Πειραματική αξιολόγηση μονοκρυσταλλικών σπινθηριστών GAGG:Ce με φωτοπολλαπλασιαστή (PMT) και σύγχρονο φωτοπολλαπλασιαστή πυριτίου (SiPM)

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η μελέτη και πειραματική αξιολόγηση μονοκρυσταλλικών σπινθηριστών GAGG:Ce κάνοντας χρήση δύο ανιχνευτικών διατάξεων ακτινοβολίας γ. Συγκεκριμένα, έγινε σύγκριση του κλασικού φωτοπολλαπλασιαστή (PMT) H1949-51 της εταιρείας Hamamatsu Photonics και του σύγχρονου φωτοπολλαπλασιαστή πυριτίου (SiPM) PM3350 της εταιρείας KETEK. Οπτικά συζευγμένοι με την ενεργό περιοχή των φωτοπολλαπλασιαστών ήταν κρυσταλλικοί σπινθηριστές τύπου Gd3Al2Ga3O12:Ce (GAGG:Ce) τριών διαφορετικών διαστάσεων 10×10×10 mm³, 3×3×10 mm³ και 3×3×5 mm³. Μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν τα φάσματα τριών ραδιοϊσοτόπων: του Καισίου-137 (137Cs με ενεργότητα 0,77 μCi), του Βαρίου-133 (133Ba με ενεργότητα 0,455 μCi) και του Κοβαλτίου-60 (60Co με ενεργότητα 0,218 μCi), με κάθε συνδυασμό σπινθηριστή και φωτοπολλαπλασιαστή. Η αξιολόγηση επικεντρώθηκε στην ενεργειακή διακριτική ικανότητα και την ευαισθησία κάθε ανιχνευτικής διάταξης. Όλες οι μετρήσεις έγιναν υπό τις ίδιες συνθήκες (συσκότιση και θερμοκρασία δωματίου 25οC) και είχαν διάρκεια 30 λεπτών. Τα σήματα εξόδου των φωτοπολλαπλασιαστών επεξεργάστηκαν μέσω τετρακάναλου ψηφιοποιητή DT5720 της εταιρίας CAEN, ο οποίος ήταν συνδεδεμένος σε ηλεκτρονικό υπολογιστή που έφερε κατάλληλο λογισμικό ψηφιακής επεξεργασίας παλμών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο φωτοπολλαπλασιαστής πυριτίου PM3350 έχει καλύτερη ενεργειακή διακριτική ικανότητα, καθιστώντας τους σύγχρονους φωτοπολλαπλασιαστές πυριτίου κατάλληλους για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας. Από την άλλη, ο φωτοπολλαπλασιαστής H1949-51, παρουσίασε καλύτερη γραμμικότητα στην απόκριση, γεγονός που εξασφαλίζει σταθερότητα σε εφαρμογές με μεγαλύτερες ενέργειες. Η ανάλυση ανέδειξε επίσης τη σημασία του μεγέθους του σπινθηριστή: ο μεγαλύτερος (10×10×10 mm³) εξασφάλισε υψηλότερη ευαισθησία και στις δύο ανιχνευτικές διατάξεις, ενώ οι μικρότεροι (3×3×10 mm³ και 3×3×5 mm³) εμφάνισαν καλύτερη ενεργειακή διακριτική ικανότητα στην διάταξη με τον φωτοπολλαπλασιαστή πυριτίου. Βέλτιστη ενεργειακή διακριτική ικανότητα 2.8% μετρήθηκε για τον φωτοπολλαπλασιαστή πυριτίου PM3350 σε συνδυασμό με τον σπινθηριστή 3×3×5 mm³ σε ενέργεια 1332 keV. Συνολικά, η εργασία αυτή συμβάλλει στην κατανόηση της συμπεριφοράς των μονοκρυσταλλικών σπινθηριστών GAGG:Ce και των φωτοπολλαπλασιαστών, προσφέροντας χρήσιμα συμπεράσματα για τη βέλτιστη επιλογή τους σε εξειδικευμένες εφαρμογές ανίχνευσης ακτίνων γ.