Сцинтилляционный оптико-электронный преобразователь гамма-излучения на основе кремниевого фотоэлектронного умножителя

Бокатый И.О., Коротаев В.В., Романова Г.Э., Тимофеев А.Н., Рыжова В.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Бокатый И.О., Коротаев В.В., Романова Г.Э., Тимофеев А.Н., Рыжова В.А. Сцинтилляционный оптико-электронный преобразователь гамма-излучения на основе кремниевого фотоэлектронного умножителя // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 7. С. 38–50. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-07-38-50

Bokaty I.O., Korotaev V.V., Romanova G.E., Timofeev A.N., Ryzhova V.A. Scintillation optical-electronic converter of gamma radiation based on silicon photomultiplier [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 7. P. 38–50. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-07-38-50

Ссылка на англоязычную версию:

Ilya O. Bokatyi, Valery V. Korotaev, Galina E. Romanova, Alexander N. Timofeev, and Viktoria A. Ryzhova, "Scintillation optical-electronic converter of gamma radiation based on a silicon photomultiplier," Journal of Optical Technology. 90(7), 376-383 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000376

Аннотация:

Предмет исследования. Сцинтилляционный оптико-электронный преобразователь гамма-излучения на основе кремниевого фотоэлектронного умножителя. Цель работы. Разработка оптико-электронного преобразователя гамма-излучения с увеличенным диапазоном линейности передаточной характеристики и улучшенным относительным энергетическим разрешением для персонального использования и работы в составе распределенных систем радиационного контроля в полевых условиях. Метод. Анализ процессов преобразования сигналов в сцинтилляционном оптико-электронном преобразователе гамма-излучения, компьютерное моделирование и экспериментальное исследование преобразователя. Основные результаты. Предложена структура и разработан оптико-электронный преобразователь гамма-излучения для персонального использования и работы в составе распределенных систем радиационного контроля в полевых условиях. Разработана методика выбора размеров оптической системы сопряжения сцинтилляционного кристалла и кремниевого фотоэлектронного умножителя, а также вида и параметров ее отражающих поверхностей, которая позволяет увеличить диапазон линейности передаточной характеристики преобразователя за счет повышения равномерности облученности фотоумножителя. Предложен алгоритм оценки вклада потерь сигнала от фотонов, попадающих на микроячейку кремниевого фотоэлектронного умножителя во время восстановления ее чувствительности, в относительное энергетическое разрешение преобразователя при экспериментальных исследованиях равномерности распределения облученности. Практическая значимость. Разработан оптико-электронный преобразователь гамма-излучения с увеличенным до двух раз диапазоном линейности передаточной характеристики при интегральной нелинейности энергетической характеристики не более 1% и улучшенным не менее чем на 10% относительным энергетическим разрешением по пику энергии 662 кэВ эталонного источника 137Cs. Оптико-электронный преобразователь предназначен для персонального использования и работы в составе распределенных систем радиационного контроля в полевых условиях.

Ключевые слова:

оптико-электронный преобразователь гамма-излучения, гамма-спектрометр, умножитель кремниевый фотоэлектронный, сцинтилляционный кристалл, энергетическое разрешение, радиационный мониторинг

Коды OCIS: 120.0280, 230.0250, 290.5930, 040.5250, 300.6350

Список источников:

1. Васильев А.В., Липовский Д.Д., Денисеня Ю.А. Необходимость создания систем непрерывного мониторинга для обеспечения радиационной безопасности // АНРИ. 2009. № 2. С. 68–71.
2. Ullo S.L., Sinha G.R. Advances in smart environment monitoring systems using IoT and sensors // Sensors. 2020. V. 20. № 11. P. 3113. https://doi.org/10.3390/s20113113
3. Репин Л.В., Библин А.М., Ковалев П.Г. и др. Автоматизированная система контроля радиационного воздействия Роспотребнадзора: История создания, назначение и развитие // Радиационная гигиена. 2014. Т. 7. № 3. С. 44–53.
4. Вуколов А.В., Гоголев А.С., Черепенников Ю.М. и др. Портативный гамма-спектрометр // Изв. вузов. Физика. 2016. Т. 57. № 11-2. С. 270–274.
5. Никишкин Т.Г. Разработка модели портативного сцинтилляционного детектора гамма-излучения на основе твердотельных микропиксельных лавинных фотодиодов // Изв. вузов. Физика. 2021. Т. 64. № 2-2 (759). C. 73–77.
6. Grodzicka V., Moszyński M., Szczęśniak T., et al. Energy resolution of small scintillation detectors with SiPM light readout // J. Instrument. 2013. V. 8. № 2. https://doi.org/10.1088/1748-0221/8/02/P02017
7. Huang T., Fu O., Lin S., et al. NaI(Tl) scintillator read out with SiPM array for gamma spectrometer // J. NIMA. 2017. V. 851. P. 118–124. http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2017.01.068
8. Becker E.M. The MiniSpec: A low-cost, compact, FPGAbased gamma spectrometer for mobile applications // Master Thesis. Oregon State University, 2013. 100 p.

9. Chankyu K., Hyoungtaek K., Jongyul K., et al. Replacement of a photomultiplier tube in a 2-inch thallium-doped sodium iodide gamma spectrometer with silicon photomultipliers and a light guide // J. NET. 2015. V. 47. № 4. P. 479–487. https://doi.org/10.1016/j.net.2015.02.001
10. Jamil M.S., Jamil M.A., Mazhar A., et al. Smart environment monitoring system by employing wireless sensor networks on vehicles for pollution free smart cities // Pro. Eng. 2015. V. 107. P. 480–484. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.06.106
11. Becker E., Farsoni A., Alhawsawi A., et al. Small prototype gamma spectrometer using CsI(Tl) scintillator coupled to a solid-state photomultiplier // IEEE TNS. 2013. V. 60.2. P. 968–972. https://doi.org/10.1109/TNS.2012.2228236
12. Grodzicka-Kobylka M., Szczesniak T., Moszyński M. Comparison of SensL and Hamamatsu 4×4 channel SiPM arrays in gamma spectrometry with scintillators // J. NIMA. 2017. V. 856. P. 53–64. https://doi.org/10.1016/j.nima.2017.03.015
13. Ишанин Г.Г., Челибанов В.П. Приемники оптического излучения / под ред. профессора Коротаева В.В. СПб.: изд. «Лань», 2014. 304 с. (Учебники для вузов. Специальная литература). ISBN 978-5-8114-1048-4
14. Голашвили Т.В., Чечев В.П., Лбов А.А. и др. Справочник нуклидов-2, Изд. 2-е, дополн. и переработ. / Под ред. Михайлова В.Н. М.: ФГУП «ЦНИИатоминформ», 2002. 348 с. ISBN-87911-077-Х
15. Romanova G., Radilov A., Denisov V., et al. Simulation and research of the gamma-ray detectors based on the CsI crystals and silicon photomultipliers // Proc. SPIE 10231, Optical Sensors. 2017. 102311 G. https://doi.org/10.1117/12.2264921
16. McElroy D., Sung-Cheng H., Hoffman E. The use of retro-reflective tape for improving spatial resolution of scintillation detectors // IEEE TNS. 2002. V. 49. № 1. P. 165–171. https://doi.org/10.1109/TNS.2002.998746
17. Акимов Ю.К. Детекторы ядерных излучений на основе неорганических сцинтилляторов // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1994. Т. 25. № 1. С. 229–284.
18. Shah K., Glodo J., Klugerman M., et al. High energy resolution scintillation spectrometers // IEEE TNS. 2004. V. 51. № 5. P. 2395–2399. https://doi.org/10.1109/TNS.2004.832616