Yttrium sesquioxide ceramics glow under the action of an electron beam.pdf Введение В современной науке и технике важную роль играет измерение ионизирующих излучений. Среди различных видов детекторов ионизирующего излучения можно выделить черенковские детекторы, работа которых основана на эффекте Вавилова - Черенкова. Эти детекторы обладают рядом уникальных свойств, важнейшими из которых являются пороговый (по энергии) характер регистрации частиц, избирательность к направлению потока излучения и высокое временное разрешение [1]. Благодаря этим свойствам черенковские детекторы получили распространение при проведении исследований в области физики высоких энергий, ядерной физики и астрофизики [2, 3]. В последние годы эти детекторы применяются и для определения параметров потоков убегающих электронов в токамаках [4-7]. Детекторы импульсного черенковского излучения, применяемые также для измерений в токамаках, по конструкции практически не отличаются от сцинтилляционных детекторов. Они состоят из радиатора (среды, в которой возникает черенковское излучение), фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и оптической системы, передающей излучение от радиатора к ФЭУ. Для оценки распределения убегающих электронов по энергиям используют сборки из нескольких детекторов, радиаторы которых покрыты металлическими фильтрами различной толщины [4-7]. К радиаторам черенковских детекторов могут предъявляться различные требования в зависимости от условий, в которых применяются детекторы. Однако существуют и достаточно общие требования к материалу радиатора [3]: высокая прозрачность в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, по возможности большой показатель преломления (от него зависит интенсивность черенковского излучения) и низкий уровень люминесценции материала. Для черенковских детекторов катодолюминесценция является вредным фактором, мешающим проведению корректных измерений. Влияние катодолюминесценции сказывается на результатах измерений в первую очередь при относительно низких энергиях электронов - в десятки-сотни кэВ. Поэтому для правильной работы черенковского детектора излучения особенно важен низкий уровень катодолюминесценции материала. Одним из наиболее доступных и относительно дешевых материалов, обладающих хорошей прозрачностью в оптическом диапазоне спектра и достаточно высоким показателем преломления (~ 2) является керамика из оксида иттрия, применяемая в оптических приборах и лазерах. Цель работы - исследовать керамику из оксида иттрия для определения перспективности ее использования в качестве радиатора черенковского детектора при облучении электронами с относительно низкой (до 350 кэВ) энергией. Экспериментальная установка и методики измерений Для исследования свечения образца керамики из оксида иттрия использовался ускоритель электронов, состоящий из вакуумного диода и высоковольтного генератора. Ускоритель вместе с коллектором для измерения тока пучка показан на рис. 1. Рис. 1. Ускоритель электронов с присоединенным к нему коллектором для измерения тока электронного пучка Высоковольтный генератор представлял собой двойную формирующую линию, заряжавшуюся от импульсного трансформатора, соединенную с передающей линией. С помощью разрядника высокого давления формировался наносекундный импульс напряжения, который подавался на катод по линии с переменным волновым сопротивлением, что позволяло увеличить амплитуду импульса напряжения на катоде. Двойная формирующая линия, а также передающая линия были заполнены трансформаторным маслом. Катод представлял собой трубку диаметром 8 мм из фольги из нержавеющей стали толщиной 100 мкм и располагался на расстоянии 11.5 мм от анода вакуумного диода. Анодом служила AlMg-фольга толщиной 40 мкм. Остаточное давление воздуха в вакуумном диоде не превышало 10 Па. На рис. 1 также показан коллектор с приемной частью диаметром 15 мм, который имел временное разрешение ~ 100 пс. Амплитуда импульса напряжения на катоде вакуумного диода измерялась с помощью емкостного делителя. Сигналы с емкостного делителя и коллектора регистрировались цифровым осциллографом Keysight DSO X6004A (6 ГГц, 20 выборок/нс). Осциллограммы напряжения и тока электронного пучка приведены на рис. 2. Рис. 2. Осциллограммы импульсов напряжения U на вакуумном диоде (кр. 1) и тока электронного пучка Ie за AlMg-фольгой (кр. 2) Амплитуда импульса напряжения на вакуумном диоде составляла ~ 350 кВ, а ток электронного пучка, регистрируемый коллектором, достигал 700 А. Ток пучка состоял из двух импульсов. Длительность первого импульса тока пучка на полувысоте составляла 1.25 нс. Плотность тока пучка за анодной фольгой (по центру фольги) составляла ~ 200 А/см2. Спектр электронов пучка, восстановленный по методике, описанной в [8], имел два максимума, соответствующих энергиям электронов 60 и 215 кэВ, и содержал электроны с энергиями вплоть до ~ 350 кэВ. Максимум, соответствующий 215 кэВ, составлял 30 % от низкоэнергетического максимума. Второй импульс тока пучка из-за малой энергии электронов (< 90 кэВ) практически не участвовал в генерации черенковского излучения. При исследовании свечения образца керамики под действием электронного пучка коллектор убирался и исследуемый образец располагался непосредственно за AlMg-фольгой. Схема экспериментов представлена на рис. 3. Рис. 3. Схемы экспериментальных установок для регистрации спектра свечения образца и для измерения амплитудно-временных характеристик излучения В экспериментах использовался образец керамики из оксида иттрия (Y2O3) c добавлением 0.05 мольных долей ZrO2. Образцы изготавливались в Институте электрофизики УрО РАН из нанопорошка, полученного методом лазерного синтеза [9]. Одноосным статическим прессом под давлением 133 МПа нанопорошок компактировался в диски диаметром 15 мм с толщиной 3-4 мм. После этого проводилось спекание в вакуумной печи с вольфрамовыми нагревателями в течение 10 ч при температуре 1950 ºС и остаточном давлении 10-5 мбар. Далее полученные образцы подвергались просветляющему отжигу при температуре 1350 ºС в течение 5 ч и ручной полировке с использованием набора алмазных паст. Величина показателя преломления керамики составляет nD = 1.93 (для длины волны 589.3 нм D-линии спектра натрия), пороговая энергия электрона для возникновения черенковского излучения при этом показателе преломления - Eп = 86 кэВ. Образец представлял собой круглую плоскопараллельную пластину толщиной 2 мм и диаметром 11 мм. Спектр свечения образца регистрировался спектрометром HR2000+ES (спектральный диапазон 190-1100 нм, полуширина инструментального контура 9 Å, «Ocean Optics, Inc.») с помощью световода P600-1-SR (спектральный диапазон 200-1100 нм, диаметр сердцевины 600 мкм, «Ocean Optics, Inc.»). Спектр пропускания образца керамики определялся с помощью стандартного дейтерий-галогенного источника, излучавшего в области 200-850 нм (Stellar-Net SL5). Импульсная катодолюминесценция образца исследовалась на установке типа КЛАВИ [10] в диапазоне 200-900 нм. Для возбуждения люминесценции использовался электронный пучок с плотностью тока j = 160 А/см2, энергией электронов до 180 кэВ и длительностью тока пучка  = 2 нс. Спектры импульсной катодолюминесценции регистрировались интегрирующим по времени фотоприемником на базе ПЗС-линейки, совмещенным с дифракционным спектрографом. Амплитудно-временные характеристики свечения образца регистрировались с помощью фотодиода PD025 компании «Photek» (катод LNS20, время нарастания переходной характеристики ~ 80 пс). УФ-область спектра при этом могла выделяться с помощью оптического фильтра УФС-1. Сигналы с фотодиода регистрировались цифровым осциллографом Keysight DSO-X6004A (6 ГГц, 20 выборок/нс). Результаты и их обсуждение В ходе экспериментов был снят спектр излучения образца керамики при облучении его электронным пучком (рис. 4). На этом же рисунке приведен спектр пропускания образца. Рис. 4. Спектр излучения образца керамики под действием электронного пучка (1), спектр пропускания образца (2), чувствительность фотодиода PD025 (3), спектр пропускания фильтра УФС-1 (4) и расчетный спектр черенковского излучения (5). Интенсивность спектра 5 нормирована на интенсивность спектра 1 на длине волны 400 нм. Спектр излучения образца (1) получен с применением фильтра верхних частот Видно, что с уменьшением длины волны интенсивность спектра возрастает вплоть до границы пропускания материала. Такое поведение спектра характерно для черенковского излучения [11-13]. Это подтверждается и хорошим совпадением экспериментального спектра излучения образца (1) с расчетным спектром черенковского излучения (5), полученным [14, 15] с учетом реального распределения электронов пучка по энергиям, дисперсии показателя преломления керамики [16] и ее спектра пропускания. В диапазоне длин волн 450-550 нм наблюдается полоса, которую можно связать с катодолюминесценцией керамики (см. рис. 5). Из рис. 4 следует, что основная часть энергии излучения керамического образца принадлежит черенковскому излучению. Некоторое несоответствие расчетного и экспериментального спектров в области длин волн короче 310 нм объясняется наличием в этой области высокого уровня высокочастотного шума у экспериментального спектра и вследствие этого - частичным искажением реального вида спектра при проведении фильтрации высоких частот. В спектре катодолюминесценции этого образца наблюдается слабая (на уровне шумов) полоса в области 400-900 нм (рис. 5) собственных поверхностных центров типа связанного радикала Y-O [17], образующихся на поверхностях пор и микротрещин. Ее низкая интенсивность по сравнению с данными [17] объясняется пониженным содержанием пор в данном образце за счет добавки в керамику 0.05 мольных долей ZrO2. Отсутствие свечения керамики в области длин волн короче 400 нм на рис. 5 свидетельствует о том, что интегральная по времени интенсивность черенковского излучения ниже порога чувствительности используемого фотоприемника. Рис. 5. Спектр катодолюминесценции керамики Временные характеристики свечения образца керамики представлены на рис. 6. Здесь же представлен ток электронного пучка, регистрируемый коллектором. Импульсы излучения, зарегистрированные фотодиодом с фильтром УФС-1 (выделяющим УФ-область спектра, в которой отсутствовала люминесценция образца) и без него, по длительности соответствуют импульсу тока пучка. Так как эффект Вавилова - Черенкова является безынерционным, то длительность черенковского излучения должна совпадать с длительностью тока пучка, что фактически и наблюдается в эксперименте. Рис. 6. Осциллограммы тока электронного пучка Ie (толстая линия), сигнала с фотодиода Photek PD025 без фильтра (тонкая линия) и с фильтром УФС-1 (пунктирная линия). Все осциллограммы нормированы на единицу Выводы Анализ полученных данных однозначно говорит о том, что в экспериментах было зафиксировано черенковское излучение и его энергия существенно превышала энергию катодолюминесценции. Таким образом, показано, что керамика из Y2O3 за счет низкого уровня катодолюминесценции и высокого показателя преломления может успешно использоваться при определении черенковского излучения электронных пучков, начиная со сравнительно низких энергий электронов (200-300 кэВ), и поэтому является перспективным материалом для изготовления радиаторов детекторов импульсного черенковского излучения.

Скачать электронную версию публикации