Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью

Рассмотрены причины нестабильности оптических свойств отражающих граней сцинтиллятора CsI:Tl.

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Шкоропатенко, А.В., Кудин, А.М., Андрющенко, Л.А., Волошина, Л.И., Зосим, Д.И., Волошин, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2015
Назва видання:	Физическая инженерия поверхности
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108715
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью / А.В. Шкоропатенко, А.М. Кудин, Л.А. Андрющенко, Л.И. Волошина, Д.И. Зосим, А.В. Волошин // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 175-183. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108715
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1087152025-02-10T00:02:36Z Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью Причини нестабільності спектрометричних характеристик кристалів CsI:Tl з матованою поверхнею Reason of specnrometric characteristics unstability of matted CsI:Tl crystal Шкоропатенко, А.В. Кудин, А.М. Андрющенко, Л.А. Волошина, Л.И. Зосим, Д.И. Волошин, А.В. Рассмотрены причины нестабильности оптических свойств отражающих граней сцинтиллятора CsI:Tl. Розглянуто причини нестабільності оптичних властивостей відбиваючих граней сцинтилятора CsI:Tl. The factors that lead to instability of the optical properties of the reflective faces of the CsI:Tl crystal are discussed. 2015 Article Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью / А.В. Шкоропатенко, А.М. Кудин, Л.А. Андрющенко, Л.И. Волошина, Д.И. Зосим, А.В. Волошин // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 175-183. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108715 [539.1.074.3:546.36’15’683]:535.338.1 ru Физическая инженерия поверхности application/pdf Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Рассмотрены причины нестабильности оптических свойств отражающих граней сцинтиллятора CsI:Tl.
format	Article
author	Шкоропатенко, А.В. Кудин, А.М. Андрющенко, Л.А. Волошина, Л.И. Зосим, Д.И. Волошин, А.В.
spellingShingle	Шкоропатенко, А.В. Кудин, А.М. Андрющенко, Л.А. Волошина, Л.И. Зосим, Д.И. Волошин, А.В. Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью Физическая инженерия поверхности
author_facet	Шкоропатенко, А.В. Кудин, А.М. Андрющенко, Л.А. Волошина, Л.И. Зосим, Д.И. Волошин, А.В.
author_sort	Шкоропатенко, А.В.
title	Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью
title_short	Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью
title_full	Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью
title_fullStr	Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью
title_full_unstemmed	Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью
title_sort	причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов csi:tl с матированной поверхностью
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2015
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108715
citation_txt	Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью / А.В. Шкоропатенко, А.М. Кудин, Л.А. Андрющенко, Л.И. Волошина, Д.И. Зосим, А.В. Волошин // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 175-183. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT škoropatenkoav pričinynestabilʹnostispektrometričeskihharakteristikkristallovcsitlsmatirovannoipoverhnostʹû AT kudinam pričinynestabilʹnostispektrometričeskihharakteristikkristallovcsitlsmatirovannoipoverhnostʹû AT andrûŝenkola pričinynestabilʹnostispektrometričeskihharakteristikkristallovcsitlsmatirovannoipoverhnostʹû AT vološinali pričinynestabilʹnostispektrometričeskihharakteristikkristallovcsitlsmatirovannoipoverhnostʹû AT zosimdi pričinynestabilʹnostispektrometričeskihharakteristikkristallovcsitlsmatirovannoipoverhnostʹû AT vološinav pričinynestabilʹnostispektrometričeskihharakteristikkristallovcsitlsmatirovannoipoverhnostʹû AT škoropatenkoav pričininestabílʹnostíspektrometričnihharakteristikkristalívcsitlzmatovanoûpoverhneû AT kudinam pričininestabílʹnostíspektrometričnihharakteristikkristalívcsitlzmatovanoûpoverhneû AT andrûŝenkola pričininestabílʹnostíspektrometričnihharakteristikkristalívcsitlzmatovanoûpoverhneû AT vološinali pričininestabílʹnostíspektrometričnihharakteristikkristalívcsitlzmatovanoûpoverhneû AT zosimdi pričininestabílʹnostíspektrometričnihharakteristikkristalívcsitlzmatovanoûpoverhneû AT vološinav pričininestabílʹnostíspektrometričnihharakteristikkristalívcsitlzmatovanoûpoverhneû AT škoropatenkoav reasonofspecnrometriccharacteristicsunstabilityofmattedcsitlcrystal AT kudinam reasonofspecnrometriccharacteristicsunstabilityofmattedcsitlcrystal AT andrûŝenkola reasonofspecnrometriccharacteristicsunstabilityofmattedcsitlcrystal AT vološinali reasonofspecnrometriccharacteristicsunstabilityofmattedcsitlcrystal AT zosimdi reasonofspecnrometriccharacteristicsunstabilityofmattedcsitlcrystal AT vološinav reasonofspecnrometriccharacteristicsunstabilityofmattedcsitlcrystal
first_indexed	2025-12-01T23:42:52Z
last_indexed	2025-12-01T23:42:52Z
_version_	1850351372199788544
fulltext	Шкоропатенко А. В., Кудин А. М., Андрющенко Л. А., Волошина Л. И., Зосим Д. И., Волошин А. В., 2015 © 175 УДК:[539.1.074.3:546.36’15’683]:535.338.1 ПРИЧИНЫ НЕСТАБИЛЬНОСТИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛОВ CsI:Tl С МАТИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ А. В. Шкоропатенко1, А. М. Кудин2, Л. А. Андрющенко1, Л. И. Волошина1, Д. И. Зосим1, А. В. Волошин3 1Институт сцинтилляционных материалов НАН Украины, Харьков, 2Национальный университет гражданской защиты Украины, Харьков, 3Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, Поступила в редакцию 19.05.2015 Рассмотрены причины нестабильности оптических свойств отражающих граней сцинтилля- тора CsI:Tl. Нестабильность коэффициента отражения обусловлена деградацией поверхност- ного рельефа из-за релаксации дислокационной подсистемы в нарушенном слое. В результате полигонизации возникает структура с характерным размером зерна, меньшим начальной ше- роховатости. Сглаживание преднамеренно созданного рельефа изменяет условий светосбора и деградации спектрометрических характеристик. Размер образовавшихся зерен соответству- ет начальной шероховатости только в том случае, если начальная шероховатость была меньше 0,2 мкм. Старение образцов с таким рельефом поверхности не приводит к изменению ко- эффициента светосбора. Показано, что матирование поверхности абразивными материалами нового поколения на полимерной гибкой основе с зернистостью 0,3–1,0 мкм позволяет для сцинтилляторов CsI:Tl размерами 30 × 30 × 380 мм достигать неоднородность светового вы- хода менее 2 % и обеспечивает стабильность сцинтилляционных характеристик во времени. Ключевые слова: модификация поверхности, шероховатость, отражательная способность, спектрометрические характеристики, кристалл CsI:Tl. ПРИЧИНИ НЕСТАБІЛЬНОСТІ СПЕКТРОМЕТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛІВ CsI:Tl З МАТОВАНОЮ ПОВЕРХНЕЮ А. В. Шкоропатенко, О. М. Кудін, Л. А. Андрющенко, Л. І. Волошина, Д. І. Зосим, О. В. Волошин Розглянуто причини нестабільності оптичних властивостей відбиваючих граней сцинтилятора CsI:Tl. Нестабільність коефіцієнта відбивання обумовлена деградацією поверхневого рельєфу із-за релаксації дислокаційної підсистеми у спотвореному шарі. Як наслідок полігонізації виникає структура з характерним розміром зерна, меншим ніж початкова шорсткість. Зглад- жування навмисно створеного рельєфу змінює умови світлозбору і призводить до деградації спектрометричних характеристик. Розмір зерен, що утворилися, відповідає початковій глибині рельєфу лише в тому випадку, якщо початкова шорсткість була менше 0,2 мкм. Старіння зразків з таким рельєфом поверхні не призводить до зміни коефіцієнта світлозбору. Показано, що ма- тування поверхні абразивними матеріалами нового покоління на полімерній гнучкій основі із зернистістю 0,3–1,0 мкм дозволяє для сцинтиляторів CsI:Tl розмірами 30 × 30 × 380 мм до- сягати неоднорідність світлового виходу менше 2 % і забезпечує стабільність сцинтиляційних характеристик в часі. Ключові слова: модифікація поверхні, шорсткість, відбиваюча здатність, спектрометричні характеристики, кристал CsI:Tl. REASON OF SPECNROMETRIC CHARACTERISTICS UNSTABILITY OF MATTED CsI:Tl CRYSTAL A. V. Shkoropatenko, A. M. Kudin, L. A. Andruschenko, L. I. Voloshina, D. I. Zosim, A. V. Voloshin The factors that lead to instability of the optical properties of the reflective faces of the CsI:Tl crystal are discussed. Variability of the reflective coefficient is connected with degradation of the surface relief due to relaxation of the dislocation subsystems within the damaged layer. As a result of polygonization the grain structure is formed with specific grain size less than rate of initial roughness. The smoothing of created relief results in deterioration of light collection conditions and ПРИЧИНЫ НЕСТАБИЛЬНОСТИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛОВ CsI:TL... ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2176 spectrometric characteristics of the crystal. If initial roughness is less than 0.2 mm, it has been shown that specific size of grains which are formed after polygonization is coincided with initial roughness. Aging of samples with such surface relief do not leads to deterioration of light collection coefficient. It has been shown that matting of the surface by abrasives of new generation on flexible polymer base with the grain size of 0.3–1.0 µm allows reach the heterogeneity of the light output of less than 2 %, and ensures the stability of the scintillation characteristics in time. Keywords: modification of surface, roughness, reflectivity, spectrometric characteristics, CsI:Tl crystal. ВВЕДЕНИЕ Кристаллы CsI:Tl широко используются в различных областях науки и сцинтилляци- онной техники [1, 2]. За последние 10–15 лет для кристаллов CsI детально отработаны методы корректировки их спектрометри- ческих характеристик за счет модификации отражающих поверхностей. Так, в [3] пока- зано, что частичное матирование боковых поверхностей элементов в виде усеченных пирамид позволяет выравнивать осевую неоднородность светового выхода и, тем самым, минимизировать энергетическое раз- решение длинномерных сцинтилляционных элементов. В работах [4, 5] показано, что ма- тировка отражающих граней позволяет со- здавать заданное распределение светового выхода вдоль боковых граней длинномерных элементов размером 30 × 30 × 350 мм и при- давать подобным изделиям позиционную чувствительность. Проблемой такого подхода к вы ра в ни- ванию неоднородности светового выхода является нестабильность достигнутых ха- рактеристик [3, 6]. Причина нестабильности связана с морфологической неустойчивостью поверхностного рельефа [6]. В литературе рассматривались две причины нестабиль- ности. Во-первых, это релаксация вакан- сионной подсистемы внутри нарушенного слоя, созданного механической обработкой поверхности [7, 8]. Во-вторых, — релакса- ция дислокационной структуры нарушенно- го слоя [9, 10]. Однако данные об изменении светового выхода кристаллов с изменени- ем рельефа отражающих поверхностей противоречивы. Считается, что для детекто- ров цилиндрической формы с высотой меньше диаметра изменение эффективной зеркальности вследствие эволюции рельефа не приводит к заметному изменению характе- ристик при g-возбуждении [11]. В то же время хорошо известно, что для длинномерных сцинтилляторов изменение состояния по- верхности приводит к потере осевой одно- родности светового выхода [6, 11]. В настоящей работе рассматривают- ся причины нестабильности отражающих свойств матированного рельефа в зависимос- ти от размера зерна абразива и степени шеро- ховатости поверхности. Даны рекомендации по предотвращению указанной нестабиль- ности за счет применения новых абразивных материалов, в том числе наноразмерных. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА Для проведения исследований были выбраны образцы кристаллов CsI:Tl двух различных размеров. Во-первых, для удобства наблю- дений за эволюцией поверхностного релье- фа под оптическим микроскопом МБС-10 (либо при помощи прибора ПМТ-3) и из- мерений степени шероховатости тестером TR-200 были вырезаны образцы размерами 45 × 20 × 10 мм. Выбор размера обоснован тем, что такие образцы удобны, как для со- здания равномерной матировки, так и для измерения характеристик, чувствительных к изменению шероховатости и эффективной зеркальности поверхности. Все образцы такого размера были изготовлены из одно- родной части монокристалла и имели кон- центрацию активатора (CTl = 6,2 × 1018 см–3), оптимальную для детектирования g-квантов [12] со стандартным ФЭУ (в нашем случае фотоумножитель R1306 фирмы Hamamatsu). В то же время такая CTl позволяет изучать влияние обработки поверхности на выход a-сцинтилляций LA и изменение a/g-от но- шения со временем [13]. Поверхность образцов, входная к падающе- му излучению, обрабатывалась шлифовальной шкуркой на бумажной основе Р240, либо компо- зицией на основе этиленгликоля и шлифоваль- ного порошка F400. Для удобства сравнения перечень образцов с указанием их размеров А. В. ШКОРОПАТЕНКО, А. М. КУДИН, Л. А. АНДРЮЩЕНКО, Л. И. ВОЛОШИНА, Д. И. ЗОСИМ, А. В. ВОЛОШИН ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2 177 и метода матировки приведен в табл. 1. Сле- дует заметить, что в настоящей работе также были испытаны шлифовальные материалы но- вого поколения, смотри строки 3–5 таблицы. Это гибкие пленочные материалы [14], которые включают микронные и субмикронные зерна абразива, закрепленные при помощи полимер- ного связующего на структурно однородной высокопрочной пленке полиэфира. Однород- ная высокопрочная пленочная основа не дает абразивным зернам осыпаться или вдавливать- ся в обрабатываемую поверхность материала. Кроме образцов в виде пластин, были изготовлены две длинномерные заготовки размерами 30 × 30 × 350 мм, смотри стро- ки 6 и 7 табл. 1. Такие сенсорные элементы применяются в космических телескопах [5, 15] вместе с кремниевыми PIN фотодиодами. Нашей целью было достижение однородного распределения светового выхода вдоль оси сцинтиллятора за счет частичной матировки длинных граней заготовки. Распределение светового выхода L вдоль образцов 6 и 7 с шагом 20 мм проводились с помощью кол- лимированного источника 22Na с энергией квантов 551 и 1275 кэВ. Параметр неоднород- ности (u, %) определялся как u = ΔL/Lave , т. е. максимальное отклонение L от его среднего значения, деленное на средний выход Lave. Концентрация таллия в этих образцах была однородной вдоль оси и составляла (CTl = 1,1 × 1019 см–3). Световой выход из- мерялся при помощи «синего» ФЭУ R1306 (с максимальной чувствительностью при lmax = 410 нм) либо «красного» R669 (lmax = 600 нм) фирмы Hamamatsu, т. к. его спек- тральная чувствительность последнего хо- рошо соответствует таковой кремниевого фотодиода. Все грани образца № 6 были обработаны стандартным способом глубокой шлифовки- полировки с последовательным уменьшени- ем зерна абразива до 0,2 мкм и финишной полировкой на смеси спиртов. После изме- рений распределения светового выхода по длине образца проводилось выравнивание осевой неоднородности выхода путем мати- ровки отдельных участков его поверхности с использованием состава № 2 на основе этиленгликоля и электрокорунда. Аналогичным образом были обработаны грани образца № 7, однако финишная мати- ровка для выравнивания светового выхода изделия проводилась с использованием абра- зивного пленочного материала на полимер- ной гибкой основе с зернистостью 0,3–1 мкм. При изучении спектрометрических харак- теристик (световой выход и a/g-отношение) образцы № 1–5 располагались на входном окне ФЭУ R669. В качестве оптического контакта между кристаллами и ФЭУ ис- пользовался каучук Sylgard-184. В каче- стве отражающего покрытия использовался зеркальный отражатель ВМ-2000 толщиной 70 мкм, а также диффузный отражатель Tyvek. В центре отражающих оболочек рас- полагался коллиматор α-частиц. Образцы возбуждались одновременно α-частицами от изотопа 239Pu с энергией 5,15 МэВ и γ-квантами с энергией 0,662 МэВ от ис- точника 137Cs. В отличие от облучения изо- топом 239Pu, когда использовался коллиматор a-частиц, при возбуждении g-квантами кол- лиматор не применялся, а сам источник был удален от поверхности образца на расстояние 120 мм. Время интегрирования сигнала со- ставляло 5 мкс. Таблица 1 Перечень исследуемых образцов и условия их матировки № п/п Размер образца, мм Наименование Абразив Зерно, мкм 1 45 × 20 × 10 Шкурка Р-240 Электрокорунд 50–63 2 45 × 20 × 10 Этиленгликоль порошок F400 20–28 3 45 × 20 × 10 Пленка Al2O3 5–20 4 45 × 20 × 10 Пленка Al2O3 2–8 5 45 × 20 × 10 Пленка Al2O3 0,3–1,0 6 30 × 30 × 350 Частичная матировка составом № 2 7 30 × 30 × 350 Частичная одно- или двукратная матировка пленкой № 5 ПРИЧИНЫ НЕСТАБИЛЬНОСТИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛОВ CsI:TL... ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2178 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Полученные данные об изменении шерохова- тости поверхности и спектрометрических ха- рактеристик кристаллов приведены в табл. 2. Анализируя данные этой таблицы, начнем с главного — обсудим изменение морфоло- гии рельефа. Шероховатость поверхности. Про фи- лограммы поверхности исследуемых образ- цов размерами 45 × 20 × 10 мм3 приведены на рис. 1. Степень шероховатости Rа (сред- неарифметическая) определялась в двух взаимно перпендикулярных направлениях — поперек преимущественного направления царапин (Rа1) и вдоль их распространения (Ra2 ). В качестве примера на рис. 1 приведены профили поперечной (кривая 1) и продоль- ной (кривая 2) шероховатости на начальной стадии старения. Из данных рисунка видно, что поперечная шероховатость выражена более отчетливо, как это и следовало ожи- дать априори. Сведения об изменении шероховатости с течением времени представлены в табл. 2 для образцов, обработанных различным абразивом. Из данных этой таблицы видно, что степень шероховатости во многих слу- чаях уменьшается в процессе старения. Так, после матирования пленкой со стандартным абразивом с характерным размером зерна 5–20 мкм поперечная шероховатость состав- ляет 0,530 мкм и через месяц хранения умень- шается до величины 0,178 мкм. Аналогичные изменения наблюдаются и для продольной шероховатости, но ее изменение выражено менее заметно. Можно сделать вывод о том, что после грубой шлифовки морфология по- верхности подвержена заметным изменениям в процессе старения. Сам факт залечивания (сглаживания) царапин хорошо известен [16] и подробно изучался ранее. Отличительной особенностью материала CsI есть то, что процесс релаксации остаточных напряжений эффективно протекает даже при комнатной температуре. Однако, в противоположность сказанно- му, продольная и поперечная шероховатость остаются практически неизменными в слу- чае, если начальная Rа1 ≤ 0,2 мкм, как это видно из сравнения данных вначале и после 30 дней хранения, приведенных в строке 5 табл. 2. Так, начальная шероховатость Rа1 = 0,192 мкм изменилась незначительно и со- ставила 0,183 мкм через месяц старения. Можно констатировать, что использование полимерной пленки с абразивом с размером зерна 0,3–1,0 мкм для матировки образцов CsI:Tl позволяет получать стабильный во времени рельеф поверхности, а значит и не- изменную эффективную зеркальность этих поверхностей. Важно также отметить, что повторное матирование входной поверхности этой же пленкой также не приводит к неста- бильности сформированного рельефа, сравни строки 5 и 6 табл. 2. Полигонизация нарушенного слоя. Вывод об устойчивости рельефа при начальной Rа1 ≤ 0,2 мкм, который напрашивается из результатов об изменении шероховатости, строго говоря, не соответствует действи- тельности. Как показали наблюдения за выбранными участками поверхности при помощи оптического микроскопа, изменения рельефа происходят всегда. Оказалось, что общей особенностью шероховатой поверх- ности кристаллов CsI является сильная поли- гонизация и рекристаллизация нарушенного слоя. Эволюция глубоких царапин приводит к их залечиванию и уменьшению степени ше- роховатости [16]. В случае мелких царапин полигониза- ция приводит к исчезновению собствен- но царапин, но возникающие зерна имеют характерный размер, практически совпада- ющий с начальной степенью шероховатос- ти. Сказанное лучше всего иллюстрировать модельными экспериментами, результаты которых приведены на рис. 2. На полирован- ную поверхность образца наносилась отдель- ная царапина, параллельные царапины или их веер при помощи алмазного индентора μm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 mm Ra2 = 0,216 Ra1 = 0,530 +8 +4 0 –4 –8 +4 0 –4 –8 Roughness Profile 1 2 Рис. 1. Профили поперечной (1) и продольной (2) ше- роховатости для образца № 3 после матировки А. В. ШКОРОПАТЕНКО, А. М. КУДИН, Л. А. АНДРЮЩЕНКО, Л. И. ВОЛОШИНА, Д. И. ЗОСИМ, А. В. ВОЛОШИН ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2 179 прибора ПМТ-3. Из данных рисунка видно, что рельеф нестабилен. С течением времени царапина уплощается и превращается в сис- тему блоков. По этой причине матированные грани кристалла в процессе старения теря- ют поверхностную анизотропию, характер отражений становится изотропным, а ше- роховатость сглаживается из-за залечивания царапин. Мелкие царапины исчезают, вместо них наблюдается цепочка блоков. Наблюде- ния показали, если начальная степень ше- роховатости RаL ≤ 0,2 мкм, полигонизация приводит к образованию блоков и зерен такого же размера, поэтому параметр шеро- ховатости не изменяется и эффективная зер- кальность поверхности остается постоянной. Сцинтилляционные характеристики. Прежде всего, отметим, что изменение эффективной зеркальности верхнего торца в незначительной степени влияет на свето- вой выход при гамма-возбуждении LG [11, 17]. По этой причине в табл. 2 приведены результаты исследований по влиянию состо- яния поверхности на световой выход LA и a/g- отношение. Оказалось, что изменения выхода LA в процессе старения невелики и находятся в пределах точности измерений, которая для данного метода измерений составляет ±3,2 % [18]. Следует заметить, что при использова- нии «синего» ФЭУ выход LA всегда увели- чен после матировки входной поверхности и медленно релаксирует в процессе старе- ния. Объяснение нестыковки наших данных с предыдущими очевидно связано с тем, что использованный нами «красный» ФЭУ не чувствует дополнительные центры свечения (вакансии) в нарушенном слое, поскольку обусловленное ими свечение приходится на синюю область спектра [19]. Несмотря на указанное обстоятельство, связанное с «красным» ФЭУ, измеренные значения a/g-отношения четко отражают характер релаксации нарушенного слоя. Величина этого отношения всегда выше после матировки, когда в нарушенном слое много дополнительных центров свечения, и снижается в процессе релаксации. Хоро- шо видно, что только в одном случае — при использовании пленки с абразивом 0,3–1,0 (строка 5 табл. 2) значения a/g-отношения Таблица 2 Результаты опытов по выравниванию осевой неоднородности светового выхода сцинтилляционных элементов размером № Абра- зив, мкм Отража- тель Характеристики детекторов CsI:Tl После обработки Через 30 суток Rа, мкм Сцинтилляцион- ные характери- стики Rа, мкм Сцинтилляцион- ные характери- стики Rа1 Ra2 L, отн. ед. α/γ Rа1 Ra2 L, отн. ед. α/γ 1 50–63 – 2,100 1,800 – – 2,022 1,424 – – 2 20–28 Tyvek 1,186 0,705 0,94 0,64 1,027 0,665 0,95 0,63 ВМ-2000 1,00 0,63 0,99 0,62 3 5–20 Tyvek 0,530 0,216 0,97 0,67 0,178 0,200 0,98 0,63 ВМ-2000 0,98 0,65 1,01 0,63 4 2–8 Tyvek 0,343 0,284 0,94 0,65 0,279 0,239 0,95 0,63 ВМ-2000 1,01 0,64 0,99 0,63 5 0,3–1,0 Tyvek 0,192 0,183 1,01 0,66 0,183 0,181 0,99 0,66 ВМ-2000 1,03 0,64 0,97 0,64 6 0,3–1,0 дважды 0,370 0,330 – – 0,352 0,344 – – ПРИЧИНЫ НЕСТАБИЛЬНОСТИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛОВ CsI:TL... ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2180 стабильны во времени. Несмотря на вакан- сии, выбранная концентрация достаточна, процесс (отношение) отражает только изме- нение рельефа. Рекомендации по предотвращению нестабильности. Итак, причиной мор- фологической неустойчивости предна- меренно созданного рельефа является полигонизация приповерхностного нарушен- ного слоя. Низкие значения напряжений стар- та для скольжения дислокаций, которые по данным [20, 6] составляют всего лишь 1–2 г/мм2 для кристаллов CsI, предопреде- ляют относительно быструю релаксацию остаточных напряжений, полигонизацию и сглаживание матированной поверхности в процессе старения. при комнатной тем- пературе. (подробнее) Изменение рельефа приводит к изменению эффективной зер- кальности отражающей поверхности и не- стабильности коэффициента светосбора. Эффект явно выражен для длинномерных сцинтилляторов с матированными боковыми гранями, поскольку для выравнивания осе- вой неоднородности выхода используют- ся как мелкие, так и грубые абразивные материалы. Из вышеизложенного вытекает очевидная рекомендация — для выравнивания неодно- родности следует использовать пленочный абразивный материал на гибкой полимерной основе с зернистостью абразива 0,3–1 мкм. Применение этого материала обеспечивает достижение заданной степени шероховатости не более 0,2 мкм и стабильность отражающих свойств поверхности и сцинтилляционных характеристик изделий. Старение образцов с таким рельефом поверхности не приводит к изменению коэффициента светосбора. Э к с п е р и м е н т а л ь н а я п р о в е р к а . Полученные результаты послужили осно- ванием для проведения экспериментальной проверки высказанных рекомендаций. Эксперименты проводились со сцинтилля- торами размером 30 × 30 × 350 мм (обра- зец № 6, см. табл. 1). Цель опытов состояла в выравнивании продольной неоднороднос- ти светового выхода. Выравнивание осевой неоднородности светового выхода проводили в конструкции двухоконного детектора. В ка- честве светоотражающего элемента исполь- зовался зеркальный отражатель ВМ-2000. Для создания оптического контакта сцинтил- лятора с ФЭУ использовали элементы опти- ческой связи толщиной 3 мм, выполненные из композиции Sylgard-184. Начальное распределение светового выхода вдоль оси сцинтиллятора CsI:Tl раз- мерами 30 × 30 × 350 мм иллюстрируют кривые 1, 2 и 3 на рис. 3а. Кривая 1 соответ- ствует измерениям при помощи левого ФЭУ, 2 — правого, 3 — одновременно двумя фото- приемниками. Хорошо видно (кривые 1 и 2), что для образца с полированными боковыми гранями световой выход уменьшается с уве- личением расстояния от фотоприемника до места вспышки. Непременным условием хорошего энергетического разрешения длинномерных сцинтилляторов является однородность сигнала по длине образца. Для достижения равномерного светового выхода боковые грани образца (две противоположные или все четыре) матировались в соответствие с рекомендацией. Конечный результат после выравнивания светового выхода иллюстриру- ют кривые 1, 2 и 3 на рис. 3б. Из сравнения частей «а» и «б» рисунка отчетливо видно, что поставленная цель достигнута. Численные значения неоднородности светового выхода вдоль оси сцинтиллятора до и после выравнивания (u1 и u2, соответ- ственно) представлены в табл. 3. Видно, что использованный абразивный материал позволяет добиваться однородного распре- деления светового выхода, достигнутые значения u2 составляют 2 % и даже мень- ше. С другой стороны, как оказалось, ха- рактеристики остаются стабильными на протяжении 30 дней, что свидетельствует а б Рис. 2. Эволюция царапины на полированной поверх- ности CsI. Фотография в первый день (а) после на- несения царапины и через 30 дней старения (б). ×16 А. В. ШКОРОПАТЕНКО, А. М. КУДИН, Л. А. АНДРЮЩЕНКО, Л. И. ВОЛОШИНА, Д. И. ЗОСИМ, А. В. ВОЛОШИН ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2 181 о неизменности эффективной зеркальнос- ти, т. е. о постоянстве параметров рельефа поверхности. Полученные результаты свидетельству- ют о том, что абразив на основе пленочного гибкого материала с зернистостью абрази- ва 0,3–1 мкм может успешно применяться для проведения операций по изменению коэффициента светосбора для выравнивания неоднородности светового выхода детекто- ров. При этом низкая зернистость абрази- ва не приводит к риску нарушить жесткие допуски по размерам, предъявляемые к сцинтилляционным элементам. ВЫВОДЫ Причиной морфологической неустойчивости преднамеренно созданного рельефа является сильная полигонизация приповерхностного нарушенного слоя. Низкие значения напря- жений старта для скольжения дислокаций предопределяют сглаживание матированной поверхности в процессе старения при комнат- ной температуре. Изменение рельефа приво- дит к изменению эффективной зеркальности отражающей поверхности и нестабильнос- ти коэффициента светосбора. Эффект явно выражен для длинномерных сцинтилляторов с матированными боковыми гранями. Рис. 3. Начальное (а) и конечное (б) распределение светового выхода вдоль оси сцинтиллятора: 1 — измерения при помощи левого ФЭУ, 2 — правого, 3 — одновременно двумя фотоприемниками 280 270 260 250 240 230 220 210 0 100 200 300 2 3 1 Длина элемента, мм С ве то во й вы хо д, о тн . е д. 280 260 240 220 200 180 0 100 200 300 3 2 1 Длина элемента, мм Таблица 3 Результаты опытов по выравниванию осевой неоднородности светового выхода сцинтилляционных элементов размером 30 × 30 × 350 мм при помощи пленочного абразивного материала с зернистостью 0,3–1 мкм Состояние поверхности ФЭУ R669 ФЭУ R1306 u1, % u2, % u1, % u2, % После полировки 6,61 2,39 7,86 2,3 Матированы все 4 грани 5,95 6,28 9,20 9,08 Матированы 2 грани 2,10 3,30 2,04 3,78 Комбинированная доводка (однократное + двукратное матирование) 1,90 2,00 1,90 2,00 ПРИЧИНЫ НЕСТАБИЛЬНОСТИ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛОВ CsI:TL... ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2182 Показано, что полигонизация нарушен- ного слоя приводит к образованию зерен с характерным размером, соответствующим начальной степени шероховатости, в том случае если начальная шероховатость была меньше 0,2 мкм. Старение образцов с таким рельефом поверхности не приводит к изме- нению коэффициента светосбора. Применение пленочного абразивного материала нового поколения на гибкой по- лимерной основе с зернистостью абразива 0,3–1 мкм обеспечивает: – достаточную степень шероховатости поверхности для выравнивания осевой нео- днородности светового выхода кристаллов CsI:Tl; – стабильность созданного поверхност- ного рельефа, эффективной зеркальности поверхности и сцинтилляционных характе- ристик изделий. ЛИТЕРАТУРА 1. Lecoq P., Annenkov A., Gektin A., Korzhik M., Pedrini C. Inorganic Scintillators for Detector Systems. — Berlin-Heidelberg: Springer-Ver- lag, 2006. — 325 p. 2. Grinyov B., Ryzhikov V., Kim J. K., Jae M. Scintillator Crystals, Radiation Detector & In- struments on Their Base // Ukraine, Kharkov, 2004. — 374 p. 3. Vavra P. M. The Tuning of CsI:Tl crystals: Methods and Results // Conf. Record of 1998 IEEE Nucl. Sci. Symp. — 1998. — Vol. 1. — P. 525–530. 4. Gektin A. V., Grinev B. V., Zosim D. I., Boyarintsev A. Yu. Light output tuning for the long-length CsI:Tl scintillators // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2009. — Vol. A598, 1. — P. 270–272. 5. Зосим Д. І. Довгомірні сцинтиляційні по- зи цій но-чутливі детектори гама радіації : автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.02.01 / Д. І. Зосим — Харків, 2007. — 20 с. 6. Кудін О. М. Розробка науково-технологічних основ модифікації поверхні кристалів для корегування їх сцинтиляційних характери- стик: автореф. дис. … док. тех. наук: 05.02.01 / О. М. Кудін — Харків. — 2007. — 39 с. 7. Kudin A. M., Sysoeva E. P., Trefilova L. N., Zosim D. I. Factors which define the alpha / gamma ratio in CsI:Tl crystals // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2005. — Vol. A537. — P. 105—112. 8. Кудин А. М., Андрющенко Л. А., Гресь В. Ю., Диденко А. В., Чаркина Т. А. Влияние усло- вий обработки поверхности на собственную люминесценцию кристаллов CsI // Опти- ческий журнал. — 2010. — Т. 77, № 5. — С. 7–10. 9. Гектин А. В., Ром М. А. Эволюция припо- верхностного нарушенного слоя смешан- ных щелочно-галоидных монокристаллов // Физика и химия обработки материалов. — 1992. — № 2. — С. 124–127. 10. Выдай Ю. Т., Тарасов В. А., Кудин А. М. и др. Стабильность спектрометрических ха- рактеристик детекторов CsI:Tl в зависимос- ти от способа обработки поверхности // ПТЭ. — 2006, № 3. — С. 23–26. 11. Глобус М. Е., Гринев Б. В. Неорганические сцинтилляторы: новые и традиционные ма- териалы. — Харьков: «Акта», 2001. — 408 с. 12. Trefilova L. N., Kudin A. M., Kovaleva L. V., et al. Concentration dependence of the light yield and energy resolution of NaI:Tl and CsI:Tl crystals excited by gammas, soft X-rays and alpha particles // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2002. — Vol. A486. — P. 474–481. 13. Kudin A. M., Sysoeva E. P., Trefilova L. N., Zosim D. I. Factors which define the alpha/ gamma ratio in CsI:Tl crystals // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2005. — Vol. A537. — P. 105–112. 14. Нанопром. Суперфинишная обработка не- металлических деталей. http://www.nano- prom.pro. 15. Bergenius G. S., Carius S., Carlson P., et al. Ra- diation tests of CsI:Tl crystals for the GLAST satellite mission // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2005. — Vol. A545. — P. 842–851. 16. Гегузин Я. Е., Кагановский Ю. С. Диффу- зионные процессы на поверхности кри- сталла. — М.: «Энергоатомиздат», 1984. — 124 с. 17. Tarasov V. A., Kilimchuk I. V., Vyday Yu. T. Light collection simulation in the scintillation detectors of short-range radiation // Func. Ma- terials. — 2010. — Vol. 17, 1. — P. 100–106. 18. Sysoeva E., Tarasov V., Zelenskaya O. Com- parison of the Methods for Determination of Scintillation Light Yield // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2002. — Vol. A486. — P. 67–73. А. В. ШКОРОПАТЕНКО, А. М. КУДИН, Л. А. АНДРЮЩЕНКО, Л. И. ВОЛОШИНА, Д. И. ЗОСИМ, А. В. ВОЛОШИН ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2 183 19. Гектин А. В., Ширан Н. В., Серебряный В., Кудин А. М., Чаркина Т. А. Роль ваканси- онных дефектов в люминесценции CsI // Оптика и спектр. — 1992. — T. 72, № 5. — C. 1061–1063. 20. Тяагараджан Р., Урусовская А. А. Движе- ние и размножение дислокаций в кристал- лах йодистого цезия // ФТТ. — 1965. — Т. 7, № 1. — С. 88–91. LITERATURA 1. Lecoq P., Annenkov A., Gektin A., Korzhik M., Pedrini C. Inorganic Scintillators for Detector Systems. — Berlin-Heidelberg: Springer- Verlag, 2006. — 325 p. 2. Grinyov B., Ryzhikov V., Kim J. K., Jae M. Scintillator Crystals, Radiation Detector & Instruments on Their Base // Ukraine, Kharkov, 2004. — 374 p. 3. Vavra P. M. The Tuning of CsI:Tl crystals: Methods and Results // Conf. Record of 1998 IEEE Nucl. Sci. Symp. — 1998. — Vol. 1. — P. 525–530. 4. Gektin A. V., Grinev B. V., Zosim D. I., Boyarintsev A. Yu. Light output tuning for the long-length CsI:Tl scintillators // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2009. — Vol. A598, 1. — P. 270–272. 5. Zosim D. І. Dovgomіrnі scintilyacіjnі po- zi cіjno-chutlivі detektori gama radіacії: avtoref. dis. … kand. teh. nauk: 05.02.01 / D. І. Zosim — Harkіv, 2007. — 20 p. 6. Kudіn O. M. Rozrobka naukovo-tehnologіchnih osnov modifіkacії poverhnі kristalіv dlya koreguvannya їh scintilyacіjnih harakteristik: avtoref. dis. … dok. teh. nauk: 05.02.01 / O. M. Kudіn — Harkіv. — 2007. — 39 p. 7. Kudin A. M., Sysoeva E. P., Trefilova L. N., Zosim D. I. Factors which define the alpha/ gamma ratio in CsI:Tl crystals // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2005. — Vol. A537. — P. 105–112. 8. Kudin A. M., Andryuschenko L. A., Gres’ V. Yu., Didenko A. V., Charkina T. A. Vli yanie uslovij obrabotki poverhnosti na sob stvennuyu lyu- minescenciyu kristallov CsI // Opticheskij zhurnal. — 2010. — Vol. 77, No. 5. — P. 7–10. 9. Gektin A. V., Rom M. A. Evolyuciya pripo- verhnostnogo narushennogo sloya smeshannyh schelochno-galoidnyh monokristallov // Fizika i himiya obrabotki materialov. — 1992. — No. 2. — P. 124–127. 10. Vydaj Yu. T., Tarasov V. A., Kudin A. M. i dr. Stabil’nost’ spektrometricheskih harakteristik detektorov CsI:Tl v zavisimosti ot sposoba obrabotki poverhnosti // PTE. — 2006, No. 3. — P. 23–26. 11. Globus M. E., Grinev B. V. Neorganicheskie scintillyatory: novye i tradicionnye ma te- rialy. — Har’kov: «Akta», 2001. — 408 p. 12. Trefilova L. N., Kudin A. M., Kovaleva L. V., et al. Concentration dependence of the light yield and energy resolution of NaI:Tl and CsI:Tl crystals excited by gammas, soft X-rays and alpha particles // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2002. — Vol. A486. — P. 474–481. 13. Kudin A. M., Sysoeva E. P., Trefilova L. N., Zosim D. I. Factors which define the alpha/ gamma ratio in CsI:Tl crystals // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2005. — Vol. A537. — P. 105–112. 14. Nanoprom. Superfinishnaya obrabotka ne- metallicheskih detalej. http://www.nanoprom. pro. 15. Bergenius G. S., Carius S., Carlson P., et al. Radiation tests of CsI:Tl crystals for the GLAST satellite mission // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2005. — Vol. A545. — P. 842– 851. 16. Geguzin Ya. E., Kaganovskij Yu. S. Dif fu zi- onnye processy na poverhnosti kristalla. — M.: «Energoatomizdat», 1984. — 124 p. 17. Tarasov V. A., Kilimchuk I. V., Vyday Yu. T. Light collection simulation in the scintillation detectors of short-range radiation // Func. Materials. — 2010. — Vol. 17, 1. — P. 100– 106. 18. Sysoeva E., Tarasov V., Zelenskaya O. Com- parison of the Methods for Determination of Scintillation Light Yield // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 2002. — Vol. A486. — P. 67–73. 19. Gektin A. V., Shiran N. V., Serebryanyj V., Kudin A. M., Charkina T. A. Rol’ vakansionnyh defektov v lyuminescencii CsI // Optika i spektr. — 1992. — Vol. 72, No. 5. — P. 1061– 1063. 20. Tyaagaradzhan R., Urusovskaya A. A. Dvi- zhenie i razmnozhenie dislokacij v kristallah jodistogo ceziya // FTT. — 1965. — Vol. 7, No. 1. — P. 88–91.

Причины нестабильности спектрометрических характеристик кристаллов CsI:Tl с матированной поверхностью

Репозитарії

Схожі ресурси