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

 Ключові слова: кристали NaI (Tl), CsI (Na), CsI (Tl) ; сцинтилятор, “мертвий” шар, порушений шар, деградація, приповерхневі та об'ємні характеристики, непропорційність світлового виходу, тривалість сцинтиляцій. 

 

Гресь В. Ю. Поверхностные процессы, вызывающие деградацию спектрометрических характеристик сцинтилляторов NaI (Tl) и CsI (Na). – Рукопись. 

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05. 02. 01 – материаловедение. – Институт монокристаллов НТК “Институт монокристаллов” НАН Украины, Харьков, 2002. 

Диссертация посвящена изучению деградации спектрометрических характеристик кристаллов NaI (Tl) и CsI (Na) во взаимосвязи с протеканием физико-химических процессов вблизи их свободной поверхности. Изучены процессы гидратации и дегидратации на поверхности гигроскопичных кристаллов NaI (Tl). Процесс гидратации характеризуется ростом поверхностной плёнки, которая представляет собой водный раствор NaI. При дегидратации происходит кристаллизация растворенного вещества, и на поверхности кристалла образуется полупрозрачный текстурированный поликристаллический слой, содержащий основное вещество NaI, включения второй фазы TlI, кристаллогидрат NaI 2H2O (менее. 1%), а также примеси NaOH и NaIO3 в следовых количествах. 

Исследовано квазиравновесное состояние, когда водная пленка не увеличивается по толщине и не испаряется – случай, соответствующий наличию микроскопической течи в контейнере детектора. Установлено, что причиной ухудшения характеристик NaI (Tl) в процессе медленной гидратации является возникающая неоднородность оптических свойств поверхности. В спектре радиолюминесценции (РЛ) появляется полоса сложных активаторных центров свечения (Tl+) n, которая отражает факт обогащения некоторых участков поверхности активатором в результате перекристаллизации основного вещества. Изменения в спектрах происходят раньше, чем обнаруживается деградация светового выхода и энергетического разрешения. Эта особенность положена в основу разработанной методики контроля работоспособности детектора NaI (Tl) в процессе эксплуатпции. Поликристаллический слой, образующийся в результате дегидратации, не содержит сложных центров (Tl+) n и его можно использовать в качестве диффузного отражателя, толщиной которого можно управлять, а эффективность отражателя улучшить выдержкой в атмосфере углекислого газа. Этот принцип положен в основу способа изготовления сцинтилляционного детектора. 

Такой перекристаллизованный экранирующий слой на поверхности кристалла может играть роль специфической разновидности мертвого слоя (МС). Типичный для NaI (Tl) МС возникает сразу, на стадии изготовления детектора, если на поверхности имеется “остаточная” влага в виде адсорбированных монослоёв и проявляется снижением выхода для квантов низких энергий. Причиной снижения выхода для излучений с малой глубиной проникновения является отток носителей заряда на поверхность, где они безызлучательно рекомбинируют и стимулируют протекание радиационно-химических реакций. Прогревом детекторов при температуре 80°С можно ускорить химические реакции и восстановить сцинтилляционные свойства приповерхностного слоя. 

В отличие от NaI (Tl), в кристаллах CsI (Na) процесс формирования МС растянут во времени и происходит в две стадии. Неожиданной особенностью CsI (Na) оказалось то, что сразу после его механической обработки вблизи поверхности образуется слой с повышенной сцинтилляционной эффективностью h, который со временем трансформируется в МС. Кинетика образования МС на первой стадии имеет экспоненциальный характер и не зависит от влажности окружающей среды. Показано, что глубина слоя с повышенной h зависит от ориентации исходной поверхности, а степень увеличения h – от способа обработки. Исследования показали, что такой слой образуется даже после “мягкой” полировки, когда не нарушена монокристалличность и плотность дислокаций у поверхности не увеличена. За увеличение h ответственны дивакансии, которые в CsI являются центрами свечения и легко возникают при скольжении дислокаций. Полировка вызывает перемещение существующих дислокаций из-за очень низкого “порога старта” их скольжения в CsI (1-2 г/мм2). Выполненная по данным РЛ оценка концентрации вакансий для кристаллов CsI, подвергнутых деформации, закалке и полировке показала, что их количество достигает величины (6-7) ґ1017 см-3, что сравнимо с обычным содержанием натрия в CsI (Na) – 1ґ1018 см-3. На основании полученных результатов предложен механизм формирования МС в CsI (Na), который предполагает распад пересыщенного раствора собственных точечных дефектов на первой стадии и распад активаторной подсистемы – на второй. 

Обнаружена четкая кореляция между степенью непропорциональности удельного светового выхода сцинтилляций и энергетическим разрешением детекторов CsI (Na) и CsI (Tl) в области энергий 60 кэВ и ниже. Показано, что изменением условий светособирания можно уменьшить степень непропорциональности и улучшить разрешение в области низких энергий, что, по существующим представлениям, неочевидно. Предложено альтернативное существующему объяснение природы непропорциональности выхода по отношению к энергии электронов. Показано, что типичная кривая непропорциональности является результатом сокращения длительности сцинтилляций для области 5, 9 кэВ Ј E Ј 662 кэВ и негативного влияния МС для E Ј 17 кэВ. Полученные результаты позволяют изменить подход к проблеме ограничения собственного энергетического разрешения и указывают на возможность его улучшения путем управления степенью непропорциональности, которая рассматривается как осевая неоднородность сцинтилляционной эффективности. 

Ключевые слова: кристаллы NaI (Tl), CsI (Na), сцинтиллятор, мертвый слой, нарушенный слой, деградация, приповерхностные и объёмные характеристики, непропорциональность светового выхода, длительность сцинтилляций. 

Gres' V. Ju. Surface processes leading to spectrometric characteristicsў degradation of NaI (Tl) and CsI (Na) scintillators. – Manuscript. 

Thesis for the degree of the Candidate of technical sciences by speciality 05. 02. 01 – Material science. – Institute for Single Crystals STC “Institute for Single Crystals” of NAS of Ukraine, Kharkiv, 2002. 

The thesis is dedicated to the investigation of spectrometric characteristic degradation of NaI (Tl) and CsI (Na) crystals in connection with running physical-chemical processes near their free surfaces. The processes of hydration, dehydration and recrystallization of the main phase are of importance for NaI (Tl). These processes lead to the formation of the 'dead' layer only (which is characterized by the decrease of scintillation output h near the surface) or volume characteristicsў degradation, too. On the basis of luminescence spectrum changes the method of working capacity control during the detector operation was proposed. The method of manufacturing a detector with the effective diffusion reflector was proposed, as well. For CsI (Na) crystals the increase of h value near their surface just after polishing was found. This peculiarity is connected with divacanciesў formation, which are additional luminescence centers and easily formed during dislocation sliding because of crystal surface treatment. It was found that the process of “dead” layer formation in CsI (Na) is prolonged and consists of two stages. The decomposition of supersaturation solid solution of vacancies proceeds at the first stage and the decomposition of activator solid solution – at the second. The correlation between the energy resolution of the detectors and non-proportionality of response to energy h (E) in the region of 5, 9-60 keV was found. The behavior of the curve h (E) is the result of shortening of the scintillation duration when the energy becomes lower and negative influence of the dead layer. The way to solve the problem of limitation of the internal energy resolution was proposed. It gives a possibility to improve the value of energy resolution by changing the degree of non-proportionality of the response which is considered as the axes non-uniformity of the scintillation efficiency. 

Key words: NaI (Tl), CsI (Na), CsI (Tl) crystals, scintillator, “dead” layer, breaching layer, degradation, surface and volume characteristics, non-proportionality of response, decay time.