I STYTUT CHEMII I TECH IKI JĄDROWEJ

I STYTUT CHEMII I TECH IKI JĄDROWEJ OPRACOWANIE WEWNĘTRZNE IChTJ nr... TYTUŁ PRACY: AUTORZY: Badania przydatności wielopunktowego licznika fotonów światła Multi Pixel Photon Counter do pomiaru stężenia radonu B. Machaj, J, Mirowicz, E. Kowalska, A. Jakowiuk STRESZCZENIE PRACY: Do detekcji światła scyntylacji komory scyntylacyjnej Lucasa, stosowanej do pomiaru stężenia radonu, standardowo wykorzystywane są fotopowielacze sprzężone optycznie z komorą scyntylacyjną. Półprzewodnikowy, wielopunktowy licznik fotonów światła Multi Pixel Photon Counter (MPPC) oferowany japońską firmę Hamamatsu charakteryzuje się wysoką czułością, niskim napięciem zasilania ok. 70 V, wysokim wzmocnieniu ok. 10 5, o małych wymiarach, odpornym mechanicznie jest w stanie mierzyć pojedyncze fotony światła. Zastąpienie tradycyjnych fotopowielaczy przez MPPC pozwolić może na miniaturyzację scyntylacyjnych sond detekcyjnych, zwiększyć niezawodność pracy sond i ich odporność na wstrząsy mechaniczne, oraz znaczne zmniejszyć pobór mocy przez sondę. Przedmiotem opracowania są badania przydatności MPPC do pomiaru stężenia radonu za pomocą komory scyntylacyjnej sprzężonej optycznie z komorą Komora scyntylacyjna Lucasa o wymiarach φ54 x 74 mm została sprzężona optycznie z MPPC o wymiarach 3x3 mm. Komora napromieniowana została źródłem promieniowania alfa Pu-238 imitującym stężenie radonu w komorze. Zmieniano napięcie zasilania i temperaturę otocznie MPPC, mierzono widma promieniowania szumów i impulsów od Pu-238. Dla porównania.dokonano również pomiaru widma szumów i widma impulsów od Pu-238 komory scyntylacyjnej sprzężonej z fotopowielaczem. Badania wykazują że do uzyskania zadawalającej szybkości liczenia impulsów od promieniowania alfa radonu należy łączyć równolegle wiele egzemplarzy MPPC, a dla utrzymania poziomu szybkości liczenia impulsów tła na stałym poziomie należy chłodzić MPPC. Takie rozwiązanie jest zbyt kosztowne, i nieprzydatne w miernikach do pomiaru stężenia radonu w warunkach polowych (zasilanie z akumulatora) Zatwierdzam:... (Kierownik Projektu) Możliwość zastosowania: Badania przydatności nowych detektorów światła scyntylacji... (Kierownik Laboratorium)... (Dyrektor IChTJ) Laboratorium Technik Jądrowych Zakończono dnia 14-05-2009 Umowa nr: UDA-POIG.01.04.01-14-065/08-00. Symbol UKD: Symbol I IS: Ochrona inf. o pracy: 721.3 D.22 C Słowa kluczowe: stężenie radonu, półprzewodnikowy detektor światła scyntylacji

Zadanie 3 - System Pomiaru Stężenia Radonu w Powietrzu Badania przydatności wielopunktowego licznika fotonów światła Multi Pixel Photon Counter do pomiaru stężenia radonu Opracowano w ramach projektu POIG 1.3.1 UDA-POIG.01.04.01-14-065/08-00 owa generacja inteligentnych urządzeń radiometrycznych z bezprzewodową teletransmisją informacji

1. Wprowadzenie Niniejsze opracowanie dotyczy zadania nr. 3. System pomiaru stężenia radonu w ramach projektu POIG 1.3.1 Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka. Badania i Rozwój Nowoczesnych Technologii. Do detekcji światła scyntylacji komory scyntylacyjnej Lucasa, stosowanej do pomiaru stężenia radonu, standardowo wykorzystywane są fotopowielacze. Japońska firma Hamamatsu, producent wielopunktowego licznika fotonów światła Multi Pixel Photon Counter (MPPC) zachwala je jako półprzewodnikowy fotopowielacz o wysokiej czułości zdolnym do detekcji pojedynczych fotonów światła, niskim napięciu zasilania ok. 70 V, wysokim wzmocnieniu ok. 10 5, o małych wymiarach, odpornym mechanicznie [1-4] Zastąpienie tradycyjnych fotopowielaczy przez MPPC pozwolić może na miniaturyzację scyntylacyjnych sond detekcyjnych, zwiększyć niezawodność pracy sond i ich odporność na wstrząsy mechaniczne, oraz znaczne zmniejszyć pobór mocy przez sondę. Jest to szczególnie istotne przy długookresowym monitoringu stężenia radonu w powietrzu lub w wodzie, w terenie gdzie nie jest doprowadzona sieć energetyczna i sondy muszą być zasilane z własnych akumulatorów. Biorąc powyższe względy pod uwagę przeprowadzone zostały badania przydatności MPPC do sond pomiarowych stężenia radonu, a wyniki badań przedstawia niniejszy raport. 2. Układ pomiarowy do badania MPPC Schemat blokowy zestawu pomiarowego do badania MPPC przedstawiono na rys 1.. Wielopunktowy licznik fotonów MPPC umieszczono na światłoszczelnej płytce w miejsce okienka scyntylacyjnej komory Lucasa. Podzespoły elektroniczne znajdują się na zewnątrz komory Lucasa. Zmieniając wielkość napięcia polaryzującego, oraz temperaturę otoczenia mierzono amplitudę impulsów na wyjściu wzmacniacza W, oraz widmo promieniowania alfa źródła Pu-239, za pomocą którego imitowano stężenia radonu w komorze scyntylacyjnej. Komora Lucasa o wymiarach φ54 x 74 mm Scyntylator ZnS(Ag) Źródło Pu-238 w kształcie pręta MPPC OSC Z P W MCA Rys. 1. Schemat blokowy zestawu pomiarowego do badania MPPC ZNP - zasilacz napięcia polaryzacji MPPC, Ua= 66 72.5 V W - wzmacniacz impulsów napięcia. RC=42.5 ns na wejściu dodatnim wzmacniacza MCA - wielokanałowy analizator amplitudy impulsowe OSC - oscyloskop Tektronix, 50 MHz 1

3. Widmo szumów i źródła alfa Pu-239 Na rys. 2 przedstawiono widmo szumów i widmo promieniowania źródła Pu-238 zmierzone przez MPPC za pomocą analizatora TUKAN. Te same widma w rozciągniętej skali liczby zliczeń cpm (counts per minute) przedstawiono na rys. 3 pozwalającej na porównanie obu widm przy niskiej liczbie zliczeń. Rys. 2. Widmo tła i od źródła Pu-238 Analizator TUKAN Ua=71.2 V napięcie polaryzacji T= 20 - temperatura otoczenia mpc1 - komora KW-10 nie napromieniowana mpc2 komora KW-10 napromieniowana źródłem Pu-238 Bardzo wysokie tło nie pozwala na rozróżnienie4 obu widm od siebie MPC1 MPC2 Rys. 3. Widma z rys. 2. Przy zmienionej skali liczby zliczeń. Analizator TUKAN U=71.2 V, T= 20 C MPC1 - komora KW-10 nie napromieniowana MPC2 komora KW-10 napromieniowana źródłem Pu-238 Ui= 2.5 V amplituda impulsu Pu-238 Usz=1.0 V amplituda szumów Widma różnią się od siebie powyżej 100 kan. Liczba zliczeń tła i Pu-238 przy dyskryminacji = 150 kanał sum(mpc1(150:300))=4 cpm - tło sum(mpc2(150:300))=2036 cpm Pu-238 sum(mpc1(20:300))= 2392634 cpm Dla porównania dokonano pomiaru widma promieniowania źródła Pu-239 i szumów komory KW-10 sprzężonej z fotopowielaczem o średnicy φ50 mm. Napięcie fotopowielacza dobrano tak by widmo promieniowania mieściło się w 256 kanałach analizatora amplitudy impulsów Pu-238. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys.4 i rys. 5. 2

Rys. 4.widmo szumów gdy komora Lucasa KW-10 sprzężona jest z fotopowielaczem średnicy φ50 mm. Ua=850V na[pięcie fotopowielacza Tło dla progu dyskryminacj = 20 kanal. Sum(mpc31(20:256))=2 cpm Rys. 5 widmo Pu-238 gdy komora Lucasa KW- 10 sprzężona jest z fotopowielaczem średnicy φ50 mm. Ua=850V napięcie fotopowielacza Liczba zliczeń Pu-238 dla progu dyskryminacji = 20 kanał sum(mpc30(20:256))= 39193 cpm Komentarz Liczba zliczeń od źródła Pu-238 powyżej tła wynosi 2036 imp/min dla MPPC, oraz 39193 imp/min dla fotopowielacza, tzn 39193/2036 = 19.25 razy. Wynika to głownie z małej powierzchni czynnej MPPT wynoszącej 3x 3=9 mm 2. W stosunku do powierzchni fotopowielacza = 50 2 *π/4=1963 mm 2. Stosunek powierzchni wynosi 1963/9=218. Dla uzyskania liczby zliczeń impulsów takiej jak przy zastosowaniu fotopowielacza, co jest ściśle związane z czułością pomiaru radonu, należałoby łączyć do pracy równoległej wiele MPPC. Takie rozwiązanie jest kosztowne.. Koszt MPPC 3x3 mm wynosi ponad 200 E Zwraca uwagę bardzo wysoki poziom tła MPPC = 2 392 634 imp/min dla progu dyskryminacji = 20 kanał. (1/15 maksymalnej amplitudy impulsu od Pu-238). Tło fotopowielacza dla podobnego progu dyskryminacji wynosi 2 imp/min. Wielkość szumów znajduje swoje potwierdzenie w liczbie zliczeń tła podanych przez producenta które wynoszą: 400 imp/s - dla fotopowielacza prod. ET typ 9266B 270 000 imp/s - dla MPPC typu S10362 11 050C prod. Hamamatsu 1x1 mm 3

3.1. Wpływ napięcia polaryzacji MPPC W uzupełnieniu pomiaru widm (mpc1, mpc2) przy napięciu polaryzacji = 71.2 V dokonano pomiaru widm szumów i Pu-238 przy napięciu polaryzacji = 71.00 V. przedstawionych na rys. 6. (mierzone MPPC za pomocą analizatora TUKAN) w temperaturze pokojowej. MPC3 MPC4 Rys. 6. Widmo tła i źródła prętowego Pu-238. Analizator TUKAN U=71.0 V, T= 20 C MPC3 komora KW-10 napromieniowana źródłem Pu-238 MPC4 - komora KW-10 nie napromieniowana Liczba zliczeń tła i Pu-238 przy dyskryminacji = 100 kanał Sum(mpc3(100:200))=3972 cpm Pu239 Sum(mpc4(100:200))=3 cpm Zmiana napięcia polaryzacji z 71.2 V na 71.0 V powoduje silny spadek wzmocnienia Dobierano progi dyskryminacji widma tak by liczba zliczeń przy napięciu 71.20V i napięciu 71.00 V była taka sama (dokładność ½ kanału), Na tej podstawie wyznaczono zmianę wzmocnienia MPPC sum(mpc1(100:300))=1371 cpm >>> prog dyskr = 100, Ua=71.20 V, szumy sum(mpc4(70:300))=1306 cpm >>> prog dyskr = 70, Ua=71.00 V, szumy >>> 70/100= 0.7 sum(mpc2(150:300))=2703 cpm >>> prog dyskr = 150, Ua=71.20 V, Pu-238 sum(mpc3(115:300))=2734 cpm >>> prog dyskr = 115, Ua=71.00 V, Pu-238 >>> 115/150 = 0.76 Komentarz Zmiana napięcia polaryzacji z 71.2 V na 71.0 V ( 0.3%) powoduje zmianę amplitudy impulsu Pu238 o 24 %, oraz amplitudy szumów o 30 %. MPPC jest bardzo wrażliwy na zmiany napięcia polaryzacji. Znajduje to potwierdzenie w danych producenta Zmiany wzmocnienia w funkcji niestabilności napięcia polaryzującego mogą być kompensowane np. za pomocą układu automatycznej regulacji wzmocnienia. 3.2. Wpływ temperatury MPPC Dokonano pomiaru widm Pu-238 w temperaturze pokojowej.. Następnie po 2 godzinach przebywania komory Lucasa razem z MPPC w podwyższonej temperaturze, dokonano pomiaru widma Pu-238. Pomiarów widm dokonano analizatorem Genie-2000 w którym wzmocnienie analizowanych impulsów jest mniejsze niż w analizatorze TUKAN. W związku z tym, przy takich samych amplitudach impulsu na wyjściu MPPC widma są bardziej ściśnięte. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys.7 i rys. 8 4

mpc17 mpc16 mpc14 mpc12 Rys. 7. Widma szumów i Pu-238 w temperaturze pokojowe i podwyższonej. (analizator Genie 2000). mpc12 - Pu-238, T=22 C, Ua=71.02V, Ui=2.5V mpc14 Pu-238, T=38 C, Ua=71.01 V mpc16 - szumy, T=37 C, Ua=71.01 V mpc17 szumy. T=25 C, Ua=71.01 V, Ui=1 V mpc17 mpc16 mpc14 mpc12 Rys. 8. Widma z rys. 7 w rozciągniętej skali liczby zliczeń mpc12 - Pu-238, T=22 C, Ua=71.02V mpc14 Pu-238, T=38 C, Ua=71.01 V mpc16 - szumy, T=37 C, Ua=71.01 V mpc17 szumy. T= 25 C, Ua=71.01 V, sum(mpc12(40:150))=3323 cpm >>> prog dyskr = 40, Pu-238, T=22 C (tło od mpc17(40:150) = 3 cpm), stosunek tło/zliczenia od Pu-238 = 3/3323=0.009 sum(mpc14(15:150))=2298 cpm >>> prog dyskr = 15, Pu-238, T=38 C (tło od mpc16 (15:150)= 227 cpm) stosunek tło/zliczenia od Pu-238 = 227/2298=0.099 Komentarz Wzrost temperatury MPPC z 22 C na 38 C powoduje spadek amplitudy impulsów od Pu-238 w stosunku 15/40 =0.375 (ponad 60%) przy równoczesnym pogorszeniu stosunku liczby zliczeń tła do Pu-238 Układ automatycznej regulacji wzmocnienia nie jest w stanie zapobiec pogorszeniu stosunku tła do sygnału użytecznego. Radykalnym rozwiązaniem problemu szumów jest chłodzenie MPPC. Przy schłodzeniu MPPC do temperatury 78.5 K zredukowano zliczenia szumów do 0.2 cps [2]. Takie rozwiązanie jest mało przydatne w urządzeniach polowych (zasilanie z akumulatora) 5

4. Wnioski Wielopunktowy licznik fotonów światła Multi Pixel Photon Counter (MPPC) wykazuje bardzo wysokie tło (liczbę zliczeń impulsów tła) na które nakładają się impulsy od promieniowania alfa komory scyntylacyjnej. Liczba zliczeń impulsów (szybkość liczenia) MPPC od promieniowania alfa (Pu-238) przy progu dyskryminacji odcinającym impulsy tła jest ok. 20 razy niższa niż liczba zliczeń od fotopowielacza sprężonego z komorą scyntylacyjna Lucasa. Dla uzyskania takiej samej liczby zliczeń impulsów Pu-238 (takiej samej czułości pomiaru stężenia radonu) należałoby łączyć równolegle do pracy wiele egzemplarzy MPPC. Takie rozwiązanie jest kosztowne. MPPC jest bardzo wrażliwy na zmianę temperaturę pracy. Podwyższenie temperatury otoczenia z 22 C na 38 C powoduje spadek wzmocnienia sygnału od promieniowania alfa o ponad 60% przy równoczesnym pogorszeniu stosunku liczby zliczeń tła do liczby zliczeń od promieniowania alfa. Skuteczną metodą kontroli tła może być chłodzenie MPPC co w warunkach polowych nie jest przydatne Z wyżej podanych powodów uznać należy że wielopunktowy licznik fotonów światła Multi Pixel Photon Counter nie jest przydatny do jako detektor światła scyntylacji komory scyntylacyjnej ZnS(Ag) stosowanej do pomiaru stężenia radonu. 5. Literatura 1. K. Yamamoto, K. Yamamura, K. Sato, T. Ota, H. Suzuki, S. Ohsuka. Development of Multi {ixel Photon Counter (MPPC). 2006 IEEE Nuclear Science Sympsium Conference Record. N30-102. Manuscript Nov. 2006, pp 1094-1097 2. M. Akiba, K. Tsujino, K. Sato, M. Sasaki. A multipixel silicon APD with ultra low dark current rate at liquid nitrogen temperature. National Institute of Information and Communications Technology, Japan + Hamamatsu Photonics, Japan 3. Photon counting module with built in MPPC, www.hamamatsu.com 4. Multi-Pixel Photon Counter. News 2008 vol. 2 Hamamatsu 6