаков. Эти покрытия обладают достаточно хорошей прозрачностью и фотостойкостью.

Для получения гидрофобного покрытия минимальной толщины использован фторопластовый лак марки “В”. Толщину защитной пленки можно регулировать путем разбавления композиции этилацетатом. При добавлении растворителя в состав фторопластового лака изменяется вязкость композиции, и покрытие равномерно наносится на поверхность кристалла. Следует учитывать, что при уменьшении толщины покрытия его проницаемость растет.

Однако высокая химическая инертность и низкая поверхностная энергия фторопласта являются причиной низкой адгезии покрытия к поверхности кристалла. Обработка полированной поверхности кристалла CsI(Tl) в парах гексаметилдисилазана (ГМДС) позволяет усилить адгезию фторопластового покрытия вследствие химических реакций, которые создают тонкий слой SiOSi(CH₃)₆ (гексаметилдисилоксана) на поверхности. Известно, что такой слой является промотором адгезии [14] для пленок с сильными гидрофобными свойствами.

Способ нанесения покрытия состоит в следующем. Кристалл с отполированной поверхностью выдерживают в парах ГМДС в течение 2 ч при температуре 60°C в эксикаторе. Температура выдержки 60°C выбрана из соображений ускорения процессов переноса в газовой фазе и химических процессов на поверхности. Увеличение температуры выше указанной нежелательно, поскольку известно, что уже при 80°C процессы приповерхностной диффузии в кристалле усиливаются. Интенсификация диффузионных процессов обусловлена резким увеличением концентрации одиночных вакансий из-за диссоциации дивакансий [7], что приводит к неоднородному распределению конверсионной эффективности [8], образованию мертвого слоя и ухудшению сцинтилляционных характеристик образца.

Далее кристалл зажимают в специальной оправке, которую устанавливают в шпиндель станка и приводят во вращение со скоростью 1.0–1.3 с^–1. На поверхность сцинтиллятора наносят несколько капель (в зависимости от диаметра заготовки) пленкообразующей композиции, содержащей 8% лака Ф-32Л. Полученное покрытие высушивают потоком теплого воздуха от фена.

Выбор кристаллов. Для изготовления образцов использовались кристаллы CsI(Tl), выращенные методом вытягивания на затравку с подпиткой [15]. Особенности метода подробно описаны в [16]. Для изготовления детекторов заряженных частиц в работе [3] рекомендуется сцинтилляционный материал CsI(Tl, NO₂) [17], поскольку он обладает меньшим послесвечением и большей радиационной стойкостью. В наших экспериментах использовался более доступный материал CsI(Tl, CO₃) [18]. Благодаря исключительной однородности свойств по объему слитка [19] из кристалла CsI(Tl, CO₃) можно вырезать большое число идентичных образцов. Все образцы были изготовлены из однородной части слитка и имели концентрацию активатора (C_Tl = 9.5 ⋅ 10¹⁸ см^–3), оптимальную для детектирования γ-квантов [20] с “синим” фотоэлектронным умножителем (ф.э.у.). Указанная концентрация меньше оптимальной C_Tl для регистрации α-частиц. По этой причине реальные детекторы α-частиц могут иметь спектрометрические характеристики лучше полученных в настоящей работе. Наши результаты иллюстрируют влияние покрытий на спектрометрические характеристики коммерческих кристаллов CsI(Tl).

Изготовление образцов. Для проведения исследований были выбраны образцы двух различных размеров. Во-первых, это были стандартные для регистрации α-излучения кристаллы диаметром 60 и толщиной 0.35 мм. Схематическое изображение детектора α-частиц представлено на рис. 1. Оговоримся, что на схеме опущены некоторые конструктивные особенности, такие как корпус, в который вклеивается изображенное стеклянное окно и крышка.

Рис. 1.

Конструкция сцинтилляционного детектора для регистрации α-частиц [12].

Для изготовления детекторов такого типа отполированная заготовка ∅60 × 5 мм приклеивалась эпоксидным клеем к стеклянному окошку диаметром 65 мм, выполненному из материала К-8. После застывания клея кристалл был сошлифован и отполирован до толщины 0.35 мм. Указанная толщина сцинтиллятора на порядок превышает пробег α-частиц с энергией 5.15 МэВ в CsI (l ~ 0.032 мм). Защитное покрытие наносилось на входную для излучения поверхность.

Для экспериментов по отработке технологии нанесения защитных покрытий использовались образцы размером ∅20 × 4 мм, которые устанавливались непосредственно на входное окно ф.э.у. При механической обработке и финишной полировке образцов учитывались рекомендации работ [5–7] по минимизации нарушенного слоя, который возникает после механической обработки поверхности.

Измерение характеристик. Спектрометрические параметры измерены на спектрометрическом стенде с фотоумножителем Hamamatsu R1307 относительно эталона. Точность определения светового выхода данным методом составляла ±3.2% [21]. В качестве иммерсии использовался каучук СКТН. Сцинтилляции возбуждались α-частицами от радионуклида ²³⁹Pu с энергией 5.15 МэВ. Время формирования сигнала во всех случаях составляло 4 мкс.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Толщину d защитного покрытия на подложке определяли интерференционным методом. Типичные значения d приведены в табл. 1.

На рис. 2 приведены амплитудные спектры одного и того же образца CsI(Tl). Первоначально образец представлял собой стандартный α-детектор диаметром 63 и толщиной 0.35 мм. Толщина акриловой пленки на входной поверхности образца составляла 5 мкм по результатам интерференционных измерений. Амплитудный спектр исходного детектора представлен кривой 1 на рис. 2. Максимум пика полного поглощения α-частиц с энергией 5.15 МэВ соответствует 1172 каналу. Следует отметить, что справа от основного пика на всех спектрах наблюдается линия изотопа ²⁴¹Am (E_α = = 5.5 МэВ) – дочернего продукта β-распада изотопа ²⁴¹Pu, который в незначительных количествах содержится в ²³⁹Pu. Далее мы считаем этот пик фоновым и не обсуждаем в статье.

Рис. 2.

Амплитудные спектры детектора α-излучения с защитным акриловым покрытием (1), без покрытия (2) и с пленкой на основе лака Ф-32Л (3).

После измерений защитное акриловое покрытие с поверхности образца удалялось путем растворения в этилацетате. Кривая 2 на рис. 2 соответствует такому образцу, видно, что после удаления пленки световой выход увеличился на 480 каналов, а энергетическое разрешение улучшилось от 6.27 до 4.72%, что связано с уменьшением ионизационных потерь в защитной пленке.

После нанесения защитного фторопластового покрытия толщиной 2 мкм световой выход составил L = 1491 канал, а энергетическое разрешение R = 5.03%, согласно кривой 3 на рис. 2. Из сопоставления кривых 1 и 3 видно, что спектрометрические характеристики α-детектора с разработанным защитным покрытием заметно превосходят таковые для прототипа.

Для удобства сравнения результатов световой выход и энергетическое разрешение, рассчитанные по положению и форме пика полного поглощения α-частиц, представлены в табл. 1. Здесь же приведены данные для образцов диаметром 20 и высотой 4 мм. Для этих образцов данные по световому выходу и энергетическому разрешению лучше, чем для образцов первого типоразмера. Связано это с меньшими потерями света из-за отсутствия выходного стеклянного окна у образцов второго типа. Следует отметить, что начальные параметры образцов были практически идентичны, поэтому пленки различной толщины наносились на разные кристаллы. Отметим, что в этом случае замена материала покрытия приводит к улучшению разрешения от 6.28 до 4.96%.

Из данных табл. 1 и рис. 2 видно, что замена защитной пленки на основе акрилового лака на гидрофобную защитную пленку на основе лака Ф-32Л приводит к существенному улучшению спектрометрических характеристик α-детекторов независимо от их типоразмера.

Специально поставленные эксперименты с образцами меньшего диаметра позволили оптимизировать состав композиции для нанесения защитного покрытия и его толщину. Оказалось [22], что для композиции, содержащей 10% лака Ф-32Л и 90% этилацетата, толщина защитной гидрофобной пленки по разработанному способу нанесения составляет ~2 мкм. Уменьшение толщины пленки меньше 2 мкм нецелесообразно, так как нарушается целостность покрытия.

Стабильность характеристик. Детекторы α-частиц с предложенным гидрофобным покрытием длительное время хранились в нормальных условиях. Повторные измерения спектрометрических характеристик, проведенные через 2 года, показали, что в пределах ошибки измерений значения светового выхода и энергетического разрешения не изменились.

ВЫВОДЫ

Предложен состав и способ нанесения гидрофобного защитного покрытия на входную для излучений поверхность кристаллов CsI(Tl). Покрытие представляет собой композицию из полимера (фторопластовый лак) и растворителя (этилацетат). Определен оптимальный состав композиции для нанесения покрытий толщиной ~2 мкм. Способ нанесения покрытия предусматривает операцию предварительной выдержки образца в парах гексаметилдисилазана для увеличения адгезии покрытия к поверхности. Показано, что замена акриловой пленки толщиной 5 мкм на защитное покрытие на основе фторопластового лака позволяет увеличить световой выход α-детектора на 14%, а энергетическое разрешение улучшить от 6.28 до 4.96%.