РОЗРОБКА ТА МОДЕЛЮВАННЯ СПЕКТРОГРАФІВ ЖОРСТКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ДЛЯ РЕЄСТРАЦІЇ ШВИДКОПЛИННИХ ПРОЦЕСІВ

Анотація

Зростання необхідності реєстрації спектрів жорсткого випромінювання, пов’язаного з швидкоплинними термоядерними процесами, вимагає розробки та моделювання нового покоління напівпровідникових детекторів. У обраних нами пристроїв спостерігається присутність у хімічному складі елементів з великими атомними номерами. Зокрема, розглядаються включення атомів Pb та Lu. Це є напівпровідники-кристали CsPbBr₃ та Lu(SiO)₅.

Запропонована задача була вирішена за допомогою відкритих кодів Giant4-DNA версії 11.2 (Geant4 – School, 2024) у вигляді використання інтегрованого інженерно-фізичного конструктора. Зроблено моделювання рентгенівських та γ-спектрографів в інтервалі енергій (0,001 – 10) МеВ. Відмічено доступність у придбанні, мінімізації розмірів та структури, експлуатації детектуючих систем. Отримано детальні треки частинок та квантів, визначенні енергетичні втрати, їх зв'язок з амплітудами струмових імпульсів, що надходять на високовольтний підсилювач. На основі отриманих результатів зроблено вибір відповідного електронного інтерфейсу. Перевага запропонованої конструкції детектора-спектрографа полягає в експлуатації за нормальними умовами і не потребує глибокого охолодження. У роботі змодельовано детектор, який складається із двох шарів. Перший шар є силікатною пластиною для поглинання рентгенівського спектра розміром 1 х 10 х 10 мм. Другий детектор CsPbBr₃ або Lu(SiO)₅ має розміри 1 см x 1 см x 1 см і поглинає жорсткий рентген та м’яке γ-випромінювання. Між детекторами немає проміжку.

Зроблено висновок, що у більшості випадків оптимальна геометрія детектора складається з 5 шарів CsPbBr₃ та 5 шарів кремнієвого ізолятора високої напруги. У наведеному прикладі всі шари мають однакові розміри, що пов'язано з необхідністю високоточного калібрування енергії падаючих на них квантів і частинок. Для модуляції ми обрали потік, що складається з 20 частинок рентгенівських або гамма-променів. Було змодельовано сценарій взаємодії цих квантів з матеріалом детектора. Враховано всі основні елементарні процеси з урахуванням методу Монте-Карло. Для певності розглянута енергія пучка, що входить у детектор в межах від 10 кеВ до 1 МеВ. На обраних інтервалах часу за допомогою даного методу візуалізовано елементарні акти розсіювання та побудовано треки всередині заданого детектора. Даний метод дозволив побудувати детальний зв'язок між поглинутою енергією та струмовим імпульсом даного шару детектора. Візуалізація всіх процесів та їх спектрів є на візуальних 3D малюнках.