Поверхневі процеси, що викликають деградацію спектрометричних характеристик сцинтиляторів NaI(Tl) і CsI(Na)

2. На противагу кристалам NaІ (Tl), у CsІ і CsІ (Na) у початковий момент часу після механічної обробки поблизу вільної поверхні завжди утворюється шар зі збільшеним порівняно з обўємом виходом люмінесценції, що згодом трансформується в “мертвий”. Показано, що глибина шару залежить від орієнтації вихідної поверхні, а також від способу її обробки. 

3. Виявлено скорочення тривалості сцинтиляцій для квантів низьких енергій. Ефект дозволяє пояснити зростання сцинтиляційної ефективності зі зниженням енергії для стандартно упакованих детекторів. 

4. Показано, що непропорційність виходу для таких матеріалів як NaІ (Tl), CsІ (Tl) і CsІ (Na) значною мірою визначається умовами світлозбирання, концентрацією центрів свічення в обўємі сцинтилятора і біля його вхідної поверхні, орієнтацією останньої, а також обраним часом формування імпульсу.

Основні висновки дисертації можна сформулювати таким чином. 

1. Процеси взаємодії води з поверхнею кристалів NaІ різноманітні і результат залежить від ступеня гідратації. Якщо ступінь гідратації незначний і вода на поверхні представлена адсорбованими моношарами, то характеристики детектора в обўємі не змінюються. Характерним проявом такої ситуації є утворення мертвого шару. Якщо ступінь гідратації досить великий і вода на поверхні утворює рідку фазу, основну роль відіграють процеси розчинення і кристалізації. У цьому випадку за погіршення об'ємних характеристик сцинтилятору відповідальна неоднорідність оптичних властивостей, що виникає внаслідок формування гідратованої поверхні. 

2. Мертвий шар у NaІ (Tl) сформований вже на стадії виготовлення детектора. Адсорбована вода у вигляді молекул або моношарів трансформується в результаті радіаційно-хімічних реакцій у NaIO3, що призводить до поступового зникнення мертвого шару. Процес можна прискорити термічною стимуляцією хімічних реакцій шляхом низькотемпературного відпалу детекторів. 

3. Зміну спектрального складу люмінесценції на користь свічення складних активаторних центрів (Tl+) n запропоновано використовувати як інструмент контролю працездатності детекторів у процесі експлуатації. 

4. Показано, що полікристалічний шар, який виникає на поверхні кристалів NaІ (Tl) в процесі дегідратації, може бути успішно використаний як ефективний дифузійний відбивач, а його відбивну здатність можна поліпшити обробкою в реакційній газовій атмосфері. 

5. На відміну від NaІ (Tl), у монокристалах CsІ (Na) мертвий шар утворюється не відразу, а поступово, з характерним часом близько 4 днів за нормальних умов. Кінетика його утворення має експоненціальний характер і не залежить від вологості повітря. Остання впливає лише на рівень, до якого відбувається падіння a-виходу. 

6. Механізм утворення мертвого шару в CsІ (Na) двохстадійний. На першій стадії відбувається розпад пересиченого розчину власних точкових дефектів (характерний час процесу близько чотирьох днів), на другій – розпад твердого розчину натрію (6 місяців і більш). Місцями розпаду на другій стадії є вакансійні кластери, що утворилися в результаті першої стадії. 

7. Типові залежності питомого світловиходу від енергії є результатом сумарного впливу ефектів: скорочення тривалості сцинтиляцій зі зменшенням глибини проникнення випромінювань і мертвого шару. Залежно від матеріалу сцинтилятора й умов експерименту, збільшення виходу викликане: скороченням t, збільшенням числа центрів свічення, наприклад, у CsІ (Na) або тільки скороченням t – наприклад, у NaІ (Tl) із вхідною поверхнею у вигляді відколу. 

8. Між ступенем непропорційності і розділенням детектора спостерігається чітка кореляція – розділення мінімальне при мінімальному ступені непропорційності навіть в межах низьких енергій, де, за теоретичними уявленнями, внесок непропорційності є нехтовно малим. Показано, що зміною умов світлозбирання можна зменшити ступінь непропорційності і поліпшити енергетичне розділення. 

9. Непропорційність виходу відносно енергії електронів не можна розглядати як фундаментальну властивість вивчених у роботі сцинтиляторів, тому що і ступінь непропорційності, і її знак значною мірою визначаються типом відбивача, концентрацією центрів свічення, кристалографічною орієнтацією вхідної для випромінювань поверхні, а також обраним часом формування сигналу. 

У додатку наведена методика контролю працездатності детектора NaІ (Tl) у процесі експлуатації. 

 

 

1. Розенберг Г. Х., Выдай Ю. Т., Птицын Г. В., Чайковский Э. Ф. Кинетика распада твердого раствора NaI вблизи поверхности кристаллов CsI // Изв. АН СРСР, сер. физ. -1977. – Т. 41, №11. -С. 2365-2368. 

2. Гринёв Б. В., Семиноженко В. П. Сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений для жёстких условий эксплуатации. – Харьков: Основа, 1993. – 155 с. 

3. Leutz H., D'Ambrosio C. On the Scintillation Response of NaI (Tl) Crystals // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 1997. -V. 44, No. 2. – P. 190-193. 

 

4. Vasetsky S. I., Gershun A. S., Gres V. Yu., Кudin A. M., Yachnis G. I. Characteristics changes of unsealed NaI (Tl) detector under atmospheric moisture effect // Funct. Mat. – 1998. – V. 5, № 4. – P. 495-498. 

5. Vasetsky S. I., Gershun A. S., Gres V. Yu., Кudin A. M., Mateychenko P. V., Tkachenko V. F. Surface hydration and dehydration processes in NaI (Tl) crystals // Funct. Mat. -1999. – V. 6, №4. – P. 777-781. 

6. Gres V. Yu., Grinyov B. V. Revealing of dislocation structure of NaI (Tl) polycrystals // Funct. Mat. – 1998. – V. 5, №1. – P. 124 -126. 

7. Кudin A. M., Ananenko A. A., Vyday Yu. T., Gres