Сцинтиляційні монокристали KDP:Tl І KDP:Ce активовані талієм і церієм для селективного детектування швидких нейтронів
DOI:
https://doi.org/10.26565/2312-4334-2018-3-05Ключові слова:
швидкі нейтрони, KDP-монокристали, сцинтиляційні детектори, ефективність детектування, нейтрон/гамма дискримінаціяАнотація
Досліджено детектування швидких нейтронів і гамма-випромінювання новими неорганічними монокристалами групи KDP, активованих талієм Tl+ або церієм Се3+ і вирощених з водних розчинів. Виникнення люмінесценції при опроміненні швидкими нейтронами в сцинтиляційних кристалах KDP:Tl обумовлено вторинним іонізуючим випромінюванням (протони віддачі і ядра віддачі кисню) із збудженням активатора при іонізаційних втратах на гальмування, а також рекомбінаційним механізмом за участю радіаційних дефектів водневої підґратки, що передає електронні збудження в околицю центру світіння Tl+. У кристалах KDP:Се механізм збудження активатора має аналогічний характер, але сама люмінесценція зумовлена переходом 5d ® 4f в іонах Се3+. Для активованих кристалів KDP:Tl і KDP:Ce теоретично і експериментально визначено ефективність детектування швидких нейтронів, а також проведено порівняння з органічними (пластиковими) сцинтиляторами. Для оброблених кристалів розміром 10х10х10 мм3 з оптимальною концентрацією активатора ефективність детектування швидких нейтронів при опроміненні 239Pu-Be джерелом досягає 12% для KDP:Tl і 16% для KDP:Ce, що добре узгоджується з наведеними теоретичними розрахунками і є близькою до параметрів поширених органічних сцинтиляторів. Виявлена висока природна селективність KDP-сцинтиляторів при детектуванні швидких нейтронів за рахунок їх низької чутливості до гамма-випромінювання. При цьому внутрішній поділ n/γ сигналів (відношення ефективностей детектування при реєстрації швидких нейтронів і гамма-квантів) для активованих кристалів KDP в 7-8 разів перевищує параметри традиційних пластикових сцинтиляторів.
Посилання
Marion J.B., Fowler J.L. Fast Neutron Physics. Part 1: Techniques, Part 2: Experiments and Theory. - New York, 1960.
Harvey J.A., Hill N.W. Scintillation detectors for fast neutron physics // Nuclear Instruments and Methods. – 1979. - Vol. 162. - P. 507-530.
Klein H., Brooks F.D. Scintillation detectors for fast neutrons // Proc. of Sciences, Int. Workshop on Fast Neutron Detectors and Applications (FNDA 2006), University of Cape Town, South Africa, (April 3-6, 2006), Vol. PoS(FNDA2006)097. - P. 1-24.
Kouzes R.T., Lintereur A.T., Siciliano E.R. Progress in alternative neutron detection to address the helium-3 shortage // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A. - 2015. - Vol. A784. - P. 172-175.
Ryzhikov V.D., Naydenov S.V., Piven L.A., Onyshchenko G.M., Smith C.F., Pochet T. Fast neutron detectors and portal monitors based on solid-state heavy-oxide scintillators // Radiation Measurements. – 2017. -Vol. 105. - P. 17-25.
Beckurts K-H., Wirtz K. Neutron Physics. – Berlin: Springer-Verlag, 1964.
Birks J.B. The theory and practice of scintillation counting. - London: Pergamon Press, 1964.
Knoll G.F. Radiation detection and measurement, - 4th Ed. - Wiley, 2010.
Hull G., Zaitseva N., Cherepy N., Newby J. et al. New organic crystals for pulse shape discrimination // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2009. - Vol. 56. - P. 899-903.
Favalli A., Iliev M., Chung K., Hurlbut C. et al. Pulse shape discrimination properties of neutron-sensitive organic scintillators // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2013. - Vol. 60. - P. 1053-1056.
Voronov A., Salo V., Puzikov V., Tkachenko V., Vydai Yu. Potassium and ammonium dihydrogen phosphates activated with thallium: growth and luminescence and scintillation properties // Crystallography Reports. – 2006. - Vol. 51. - P. 696-701.
Voronov A.P., Vyday Y.T., Salo V.I., Puzikov V.M., Bondarenko S.I. Influence of thallium doping on scintillation characteristics of mixed KDP/ADP crystals // Radiation Measurements. – 2007. - Vol. 42 (4). - P. 553-556.
Voronov A.P., Babenko G.N., Puzikov V.M., Roshal A.D., Salo V.I. Doping of KDP single crystals with Cerium: growth and optical properties // Crystallography Reports. – 2008. - Vol. 53. – No. 4. - P. 708-712.
Voronov A.P., Babenko G.N., Glushkova L.V., Puzikov V.M., Roshal A.D., Salo V.I. Potassium dihydrogen phosphate doped organic complexes of rare earth elements // Inorganic Materials. – 2009. - Vol. 45. - P. 533-537.
Zaitseva N., Carman L. Rapid growth of KDP-type crystals. Progress in crystal growth and characterization of materials. – Pergammon, 2001. - P. 1-118.
Kolybayeva M., Pritula I., Salo V., Garnov S. Effect of radiation on the properties of water soluble crystals // Proc. SPIE 3244, Laser-Induced Damage in Optical Materials, 1997 (20 April 1998). - P. 130.
Sugimotoy H., Ikeda S.J. Proton transfer in hydrogen-bonded crystalline KH2PO4 // J. Phys.: Condens. Matter. – 1996. - Vol. 8. - P. 603-618.
Zazubovich S., Voloshinovskii A., Stryganyuk G. Luminescence of CsCl: Tl crystal under synchrotron excitation // Physica Status Solidi. – 2002. - Vol. 233. - No. 2. - P. 238.
Fujita I. Optical-absorption studies on noncubic s2 centers in single crystals of KH2PO4 and RbH2PO4 // Physical Review B. – 1994. - Vol. 49. – P. 6462-6469.
Ogorodnikov I., Pustovarov V. Electronic excitation energy transfer and nonstationary processes in KH2PO4:Tl crystals // J. Exp. Theor. Phys. - 2017. - Vol. 124. - P. 592-603.
Ogorodnikov I., Kirm M., Pustovarov V., Cheremnykh V. Low-temperature time-resolved vacuum ultraviolet spectroscopy of self-trapped excitons in KH2PO4 crystals // Optics and Spectroscopy. - 2003. - Vol. 95. – P. 385-389.
Ogorodnikov I., Kirm M., Pustovarov V. Luminescence of the hydrogen bonded crystals // Radiation Measurements. – 2007. - Vol. 42. - P. 746-750.
The JENDL (Japanese Evaluated Nuclear Data Library), Japan Atomic Energy Agency (JAEA); http://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/j40.html.
Kouzes R.T., Ely J.R., Lintereur A.T., Stephens D.L. Neutron detector gamma insensitivity criteria, Technical report PNNL-18903. - Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA, USA, 2009.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
