Характеристики и применение кремниевых фотоумножителей для регистрации корпускулярного излучения

Аннотации

Аннотация

Традиционные технологии регистрации нейтронов ограничены с точки зрения чувствительности, компактности и времени отклика. В таких системах регистрации доминирующим вариантом были фотоэлектронные умножители (ФЭУ). В отличие от традиционных ФЭУ, кремниевые фотоумножители (SiPM) обладают высокой чувствительностью, компактными размерами и быстрым временем отклика. В данном исследовании изучаются и обсуждаются принципы работы SiPM, а также их важнейшие характеристики, такие как уровень шума, коэффициент усиления и время отклика. Кроме того, предлагается технология регистрации нейтронов на основе материала-преобразователя, помещенного в сцинтиллирующую среду, где индуцированный свет, вызванный взаимодействием нейтронов, считывается с SiPM. Такая технология позволяет создавать недорогие компактные детекторы. В детекторе, который будет иллюстрироваться, используются четыре SiPM-устройства, которые прикреплены непосредственно к торцам хорошо отполированного органического сцинтиллятора. Это позволяет выбирать события, строго совпадающие с двух сторон сцинтиллятора, что снижает количество ошибочных отсчетов. Проведенное исследование показало, что для оптимизации коэффициента усиления SiPM  ($\geqslant$ 10⁶), временных характеристик ($\leqslant$ 100 пс) и низкого уровня темнового сигнала  (уровень шума $\leqslant$ 10 $\mu$A) принципиально важным является контроль температуры и рабочего напряжения. В данном исследовании наилучшее временное разрешение достигнуто на уровне $\sim$50 пс при температуре 0 ^oC и напряжении 1 В. Рассматриваются конструктивные особенности нейтронного детектора, компоненты, метод сборки, а также описано предварительное испытание прототипа детектора на коленях с использованием бета-частиц, испускаемых доступным радиоактивным изотопом стронций-90. Результаты испытаний показали, что авторский прототип детектора способен обнаруживать и различать $β$-частицы различных энергий с хорошей эффективностью обнаружения.