Сцинтилляционные счетчики: принцип действия, достоинства и недостатки оборудования. Реферат: Сцинтилляционные счетчики

Сцинтилляционный счетчик состоит из таких двух составляющих, как сцинтиллятор (фосфор) и умножитель фотоэлектронного типа. В базовой комплектации к данному счетчику производители добавили источник для электрического питания и радиотехническую аппаратуру, обеспечивающую усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Довольно часто сочетание всех элементов данной системы осуществляется с помощью оптической системы - светопровода. Далее в статье рассмотрим принцип действия сцинтилляционного счетчика.

Особенности работы

Устройство сцинтилляционного счетчика довольно непростое, поэтому данной теме необходимо уделить больше внимания. Суть работы данного аппарата заключается в следующем.

В прибор поступает заряженная частица, вследствие этого происходит возбуждение всех молекул. Данные объекты спустя определенный промежуток времени успокаиваются, и в этом процессе они выпускают так называемые фотоны. Весь этот процесс необходим для того, чтобы произошла Определенные фотоны проходят на фотокатод. Этот процесс необходим для появления фотоэлектронов.

Фотоэлектроны фокусируются и поступают на первоначальный электрод. Данное действие происходит по причине работы так называемого ФЭУ. В последующем действии число этих самых электронов увеличивается в несколько раз, чему способствует электронная эмиссия. В результате появляется напряжение. Далее оно лишь увеличивает свое непосредственное действие. Продолжительность импульса и его амплитуда при выходе определяются характерными свойствами.

Что применяется вместо фосфора?

В данном аппарате придумали замещение такого элемента, как фосфор. Как правило, производители используют:

• кристаллы органического типа;
• сцинтилляторы из жидкости, которые также должны быть органического типа;
• твердые сцинтилляторы, которые произведены из пластмассы;
• сцинтилляторы из газа.

Взглянув на данные замещения фосфора, можно увидеть, что производители в большинстве случаев используют исключительно органические вещества.

Главная характеристика

Пришло время поговорить о главной характеристике сцинтилляционных счетчиков. В первую очередь необходимо отметить выход света, излучение, его так называемый спектральный состав и саму длительность сцинтилляции.

В процессе прохождения через сцинтиллятор различных заряженных частиц производится определенное число фотонов, которые несут тут или иную энергию. Довольно немаленькая часть произведенных фотонов будет поглощена и уничтожена в самом резервуаре. Вместо фотонов, которые были поглощены, произведутся иные виды частиц, которые будут представлять энергию несколько меньшего характера. В результате всего этого действия будут появляться фотоны, свойства которых характерны исключительно для сцинтиллятора.

Световой выход

Далее рассмотрим сцинтилляционный счетчик и принцип его действия. Теперь уделим внимание выходу света. Данный процесс также имеет название эффективность конверсионного типа. Выход света - это так называемое отношение энергии, которая выходит наружу, к величине энергии заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе.

В данном действии среднее число фотонов выходит исключительно наружу. Это также называется энергией среднего характера фотонов. Каждая из присутствующих в приборе частиц выводит наружу не моноэнергетику, а лишь спектр сплошной полосой. Ведь именно он является характерным для данного типа работы.

Необходимо уделить внимание самому важному, ведь данный спектр фотонов самостоятельно выходит из известного нам сцинтиллятора. Важно, чтобы он совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ. Данное перекрытие элементов сцинтиллятора с другой характеристикой определяется исключительно за счет согласованного производителями коэффициента.

В этом коэффициенте спектр наружного типа или же спектр наших фотонов выходит во внешнюю среду данного прибора. На сегодняшний день существует такое понятие, как «сцинтилляционная эффективность». Она представляет собой сравнение прибора с другими данными ФЭУ.

Данное понятие объединяет в себе несколько аспектов:

• Эффективность берет во внимание число наших фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энергии. Также этим показателем учитывается чувствительность прибора к фотонам.
• Эффективность данной работы, как правило, оценивается за счет сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, который принят за эталон.

Различные изменения сцинтилляции

Принцип действия сцинтилляционного счетчика также состоит из следующего не менее важного аспекта. Сцинтилляция может быть подвергнута тем или иным изменениям. Они рассчитываются по специальному закону.

В нем I 0 обозначает максимальный показатель интенсивности рассматриваемой нами сцинтилляции. Что же касается показателя t 0 - то это постоянная величина и обозначает она время так называемого затухания. Это затухание показывает время, в течение которого интенсивность уменьшается в своем показателе в определенные (е) разы.

Также необходимо уделить внимание числу так называемых фотонов. Оно в нашем законе обозначается буквой n.

Полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции. Эти фотоны испускаются в определенное время и регистрируются в приборе.

Процессы работы фосфора

Как мы уже писали ранее, сцинтилляционные счетчики действуют на основе работы такого элемента, как фосфор. В данном элементе осуществляется процесс так называемой люминесценции. И он делится на несколько видов:

• Первый вид представляет собой флуоресценцию.
• Второй вид - это фосфоресценция.

Эти два вида отличаются, прежде всего, за счет времени. Когда так называемое высвечивание происходит в слиянии с другим процессом или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек - это первый вид процесса. Что же касается второго типа, то тут интервал времени несколько больше предыдущего типа. Данное расхождение по времени возникает по той причине, что данный интервал соответствует жизни атома в неспокойном состоянии.

В общей сложности длительность первого процесса совершенно не зависит от показателя неспокойствия того или иного атома, но что касается выхода данного процесса, то на это влияет именно возбудительность данного элемента. Стоит также отметить тот факт, что в случае с неспокойствием определенных кристаллов скорость так называемого выхода несколько меньше, нежели при фотовозбуждении.

Что представляет собой фосфоресценция?

Достоинства сцинтилляционного счетчика включают в себя процесс фосфоресценции. Под данным понятием большинство людей понимают лишь люминесценцию. Поэтому рассмотрим данные особенности на основе этого процесса. Данный процесс - это так называемое продолжение процесса после завершения того или иного типа работы. Фосфоресценция кристаллофосфоров возникает при рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении. В определенных объектах фосфора совершенно невозможно осуществить замедление процесса, так как электроны и их дырки попадают в так называемые ловушки. Из этих самых ловушек они могут освободиться самостоятельным образом, но для этого им, как и другим веществам, необходимо получить дополнительный запас энергии.

В связи с этим длительность процесса также имеет зависимость от той или иной температуры. Если в процессе принимают участие и другие молекулы органического характера, то процесс фосфоресценции происходит лишь в случае пребывания их в метастабильном состоянии. А перейти в нормальное состояние эти молекулы не могут. Лишь в таком случае мы можем увидеть зависимость данного процесса от скорости и от самой температуры.

Особенности счетчиков

Имеет сцинтилляционный счетчик достоинства и недостатки, которые мы рассмотрим в этом разделе. В первую очередь опишем достоинства прибора, ведь их достаточно много.

Специалисты выделяют довольно высокий показатель временной способности. По времени один импульс, который издает данный прибор, не превышает десяти секунд. Но это в том случае, если используются определенные приборы. Данный счетчик имеет этот показатель в несколько раз меньше, чем другие его аналоги с разрядом самостоятельного характера. Это отлично способствует его применению, ведь скорость счета увеличивается в несколько раз.

Следующим положительным качеством данных является довольно мелкий показатель опаздывающего импульса. Но такой процесс осуществляется лишь после того, как частицы пройдут период регистрации. Это также позволяет сэкономить непосредственно время подачи импульса данного вида прибора.

Также сцинтилляционные счетчики имеют довольно высокий уровень регистрации тех или иных частиц, к которым относятся нейроны и их лучи. Для того чтобы увеличить уровень регистрации, обязательно необходимо, чтобы именно эти частицы вступили в реакцию с так называемыми детекторами.

Изготовление аппаратов

Кто изобрел сцинтилляционный счетчик? Сделал это немецкий физик Кальман Хартмут Пауль в 1947 году, а 1948-м ученый изобрел нейтронную радиографию. Принцип работы сцинтилляционного счетчика позволяет выпускать его довольно большого размера. Это способствует тому, что можно осуществлять так называемый герметический анализ довольно большого потока энергии, к которой относятся ультрафиолетовые лучи.

Также можно ввести в состав прибора определенные вещества, с которыми довольно хорошо могут взаимодействовать нейтроны. Что, безусловно, имеет свои непосредственные положительные качества в изготовлении и будущем применении счетчика данного характера.

Вид конструкции

Частицы сцинтилляционного счетчика обеспечивают его качественную работу. Потребители предъявляют следующие требования к работе устройства:

• на так называемом фотокатоде идет самый лучший показатель сбора света;
• по этому фотокатоду идет распределение света исключительно равномерного типа;
• ненужные частицы в приборе подвергаются затемнению;
• магнитные поля не несут абсолютно никакого влияния на весь несущий процесс;
• коэффициент в данном случае является стабильным.

Недостатки сцинтилляционный счетчик имеет самые минимальные. При осуществлении работы необходимо обязательно добиться того, чтобы амплитуда сигнальных типов импульсов соответствовала другим видам амплитуд.

Упаковка счетчика

Зачастую сцинтилляционный счетчик упаковывают в металлический контейнер, в котором с одной стороны имеется стекло. Кроме того, между самим контейнером и сцинтиллятором размещается слой специального материала , который не дает поступать ультрафиолетовым лучам и теплу. Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковывать в герметичные контейнеры, однако все твердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно. Очень важно уделять внимание упаковке данного прибора.

Преимущества счетчиков

Преимущества сцинтилляционного счетчика состоят в следующих аспектах:

• Чувствительность данного прибора всегда на самом высоком уровне, а от этого напрямую зависит и его непосредственная эффективность.
• Способности прибора включают в себя широкий спектр услуг.
• Способности по различию тех или иных частиц используют только информацию об их энергии.

Именно за счет вышеприведенных показателей данный вид счетчика обошел всех своих конкурентов и по праву стал самым лучшим прибором в своем роде.

Стоит также отметить, что к его недостаткам относится чувствительное восприятие изменения той или иной температуры, а также условий окружающей среды.

Лабораторная работа 3

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Цель работы : изучить основы сцинтилляционного метода регистрации излучения; изучить устройство сцинтилляционного детектора и определить эффективность регистрации гамма - излучения Cs - 137.

УСТРОЙСТВО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Введение

Сцинтилляционный метод регистрации частиц – один из наиболее старых методов регистрации. Еще в 1919 г. в опытах по рассеянию заряженных частиц на ядрах Э. Резерфорд с сотрудниками регистрировали a-частицы, визуально наблюдая вспышки света в ZnS(Ag). Однако широкое развитие сцинтилляционный метод регистрации частиц получил лишь после изобретения фотоэлектронных умножителей – приборов, обладающих способностью регистрировать слабые вспышки света.

Один из первых фотоумножителей был построен в СССР в начале 40-х годов ХХ в. И с 1947 г. началось интенсивное развитие сцинтилляционного метода регистрации. Благодаря своей высокой эффективности сцинтилляционные детекторы и спектрометры получили применение в ядерной физике, биологии, геологии, медицине и в других отраслях науки и техники.

Основными элементами сцинтилляционного детектора являются сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ ), оптическая система для сочленения сцинтиллятора и ФЭУ.

При взаимодействии с веществом сцинтиллятора заряженные частицы теряют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов cреды. Гамма-излучение, как излучение косвенно ионизирующее, само непосредственно ионизацию и возбуждение не производит: ионизируют и возбуждают атомы вещества сцинтиллятора электроны, образованные при взаимодействии γ-излучения с веществом сцинтиллятора. Возникающее при снятии возбуждения атомов излучение выходит из cреды в виде световых вспышек-сцинтилляций, число фотонов в которых зависит как от свойства и размеров сцинтиллятора, так и от вида частиц и энергии, передаваемой сцинтиллятору этими частицами.

Для регистрации этих сцинтилляций используется ФЭУ, преобразующий световые вспышки в электрические импульсы напряжения, поступающие далее в измерительный блок.

Основные характеристики сцинтилляторов

Сцинтилляторами обычно называют такие вещества, которые под действием ионизирующего излучения испускают фотоны в видимой или ультрафиолетовой части спектра. Причем при наличии большой вероятности испускания фотонов атомами и молекулами в возбужденных состояниях вероятность поглощения этих испущенных фотонов самим же сцинтиллирующим веществом должна быть мала: т. е. спектр испускания электромагнитного излучения должен быть сдвинут относительно спектра поглощения.

Все сцинтилляционные вещества можно разделить на три класса: на основе тех или иных органических соединений, неорганические кристаллы и газы.

Из органических соединений чаще всего применяются жидкие и твердые растворы ароматических соединений или монокристаллы антрацена, стильбена, толана и др.

Наиболее распространенными сцинтилляторами из неорганических кристаллов являются иодиты щелочных металлов, активированные таллием, и сульфид цинка, активированный серебром: NaJ(Tl), CsJ(Tl), ZnS(Ag). Чистые неактивированные криcталлы при комнатной температуре не обладают сцинтиллирующими свойствами.

С точки зрения регистрации излучений все сцинтилляторы, и органические и неорганические, должны удовлетворять некоторым требованиям как общего характера, так и специальным, обусловленным природой регистрируемых частиц.

Прежде всего вещество должно обладать высоким световым выходомc, определяемым как отношение среднего числа фотонов , возникающих в процессе одной сцинтилляции, к энергии , потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе:

Так как практический интерес представляет число фотонов, выходящих из сцинтиллятора , то целесообразно ввести понятие внешнего светового выхода :

где – коэффициент выхода фотонов из сцинтиллятора. Необходимо отметить, что внешний световой выход зависит от величины сдвига спектров испускания и поглощения, т. е. от прозрачности сцинтиллятора по отношению к собственному излучению, а также от толщины сцинтиллятора, количества примесей, уменьшающих его прозрачность, от состояния его поверхностей и т. п. В идеальных, абсолютно прозрачных для собственного излучения сцинтилляторах =.

Кроме светового выхода можно ввести понятие энергетического выхода x, выражающего отношение энергии фотонов, возникающих в процессе одной сцинтилляции, к энергии Е , потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе:

x = ,

где – средняя энергия фотонов сцинтилляции.

Процесс высвечивания сцинтилляции занимает конечное время. Так как время нарастания сцинтилляции значительно меньше времени спада (затухания сцинтилляции), то во всех практических случаях длительность сцинтилляции в целом можно характеризовать одной только постоянной времени t затухания процесса:

Величина t – время, в течение которого интенсивность высвечивания J падает в е раз. В экспериментах, где требуется высокое временное разрешение, сцинтилляторы выбираются с достаточно малым временем высвечивания.

Применяемые сцинтиллирующие неорганические кристаллы (NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Sn), LiJ(Tl), ZnS(Ag) ) характеризуются большим световым выходом и временем высвечивания (порядка 10–4 – 10–7 с). Органические кристаллы (стильбен, антрацен и другие) характеризуются не только меньшим световым выходом, чем неорганические, но и меньшим временем высвечивания (порядка 10–8 – 10–9 с). Из органических сцинтиллирующих растворов обычно применяются паратерфенил в ксилоле.

Процессы, происходящие в фотоумножителях,

и основные их характеристики

Импульс cвета, возникающий в сцинтилляторе при прохождении ионизирующей частицы, с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуется в электрический импульс.

Фотоэлектронный умножитель – это фотоэлемент с многократным усилением, которое основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Он состоит из фотокатода 4 , фокусирующего устройства 5 , нескольких динодов 6 и анода 8 (рис. 1). Все электроды ФЭУ помещены в баллон с высоким вакуумом . Фотокатод выполнен в виде тонкого полупрозрачного слоя и находится на внутренней стороне торцевой стенки стеклянного баллона ФЭУ. Для увеличения коэффициента вторичной эмиссии диноды покрыты тонкой пленкой вещества с малой работой выхода для электронов.

При работе ФЭУ ко всем его электродам приложены определенные разности потенциалов. Проникая сквозь прозрачное стекло, кванты света вырывают из светочувствительного слоя фотокатода некоторое количество электронов. Фотоэлектроны, выходящие с разными скоростями и под разными углами к поверхности катода, ускоряются электрическим полем в вакууме и с помощью фокусирующей системы собираются на первом диноде умножителя.

1 – радиоактивный источник; 2 – сцинтиллятор; 3 – светопровод; 4 – фотокатод ФЭУ; 5 – фокусирующие электроды; 6 – диноды; 7 – фотоэлектроны; 8 – анод; 9 – делитель ФЭУ; 10 – сопротивление нагрузки.

При ударах электронов о первый динод происходит вторичная электронная эмиссия. Электроны, выбитые из первого динода, вновь ускоряются в следующем межэлектродном промежутке и, попадая на второй динод, вызывают в свою очередь вторичную электронную эмиссию со второго динода. Для характеристики электронной эмиссии вводится величина, называемая коэффициентом вторичной эмиссии s, представляющим собой число вторичных электронов, выбитых одним первичным электроном. Описанный процесс происходит последовательно на всех динодах, и в зависимости от свойств и числа динодов при s > 1 число электронов на последних динодах может превысить первоначальное число фотоэлектронов на несколько порядков. Электроны с последнего динода собираются на аноде фотоумножителя.

Физические явления, лежащие в основе работы ФЭУ – фотоэлектрический эффект и вторичная электронная эмиссия, носят статистический характер. Поэтому параметры ФЭУ также имеют статистическую природу и, говоря о них, будем подразумевать средние значения этих параметров.

Характеристики фотокатода образуют группу параметров ФЭУ. Из них наиболее важное значение имеют квантовый выход, спектральная характеристика, интегральная чувствительность.

Квантовый выход фотокатода e представляет собой вероятность вырывания одного фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. При этом подразумевается, что падающий на фотокатод свет близок к монохроматическому. Квантовый выход зависит от длины волны падающего света, материала фотокатода и его толщины. Численно он обычно выражается в процентах.

Зависимость e от длины волны l падающего света носит название спектральной характеристики фотокатода и обозначается e(l).

Практически существенно не только число фотонов, испускаемых сцинтиллятором, но и степень перекрытия внешнего оптического спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой e(n) данного ФЭУ, определяемая коэффициентом согласования:

.

Интегральная чувствительность фотокатода представляет собой отношение фототока к падающему на фотокатод световому потоку при освещении фотокатода источником белого света с определенной цветовой температурой.

Сбор фотоэлектронов на первый динод характеризуется коэффициентом сбора l , который может принимать значения от 0 до 100 %.

Умножительная система ФЭУ характеризуется коэффициентом усиления М . Последний определяется как отношение величины тока на выходе ФЭУ к его величине на входе умножительной системы. Коэффициент усиления ФЭУ равен: где a – коэффициент, определяющий долю электронов, попадающих с одного динода на другой; – коэффициент вторичной эмиссии i -го динода.

Необходимо отметить, что коэффициент вторичной эмиссии s зависит не только от материала и состояния поверхности динода, но и от энергии первичных электронов, т. е. от ускоряющей разности потенциалов, приложенной к двум соседним динодам: с увеличением энергии электронов s вначале растет, а затем выше энергии 100 – 1000 эВ (в зависимости от материала) падает. Физически такое поведение можно объяснить следующим. Первичные электроны, попадая в материал динода, в результате упругих и неупругих соударений передают свою энергию многим электронам среды. Чем выше энергия первичного электрона, тем большему числу электронов он передает свою энергию. Но чем выше энергия первичного электрона, тем на большую глубину он проникает и, следовательно, тем на большей глубине в материале приобретают энергию вторичные электроны. Последние могут покинуть материал динода только в том случае, если они образовались на глубине, которая меньше длины своего пробега в данном материале.

Зависимость коэффициента усиления М от напряжения питания приведена на рис. 2 (литературные данные).

Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления ФЭУ

от разности потенциалов между динодами для числа динодов n = 10 и σmax = 10

При высоких значениях мгновенных токов, обусловленных или очень большим коэффициентом усиления М , или очень большой интенсивностью вспышки, сказывается влияние объемного заряда, искажающего поле в области анода и последних динодов (пунктирная линия). Для некоторых ФЭУ этот эффект заметен при токах на аноде ~ 1 мА.

Произведение коэффициента усиления ФЭУ на коэффициент сбора на первый динод и на интегральную чувствительность фотокатода называется общей чувствительностью ФЭУ.

Если даже на фотокатод ФЭУ не падает световой поток, на выходе ФЭУ все-таки наблюдается некоторый ток, называемый темновым. Причиной этого являются термоэлектронная эмиссия с поверхности фотокатода и первых динодов, автоэлектронная холодная эмиссия, радиоактивность материала , из которого изготовлен ФЭУ, и ряд других причин.

РАБОТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Сборка сцинтилляционного детектора заключается в рациональном сочленении сцинтиллятора и фотоумножителя, которое обеспечило бы при наибольшем отношении амплитуд импульсов, вызванных радиоактивным источником и темновым током, наилучшую разрешающую способность детектора как по амплитудам, так и по времени. Сцинтиллятор, имеющий обычно форму цилиндра, устанавливается перед фотокатодом умножителя (см. рис. 1). Так как коэффициент преломления света для большинства сцинтилляторов довольно велик, значительная часть света, возникающего в сцинтилляторе, испытывает на его поверхности полное внутреннее отражение. Поэтому для обеспечения хорошего оптического контакта (и, следовательно, для повышения светосбора) между сцинтиллятором и фотокатодом вводится тонкий слой вещества с меньшим показателем преломления (силиконовое или вазелиновое масло).

Радиоактивное излучение, падающее на сцинтиллятор, вызывает в нем вспышки – сцинтилляции. Световые кванты, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают фотоэлектроны, которые дают начало лавине. В момент прихода электронной лавины на анод ФЭУ на выходном нагрузочном сопротивлении возникает импульс напряжения.

Межэлектродные разности потенциалов задаются обычно с помощью делителя напряжения от высоковольтного источника питания. Изменяя напряжение, питающее делитель, можно варьировать в широких пределах коэффициент усиления ФЭУ. С увеличением напряжения на делителе ФЭУ коэффициент усиления быстро возрастает. Причиной этого является увеличение коэффициента вторичной эмиссии, а также некоторое улучшение фокусировки.

При измерении числа частиц очень важен параметр, который характеризует вероятность создания на выходе детектора электрического импульса при попадании частицы в детектор. Такой параметр носит название эффективности регистрации детектора h, определяющейся как отношение числа электрических импульсов, зарегистрированных на выходе детектора в единицу времени, к числу частиц, попавших в детектор за то же время. Эффективность регистрации является функцией как энергии и вида исследуемого излучения, так и размеров и типа детектора. Основным требованием к сцинтилляционным детекторам, как и ко всем детекторам вообще, является высокая эффективность регистрации. Как известно, сечения фотоэффекта и комптон-эффекта тем выше, чем больше Z вещества.

Достоинством сцинтилляционных детекторов является тот факт, что их эффективность регистрации для косвенно ионизирующих излучений (g-излучение, рентгеновское излучение) благодаря большому Z сцинтилляторов на целый порядок превосходит эффективность регистрации газоразрядных счетчиков. В литературе указывается, что в случае γ-излучения для кристаллов NaJ(Tl) небольших размеров она составляет приблизительно 17 %.

Одним из основных требований к детекторам является малое время разрешения (оно определяет тот минимальный временной интервал между двумя последовательными частицами, которые детектор может зафиксировать раздельно). В сцинтилляционном детекторе при использовании неорганических кристаллов, время высвечивания которых сравнительно велико и составляет десятые доли микросекунды и больше, временные свойства фотоумножителя практически не играют никакой роли, и время разрешения всего сцинтилляционного детектора будет определяться временем высвечивания кристалла. При работе же с органическими сцинтилляторами (и особенно с жидкими и твердыми растворами), где время высвечивания очень мало, время разрешения фотоумножителя может оказаться сравнимым со временем высвечивания сцинтиллятора и при расчете разрешающей способности детектора по времени должно быть учтено.

Достоинством сцинтилляционного детектора является то, что его время разрешения на несколько порядков меньше времени разрешения газоразрядных детекторов. Применение сцинтилляционных детекторов в схемах совпадений с высокой разрешающей способностью открыло новые перспективы при исследовании разного рода одновременных процессов.

Кроме того, нужно отметить, что поскольку коэффициент вторичной эмиссии не зависит от числа падающихэлектронов, то ФЭУ представляет собой линейный прибор , т. е. заряд на аноде пропорционален числу первичных фотоэлектронов и соответственно интенсивности световой вспышки, попавшей на катод. А так как обычно энергия, потерянная частицей в кристалле, пропорциональна интенсивности световой вспышки, то амплитуда импульса на выходе ФЭУ пропорциональна потерянной энергии частицы. Это позволяет создавать на основе сцинтилляционного детектора различные приборы для измерения энергии радиоактивного излучения, что невозможно при использовании гейгеровских счетчиков. И только, когда импульсы на выходе ФЭУ достаточно велики, линейность может нарушаться, как было указано выше, за счет искажения поля пространственнымзарядом в области анода и последних динодов.

Важным моментом перед тем, как начинать измерения, является правильный подбор напряжения питания ФЭУ. В радиометрических измерениях , когда производится счет импульсов, для этих целей чаще всего используется счетная характеристика, т. е. зависимость скорости счета импульсов на выходе детектора n от напряжения питания ФЭУ U (рис. 3).

Как видно из рис. 3, с ростом напряжения питания U величина n вначале растет, а далее становится постоянной. Это объясняется тем, что при малых величинах U значение коэффициента усиления ФЭУ М также мало. В результате амплитуда импульсов на выходе ФЭУ незначительна по величине и может оказаться ниже порога чувствительности регистрирующего устройства. В таком случае импульсы не будут зарегистрированы. С увеличением напряжения U растет коэффициент усиления М и амплитуда импульсов увеличивается настолько, что может превысить порог чувствительности регистрирующего устройства. В этот момент на пересчетном устройстве начинается счет импульсов.

Рис. 3. Счетная характеристика

При дальнейшем увеличении U еще бόльшая доля импульсов будет иметь амплитуду, превышающую порог чувствительности, что даст еще большее увеличение скорости счета n .

Дальнейшее повышение напряжения питания может привести к тому, что скорость счета импульсов n станет почти постоянной и не будет зависеть от величины U , так как амплитуды почти всех импульсов, поступающих с детектора, превышают порог чувствительности и почти все импульсы регистрируются.

При очень больших напряжениях U скорость счета n может резко возрасти из-за того, что амплитуда шумовых импульсов ФЭУ тоже становится очень большой.

Выделенная на рис. 3 область плато, где величина n слабо зависит от напряжения питания U , используется для подбора напряжения питания; обычно рабочее напряжение выбирают на середине плато.

Критерием же оптимального рабочего напряжения в спектрометрических измерениях является высокое энергетическое разрешение. Известно, что энергетическое разрешение детектора тем выше, чем выше коэффициент усиления ФЭУ М , т. е. чем больше величина напряжения питания U .

РЕГИСТРАЦИЯ g -КВАНТОВ

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫМ ДЕТЕКТОРОМ

При работе со сцинтилляционным детектором, предназначенным для решения той или иной физической задачи, следует учесть одно очень важное специфическое обстоятельство: поскольку свойства излучений, подлежащих регистрации, в том или ином случае могут быть резко различны, особое внимание необходимо уделить рациональному выбору сцинтиллятора, конкретные свойства которого должны наилучшим образом отвечать поставленной задаче. К фотоумножителю особых требований, связанных со спецификой самого регистрирующего излучения, обычно не предъявляется.

При регистрации g-излучения выбор сцинтиллятора определяется требованием высокой эффективности, так как g-излучение – излучение проникающее. Для узкого параллельного моноэнергетического пучка g-квантов, падающих нормально на сцинтиллятор толщиной х , эффективность регистрации η определяется как отношение числа зарегестрированных частиц к числу падающих на детектор частиц:

где t – коэффициент поглощения g-квантов в веществе сцинтиллятора, зависящий от энергии излучения и среднего эффективного заряда вещества сцинтиллятора Z .

С увеличением величина t (и, следовательно, η) падает; c увеличением значений Z коэффициент поглощения g-квантов t (и, следовательно, эффективность регистрации η) растет. Поэтому в сцинтилляционных детекторах для регистрации g-квантов используются в основном неорганические кристаллы с большим атомным номером Z .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Порядок проведения эксперимента

На рис. 4 приведена схема радиоактивного распада изотопа Сs-137, изпользуемого в данной лабораторной работе .

Рис.4. Схема радиоактивного распада изотопа Cs-137

Амплитудные спектры, измеренные во время эксперимента с использованием изотопа Cs-137, имеют вид, изображенный на рис. 5.

При неправильном выборе режима работы спектрометра форма этих спектров может быть значительно искажена, поэтому важно тщательно подбирать уровень питания ФЭУ U , коэффициент усиления усилителя K, верхний и нижний пороги дискриминатора ДВУ и ДНУ.

При изменении напряжения питания ФЭУ U изменяется его коэффициент усиления М . В результате изменяется величина амплитуды выходного сигнала А и, следовательно, положение максимума пика полного поглощения . Поэтому изучение зависимости величины амплитуды импульса на выходе детектора А от величины напряжения питания ФЭУ можно свести к изучению зависимости положения максимума пика полного поглощения от величины напряжения питания.

Рис. 5. Амплитудный спектр импульсов на выходе детектора

Включить компьютер. Включить блок спектрометра; открыть программу «Спектр».

После регистрации войти в режим спектрометра и задать на его панели рабочий режим.

Установить время накопления спектра t = 150 с. Набрать амплитудные спектры выходных импульсов при различных величинах напряжения питания ФЭУ.

Cпектры записать в файлы.

Результаты измерений запишутся на диске D. Путь, по которому можно найти записанные данные, следующий: Диск D ® папка «3 курс» ® папка «Данные» ® папка «Студенты» ® папка с фамилией студента ® номер лабораторной работы ® номер задания ® номер спектра.

Обработка результатов

Изучение зависимости амплитуды

выходных импульсов детектора

от величины напряжения питания ФЭУ

Задание 1. Ввести в Mathcad файлы данных со спектрами S 001–S 010. Присвоить название векторной переменной, описывающей спектр;определить номер канала как ранжированную переменную k , изменяющуюся от 0 до 1023. Построить амплитудные спектры.

Задание 2. Выделить в полученных спектрах пики полного поглощения; с помощью операции Trace провести грубые оценки положения максимума пика полного поглощения на шкале амплитуд, дисперсии , левой и правой границ пика. Оценить площадь под пиком.

Задание 3. Аппроксимировать пик полного поглощения функцией Гаусса; найти точные значения номера канала , соответствующего положению максимума пика полного поглощения.

Задание 4. Построить зависимость от величины напряжения питания ФЭУ U (см. рис. 6); объяснить ход зависимости от величины напряжения питания. Сравнить с литературными данными. Выбрать рабочее напряжение ФЭУ для дальнейшей работы.

Рис. 6. Зависимость положения максимума пика полного поглощения k 0

от величины напряжения питания U

Определение эффективности регистрации детектора γ-излучения

Задание 5. Используя спектр, измеренный, например, при уровне питания ФЭУ U = 550 В и коэффициент усиления K = 1, вычислить площадь под всем спектром Р и найти число импульсов, зарегистрированных детектором за 1 с: n = P /150.

Задание 6. Зная активность используемого радиоактивного изотопа Cs-137, определить эффективность регистрации γ-излучения Cs-137:

где – число γ-квантов, падающих на поверхность сцинтиллятора за 1с;

Число 0,85 – вводится как поправка на схему распада (см. схему распада, приведенную на рис. 5). – активность радиоактивного источника; = 120 кБк. Ω – относительный телесный угол, под которым детектор облучается источником. Это угол зависит от радиуса сцинтиллятора s и от расстояния между источником и сцинтиллятором h.

.

Дать оценку полученному результату; сравнить с литературными данными.

Определение фоточасти и фотоэффективности регистрации

Задание 7. Выделить пик полного поглощения в амплитудном спектре, используемом в задании 5, вычислить его площадь . Определить фоточасть как отношение площади под фотопиком к площади под всем спектром Р (значение Р взять из задания 5).

Задание 8. Определить фотоэффективность регистрации γ-излучения, как произведение эффективности регистрации, умноженной на фоточасть:

.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить процессы, происходящие в сцинтилляторе, и перечислить основные параметры сцинтиллятора.

2. На каких двух физических явлениях основана работа фотоэлектронного умножителя?

3. Перечислить основные параметры фотоэлектрических умножителей.

4. Что такое эффективность регистрации детектора? От каких параметров детектора и излучения она зависит? Что такое фоточасть и фотоэффективность?

5. Охарактеризовать особенности регистрации γ-излучения.

- Принцип работы сцинтилляционного счетчика

- Сцинтилляторы

- Фотоэлектронные умножители

- Конструкции сцинтилляционных счетчиков

- Свойства сцинтилляционных счетчиков

- Примеры использования сцинтилляционных счетчиков

- Список использованной литературы

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ

Метод регистрации заряженных частиц с помощью счета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS), является одним из первых методов регистрации ядерных излучений.

Еще в 1903 г. Крукс и другие показали, что если рассматривать экран из сернистого цинка, облучаемый a-частицами, через увеличительное стекло в темном помещении, то на нем можно заметить появление отдельных кратковременных вспышек света - сцинтилляций. Было установлено, что каждая из этих сцинтилляций создается отдельной a-частицей, попадающей на экран. Круксом был построен простой прибор, названный спинтарископом Крукса, предназначенный для счета a-частиц.

Визуальный метод сцинтилляций был использован в дальнейшем в основном для регистрации a-частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электронвольт. Отдельные быстрые электроны регистрировать не удалось, так как они вызывают очень слабые сцинтилляции. Иногда при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки, но это происходило лишь тогда, когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов.

Гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение. Это позволяет регистрировать a-частицы в присутствии сильного g-излучения.

Визуальный метод сцинтилляций позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени. Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту. Конечно, метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальных качеств экспериментатора.

Несмотря на недостатки, визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики. С помощью него Резерфорд регистрировал a-частицы при их рассеянии на атомах. Именно эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их a-частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра.

Визуальный метод сцинтилляций имел большое значение вплоть до тридцатых годов, когда появление новых методов регистрации ядерных излучений заставило на некоторое время забыть его. Сцинтилляционный метод регистрации возродился в конце сороковых годов XX века на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 10 8 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализировать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и g-лучи.

§ 1. Принцип работы сцинтилляционного счетчика

Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод).

Принцип работы сцинтилляционного счетчика состоит в следующем. Заряженная частица, попадая в сцинтиллятор, производит ионизацию и возбуждение его молекул, которые через очень короткое время (10 -6 - 10 -9 сек) переходят в стабильное состояние, испуская фотоны. Возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны. Последние под действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. Далее в результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который затем уже усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой.

Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ.

В качестве фосфоров используются:

Органические кристаллы,

Жидкие органические сцинтилляторы,

Твердые пластмассовые сцинтилляторы,

Газовые сцинтилляторы.

Основными характеристиками сцинтилляторов являются: световой выход, спектральный состав излучения и длительность сцинтилляций.

При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией. Часть этих фотонов будет поглощена в объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора.

Световым выходом или конверсионной эффективностью сцинтиллятора c называется отношение энергии световой вспышки , выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе,
где - среднее число фотонов, выходящих наружу, - средняя энергия фотонов. Каждый сцинтиллятор испускает не моноэнергетические кванты, а сплошной спектр, характерный для данного сцинтиллятора.

Очень важно, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ.

Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой. данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования где - внешний спектр сцинтиллятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора. На практике при сравнении сцинтилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводят понятие сцинтилляционной эффективности, которая определяется следующим выражением:

где I 0 - максимальное значение интенсивности сцинтилляции; t 0 - постоянная времени затухания, определяемая как время, в течение которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз.

Число фотонов света n , испущенных за время t после попадания регистрируемой частицы, выражается формулой

где - полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции.

Процессы люминесценции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции и фосфоресценции. Если высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек, то процесс называется флуоресценцией. Интервал 10 -8 сек выбран потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов.

Хотя спектры и длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флуоресценции существенно зависит от него. Так при возбуждении кристалла a-частицами выход флуоресценции почти на порядок меньше, чем при фотовозбуждении.

Под фосфоресценцией понимают люминесценцию, которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения. Но основное различие между флуоресценцией и фосфоресценцией заключается не в длительности послесвечения. Фосфоресценция кристаллофосфоров возникает при рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении. В некоторых кристаллах возможно затягивание послесвечения за счет того, что электроны и дырки захватываются «ловушками», из которых они могут освободиться, лишь получив дополнительную необходимую энергию. Отсюда очевидна зависимость длительности фосфоресценции от температуры. В случае сложных органических молекул фосфоресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии, вероятность перехода из которого в основное состояние может быть малой. И в этом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфоресценции от температуры.

Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод). Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Излученный свет собирается – в спектральном диапазоне сцинтиллятора – на фотоприёмник. В качестве последнего часто служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Фотоэлектронный умножитель представляет собой стеклянный цилиндр, откаченный до остаточного давления не выше 10-6 мм рт. ст., в торце которого расположено прозрачное плоское окно, на поверхность которого со стороны эвакуируемого объёма нанесён тонкий слой вещества с малой работой выхода электронов (фотокатод), обычно на основе сурьмы и цезия. Далее в эвакуированном пространстве располагается серия электродов – динодов, на которые с помощью делителя напряжения от источника электропитания подаётся последовательно возрастающая разность потенциалов. Диноды ФЭУ изготавливаются из вещества также с малой работой выхода электронов. Они способны при бомбардировке их электронами испускать вторичные электроны в количествах, превышающих число первичных в несколько раз. Последний динод является анодом ФЭУ. Основным параметром ФЭУ является коэффициент усиления при определённом режиме питания. Обычно ФЭУ содержит девять и более динодов и усиление первичного тока достигает для различных умножителей величин 10 5 – 10 10 раз, что позволяет получать электрические сигналы амплитудой от вольт до десятков вольт.

Рис. 1.9.Блок-схема сцинтилляционного счётчика

Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, в результате фотоэффекта выбивают электроны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается динодной системы за счёт механизма вторичной электронной эмиссии. Анодный токовый сигнал ФЭУ – через усилитель или непосредственно - подается на вход измерительного прибора – счетчика импульсов, осциллографа, аналого- цифрового преобразователя и т.п. Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ.

В ряде случаев на выходе усилителя наблюдается большое число импульсов (обычно малых по амплитуде), не связанных с регистрацией ядерных частиц, а именно, импульсов собственных шумов ФЭУ и ускорителя. Для устранения шумов между усилителем и счётчиком импульсов включается интегральный амплитудный дискриминатор, пропускающий лишь те импульсы, амплитуды которых больше некоторого значения порогового напряжения. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ-квантов с атомами сцинтиллятора.

Достоинства сцинтилляционного счётчика: высокая эффективность регистрации различных частиц; быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам сцинтилляционные счётчики широко применяется в ядерной физике (например, для измерения времени жизни возбуждённых состояний ядер, измерение сечения деления, регистрация осколков деления газовыми сцинтилляционными счётчиками), физике элементарных частиц и космических лучей (например, экспериментальное обнаружение нейтрино), в промышленности (гамма-дефектоскопия, радиационный контроль), дозиметрии (измерение потоков γ- излучений, испускаемых человеком и другими живыми организмами), радиометрии, геологии, медицине и т.д. Недостатки сцинтилляционного счётчика: малая чувствительность к частицам низких энергий (1 кэВ ), невысокая разрешающая способность по энергии. Для регистрации заряженных частиц сцинтилляционными счётчиком пригодны почти все фосфоры.Более удобны твёрдые фосфоры типа органических монокристаллов или пластиков. Основная трудность,возникающая при регистрации заряженных частиц и особенно тяжёлых, обеспечение ввода частиц в фосфор.

Фосфор, как правило, упаковывают в металлический контейнер, сквозь стенки которого частицы могут не пройти. Поэтому тяжёлые частицы обычно регистрируют более простыми детекторами – ионизационной камерой или пропорциональным счётчиком. Электроны регистрируют сцинтилляционными счётчиками в тех случаях, когда требуется хорошее разрешающее время. Основными фосфорами обычно являются органические монокристаллы антрацена, стильбена или пластики. Эффективность регистрации заряженных частиц сцинтилляционным счётчиком близка к 100%. Сцинтилляционные счётчики используют особенно широко для регистрации γ-излучения. Кроме хорошего разрешающего времени такой детектор обладает значительно большей, чем счётчик Гейгера- Мюллера, эффективностью к γ-квантам. В некоторых случаях удаётся обеспечить почти 100%-ную регистрацию γ-излучения. Эффективность сцинтилляционного счётчика к γ-квантам зависит от материала и толщины фосфора. Взаимодействие γ-квантов с веществом фосфора определяется плотностью электронов и энергией γ-квантов. Поэтому наиболее эффективно γ-излучение регистрируется сцинтилляционными счётчиками с фосфорами, имеющими большую плотность и высокий средний порядковый номер Z. К таким фосфорам относятся неорганические монокристаллы NaI(Tl), CsI(Tl), KI(Tl). С меньшей эффективностью γ- излучение регистрируется жидкими фосфорами и пластиками в результате взаимодействия нейтронов с атомными ядрами. Для регистрации медленных используются ядерные реакции расщепления лёгких ядер под действием нейтронов [10В(n, α)7Li , 6Li(n, α)3H и 3He(n, p)1H ] с регистрацией a-частиц и протонов; деления тяжёлых ядер с регистрацией осколков деления; радиационный захват нейтронов ядрами (n, γ) с регистрацией γ-квантов, а также возбуждения искусственной радиоактивности. Для регистрации a-частиц, протонов и осколков деления применяются ионизационные камеры и пропорциональные счётчики, которые заполняют газообразным BF3 и др. газами, содержащими В или 3H, либо покрывают их стенки тонким слоем твёрдых В, Li или делящихся веществ. Конструкция и размеры таких камер и счётчиков разнообразны. Пропорциональные счётчики могут достигать 50 мм в диаметре и 2 м длины. Наибольшей эффективностью к тепловым нейтронам обладают нейтронные детекторы, содержащие 10B или 3He. Для регистрации медленных нейтронов используются также сцинтилляционные счётчики (на кристаллах LiI с примесью Eu, на сцинтиллирующих литиевых стеклах, либо смеси борсодержащих веществ и сцинтиллятора ZnS). Эффективность регистрации быстрых нейтронов перечисленными детекторами в сотни раз меньше, поэтому быстрые нейтроны предварительно замедляют в парафиновом блоке, окружающем нейтронный детектор. Специально подобранные форма и размеры блоков позволяют получить практически постоянную эффективность регистрации нейтронов в диапазоне энергии от нескольких кэВ до 20 МэВ (всеволновой счётчик). При непосредственном детектировании нейтронов с энергиями ~ 100 кэВ обычно используется упругое рассеяние нейтронов в водороде или гелии или регистрируются ядра отдачи. Так как энергия последних зависит от энергии нейтронов, то такие нейтронные детекторы позволяют измерять энергетический спектр нейтронов. Сцинтилляционные нейтронные детекторы также могут регистрировать быстрые нейтроны по протонам отдачи в органических и водородсодержащих жидких сцинтилляторах. Некоторые тяжёлые ядра, например 238U и 232Th, делятся только под действием быстрых нейтронов. Это позволяет создавать пороговые детекторы, служащие для регистрации быстрых нейтронов на фоне тепловых._Для регистрации продуктов ядерных реакций нейтронов с ядрами В и Li, протонов отдачи и осколков деления используются также ядерные фотографические эмульсии. Этот метод особенно удобен в дозиметрии, так как позволяет определить суммарное число нейтронов за время облучения. При делении ядер энергия осколков столь велика, что они производят заметные механические разрушения. На этом основан один из способов их обнаружения: осколки деления замедляются в стекле, которое затем травится плавиковой кислотой; в результате следы осколков можно наблюдать под микроскопом. Возбуждение искусственной радиоактивности под действием нейтронов используется для регистрации нейтронов, особенно при измерениях плотности потока нейтронов, так как число распадов (активность) пропорционально потоку нейтронов, прошедшему через вещество (измерение активности можно производить после прекращения облучения нейтронами). Существует большое количество различных изотопов, применяемых в качестве радиоактивных индикаторов нейтронов разных энергий E . В тепловой области энергий наибольшее распространение имеют 55Mn, 107Ag, 197Au: для регистрации резонансных нейтронов применяют 55Mn (E = 300 эВ), 59Co (E =100 эВ), 103Rh, 115In (E = 1,5 эВ), 127I (E = 35 эВ), 107Ag, 197Au (E = 5 эВ). В области больших энергий используют пороговые детекторы 12C (E = 20 МэВ), 32S (E = 0,9 МэВ) и 63Cu (E = 10 МэВ)._

Метод регистрации заряженных частиц с помощью подсчета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS) считается одним из первых методов регистрации ядерных излучений.

Этот метод заключается в следующем.

Сцинтилляциями вспышками называют отдельные кратковременные вспышки света, которые можно заметить, наблюдая через увеличительное секло за поверхностью экрана из сернистого цинка, облучаемого a-частицами. Отдельной a-частицей, попадающей на экран создаётся каждая из этих сцентилляций. Эти явления впервые были обнаружены ещё в 1903 г. Круксом и другими. Для возможности подсчёта a-частиц Крукс изобрёл прибор, названный спинтарископом Крукса.

В дальнейшем визуальный метод сцинтилляций был использован в основном для регистрации a-частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электронвольт регистрировать не удалось. Так как отдельные быстрые электроны вызывают очень слабые сцинтилляции, их зарегистрировать не удалось.

То, что гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение, позволило регистрировать a-частицы в присутствии сильного g-излучения.

Лишь когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов, при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки.

Метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальных качеств экспериментатора, но он позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени. Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту.

С помощью визуального метода сцинтилляций Резерфорд регистрировал a-частицы при их рассеянии на атомах, эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их a-частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра. Таким образом, несмотря на недостатки, визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики и имел большое значение вплоть до тридцатых годов, до тех пор, пока появление новых методов регистрации ядерных излучений не исследователей заставило на некоторое время забыть его.

В конце сороковых годов XX века сцинтилляционный метод регистрации возродился на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 10 8 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализировать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и g-лучи.

Сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), источника электрического питания ФЭУ и радиотехнической аппаратуры, обеспечивающей усиление и регистрацию импульсов ФЭУ, называют сцинтилляционным счетчиком. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод).

В качестве в сцетилляционных счётчиках используются:

• жидкие органические сцинтилляторы,
• твердые пластмассовые сцинтилляторы,
• органические кристаллы,
• газовые сцинтилляторы.

Рассмотрим принцип работы сцинтилляционного счетчика.

Попадая в сцинтиллятор, заряженная частица производит ионизацию и возбуждение его молекул. Через очень короткое время (10 -6 - 10 -9 сек) эти молекулы переходят в стабильное состояние, испуская фотоны - возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны, которые под действием приложенного к ФЭУ напряжения, фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. В результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой.

Свойствами как сцинтиллятора и ФЭУ определяются амплитуда и длительность импульса на выходе.

Необходимо, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ.

Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой. данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования

где - внешний спектр сцинтиллятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора.

4) Сцинтилляционная эффективность.

При сравнении сцинтилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводят понятие сцинтилляционной эффективности, которая учитывает число фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энергии и чувствительность данного ФЭУ к этим фотонам и определяется следующим выражением:

На практике сцинтилляционную эффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, принятого за эталон.

5) Интенсивность сцинтилляции.

Интенсивность сцинтилляции изменяется со временем по экспоненциальному закону

где I 0 - максимальное значение интенсивности сцинтилляции; t 0 - постоянная времени затухания, определяемая как время, в течение которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз.

Число фотонов света n, испущенных за время t после попадания регистрируемой частицы, выражается формулой

где - полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции.

Процессы люминесценции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции (высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек, интервал 10 -8 сек выбран потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов) и фосфоресценции (люминесценции, которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения).

При рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении возникает Фосфоресценция кристаллофосфоров. В некоторых кристаллах возможно затягивание послесвечения за счет того, что электроны и дырки захватываются “ловушками”, из которых они могут освободиться, лишь получив дополнительную необходимую энергию. Отсюда очевидна зависимость длительности фосфоресценции от температуры. В случае сложных органических молекул фосфоресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии, вероятность перехода из которого в основное состояние может быть малой. И в этом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфоресценции от температуры.

Длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флуоресценции существенно зависит от него. Так при возбуждении кристалла a-частицами выход флуоресценции почти на порядок меньше, чем при фотовозбуждении.

Для регистрации g-кванта или нейтрона необходимо, чтобы они прореагировали с веществом детектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества на пути g-лучей или нейтронов, тем большей будет вероятность их поглощения, тем большей будет эффективность их регистрации. В настоящее время при использовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности регистрации g-лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенными веществами (10 В, 6 Li и др.) также намного превышает эффективность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков.

Длительность импульса в зависимости от используемых сцинтилляторов простирается от 10 -6 до 10 -9 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самостоятельным разрядом, что позволяет осуществлять намного большие скорости счета. Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10 -9 -10 -8 сек). Это позволяет использовать схемы совпадений с малым разрешающим временем (<10 -8 сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

Это означает возможность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших энергий (космические лучи), а также частиц, слабо взаимодействующих с веществом (нейтрино).

Для регистрации медленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленных нейтронов с 6 Li идет реакция 6 Li(n,a) 3 Н, в которой выделяется энергия в 4,8 Мэв.

В самом деле, для легких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе.

С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным анализаторам, можно изучать спектры электронов и g-лучей. Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (a-частицы и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц. Это иллюстрируется графиками на рис.1 и 2.

Для регистрации ядерных излучений наибольшее распространение получили следующие органические кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладает достаточно большим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3 10 -8 сек). Но при регистрации тяжелых заряженных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтилляции наблюдается лишь при довольно больших энергиях частиц. Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым выходом, чем антрацен, но зато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (7 10 -9 сек), чем у антрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения.

Так как по сравнению с силами, действующими в неорганических кристаллах молекулярные силы связи в органических кристаллах малы, взаимодействующие молекулы практически не возмущают энергетические электронные уровни друг у друга и процесс люминесценции органического кристалла является процессом, характерным для отдельных молекул.

В основном электронном состоянии молекула имеет несколько колебательных уровней. Под воздействием регистрируемого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние, которому также соответствует несколько колебательных уровней. Также возможны ионизация и диссоциация молекул. В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, как правило, образуется в возбужденном состоянии. Первоначально возбужденная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время (~10 -11 сек) испускает фотон высокой энергии, который поглощается другой молекулой, причем часть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движение и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией по сравнению с предыдущим. После нескольких циклов испускания и поглощения образуются молекулы, находящиеся на первом возбужденном уровне, которые испускают фотоны, энергия которых может оказаться уже недостаточной для возбуждения других молекул и, таким образом, кристалл будет прозрачным для возникающего излучения.

На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода c (в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2, дейтонов 3 и a-частиц 4.

Рис. 2. Зависимость светового выхода

антрацена от энергии для различных частиц.

Благодаря тому, что большая часть энергии возбуждения расходуется на тепловое движение, световой выход (конверсионная эффективность) кристалла сравнительно невелик и составляет несколько процентов.

Неорганические сцинтилляторы - кристаллы неорганических солей.

Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов.

Представим процесс возникновения сцинтилляции при помощи зонной теории твердого тела.

В невзаимодействующем с другими отдельном атоме, электроны находятся на вполне определенных дискретных энергетических уровнях. В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях, и их взаимодействие достаточно сильно. Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Валентная зона является самой внешней разрешенной зоной, заполненной электронами. Выше ее располагается свободная зона - зона проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, энергетическая ширина которой составляет несколько электронвольт.

В случае, если в кристалле имеются какие-либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, возможно появление энергетических электронных уровней, расположенных в запрещенной зоне. Электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости при внешнем воздействии, например при прохождении через кристалл быстрой заряженной частицы, тогда в валентной зоне останутся свободные места, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и называемые дырками. Мы описали процесс возбуждения кристалла.

Путем обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону, происходит рекомендация электронов и дырок, возбуждение снимается. Во многих кристаллах переход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанные центры обусловливаются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому световой выход для него много больше, чем для чистого, беспримесного кристалла.

Для увеличения светового выхода неорганических сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами. Так, например, в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий.

Сцинтиллятор, построенный на основе кристалла NaJ(Tl), обладает большим световым выходом и имеет значильтельные преимущества по сравнению с газонаполненными счетчиками: большую эффективность регистрации g-лучей (с большими кристаллами эффективность регистрации может достигать десятков процентов), малую длительность сцинтилляции (2,5 10 -7 сек) и линейную связь между амплитудой импульса и величиной энергии, потерянной заряженной частицей.

Световой выход сцинтиллятора зависит от удельных потерь энергии заряженной частицы.

Рис. 1. Зависимость светового выхода

кристалла NaJ (T1) от энергии частиц.

Значительные нарушения кристаллической решетки сцинтиллятора, возможные при очень больших величинах, приводят к возникновению локальных центров тушения. Это может привести к относительному уменьшению светового выхода. Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что для тяжелых частиц выход нелинеен, а линейная зависимость начинает проявляться только с энергии в несколько миллионов электронвольт. На рис.1 приведены кривые зависимости c от Е: кривая 1 для электронов, кривая 2для a частиц.

Кроме указанных щелочно-галоидных сцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4 , CdWO 4 и др.

Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем прозрачном веществе (растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе). Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов, поэтому, так как растворителя много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам сцинтиллятора. Раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора, так как концентрация сцинтиллятора мала.

Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцинтилляторы, приготовленные растворением антрацена в полистироле. Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле.

Спектр испускания растворителя должен быть более жестким, чем спектр поглощения растворенного вещества или совпадать с ним.

Экспериментальные факты показывают, что энергия возбуждения растворителя передается молекулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма, т. е. молекулы растворителя испускают фотоны, которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества.

По сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами пластмассовые сцинтилляторы имеют значительные преимущества:

• возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме;

• возможность введения в сцинтиллятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода;
• возможность изготовления сцинтилляторов очень больших размеров;

• возможность введения в сцинтиллятор различных веществ, необходимых в специальных экспериментах (например, при исследовании нейтронов);

Жидкие органические сцинтилляторы - это растворы органических сцинтиллирующих веществ в некоторых жидких органических растворителях. Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах аналогичен механизму, происходящему в твердых растворах-сцинтилляторах.

Из жидких веществ наиболее подходящими растворителями оказались ксилол, толуол и фенилциклогексан, а сцинтиллирующими веществами р-терфенил, дифенилоксазол и тетрафенилбутадиен. Изготовленный при растворении р-терфенила в ксилоле при концентрации растворенного вещества 5 г/л сцинтиллятор обладает наибольшим световым выходом.

Основные достоинства жидких сцинтилляторов:

• малая длительность вспышки (~3 10 -9 сек).
• возможность изготовления больших объемов;
• возможность введения в сцинтиллятор веществ, необходимых в специальных экспериментах;

Появление сцинтилляций наблюдалось при прохождении заряженных частиц через различные газы. Газовые сцинтилляторы обладают малой чувствительностью к g-излучению. Наибольшим световым - выходом обладают тяжелые благородные газы (ксенон и криптон), а также смесь ксенона и гелия. Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход, даже больший, чем у чистого ксенона (рис. 3). Ничтожно малые примеси других газов резко уменьшают интенсивность сцинтилляций в благородных газах.

Рис. 3. Зависимость светового выхода газового

сцинтиллятора от соотношения смеси гелия и ксенона.

Длительность вспышек в благородных газах мала (10 -9 -10 -8 сек), а интенсивность вспышек в широком диапазоне пропорциональна потерянной энергии регистрируемых частиц и не зависит от их массы и заряда.

Для приведения в соответствие со спектральной чувствительностью ФЭУ используются светопреобразователи, потому что основная часть спектра люминесценции лежит в области далекого ультрафиолета. Светопреобразватели должны обладать высоким коэффициентом конверсии, оптической прозрачностью в тонких слоях, низкой упругостью насыщенных паров, а также механической и химической устойчивостью. В качестве материалов для светопреобразователей в основном используются различные органические соединения, например: дифенилстильбен (эффективность преобразования около 1), P 1 p’ -кватерфенил (~1), антрацен (0,34) и др. Светопреобразователь наносится тонким слоем на фотокатод ФЭУ. Важным параметром светопреобразователя является его время высвечивания. В этом отношении органические преобразователи являются вполне удовлетворительными (10 -9 сек или несколько единиц на 10 -9 сек). Для увеличения светосбора внутренние стенки камеры сцинтиллятора обычно покрываются светоотражателями (MgO, эмаль на основе окиси титана, фторопласт, окись алюминия и др.).

Фотокатод, фокусирующая система, умножительная система (диноды), анод (коллектор)- основные элементы ФЭУ. Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаченном до высокого вакуума (10 -6 мм рт.ст.).

Фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ для целей спектрометрии ядерных излучений. В качестве материала фотокатода выбирается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при l= 3900¸4200 А, что соответствует, максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов.

Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ.

Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).

Квантовый выход катода, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод также является одной из его характеристик. Величина e может достигать 10-20%.

Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Толщина этого слоя имеет значение. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым, поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода. Также важно обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади.

В сцинтилляционной g-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру, поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов.

Фотокатоды в отечественных ФЭУ делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15¸20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этого используется система электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом.

Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умножения М. Если значение s для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодов равно n, то

A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиления М" , который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току, выходящему из катода

М" = СМ,

где С<1 - коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.

Очень важным является постоянство коэффициента усиления М" ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электронов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектрометров ядерных излучений.

Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (s>1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жалюзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное расположение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обладают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов.

Сфокусированные на первый динод, фотоэлектроны выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в s раз. При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5-7 порядков и попадает на анод - собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения.

На рис.4 приведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод.

Достаточно хорошим коэффициентом вторичной эмиссии является s= 5. Максимальное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350¸400 эв, а для сплавных эмиттеров - при 500¸550 эв. В первом случае s= 12¸14, во втором s=7¸10. В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько меньше.

К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования:

• равномерное распределение света по фотокатоду;
• отсутствие влияния магнитных полей;
• наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде;
• затемнение от света посторонних источников;
• стабильность коэффициента усиления ФЭУ.

При использовании сцинтилляционных счетчиков всегда необходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает оптимально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе.

Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения, который позволяет подавать на каждый электрод соответствующий потенциал. Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов делителя. Положительный полюс и другой конец делителя заземляются. Сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптимальный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи, идущие через ФЭУ.

Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором.

1-жидкий сцинтиллятор;

3-светозащитный кожух.

При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном режиме на выходе ФЭУ возникают короткие (~10 -8 сек) импульсы, амплитуда которых может составлять несколько единиц или несколько десятков вольт. При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие изменения, так как ток через делитель не успевает восполнить заряд, уносимый с каскада электронами. Чтобы избежать таких колебаний потенциалов, несколько последних сопротивлений делителя шунтируются емкостями. За счет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная электроннооптическая система, соответствующая оптимальному режиму.

В электроннооптической системе траектория электрона не зависит от пропорционального изменения потенциалов на всех электродах, образующих данную электроннооптическую систему. Так и в умножителе при изменении напряжения питания изменяется лишь коэффициент усиления его, но электроннооптические свойства остаются неизменными.

При непропорциональном изменении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изменяются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал

Рис. 7. Часть схемы делителя.

одного из динодов по отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным, либо с помощью дополнительной батареи, либо с помощью дополнительно стабилизированного делителя. На рис.7 приведена часть схемы делителя, где между динодами D 5 и D 6 включена дополнительная батарея (U б = 90 в). Для получения наилучшего эффекта самостабилизации необходимо подобрать величину сопротивления R". Обычно R" больше R в 3- 4 раза.

Даже при отсутствии внешнего облучения в сцинтилляционных счетчиках возможно появление большого числа импульсов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют небольшие амплитуды и носят название шумовых.

Наибольшее число шумовых импульсов обусловливается появлением термоэлектронов из фотокатода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации излучений, создающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы.

Рис. 5. Схема для подавления шумов ФЭУ.

Рассмотрим следующий пример:

Для регистрации импульсов с амплитуд, сравнимой с шумовыми импульсами, рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ, включенными в схему совпадений (рис. 5).

Тогда происходит временная селекция импульсов, возникших от регистрируемой частицы - вспышка света, возникшая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одновременно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в каждом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зарегистрированы схемой совпадений. Такой способ позволяет уменьшать собственный фон ФЭУ на 2-3 порядка.

Число шумовых импульсов зависит от величины приложенного напряжения, и ратёт с его ростом сначала довольно медленно, затем возрастание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона является автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ.

Возникновение свечения как остаточного газа, так и конструктивных материалов возможно в районе анода. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопровождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10 -8¸ 10 -7 сек.

Сцинтиллятор не может быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ в некоторых экспериментах, например при измерениях в вакууме, в магнитных полях, в сильных полях ионизирующих излучений, тогда для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод. В качестве светопроводов применяются полированные стержни из прозрачных материалов - таких, как люсит, плексиглас, полистирол, а также металлические или плексигласовые трубки, заполненные прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых экспериментах необходимо использовать изогнутые светопроводы. Лучше применять светопроводы с большим радиусом кривизны. Светопроводы позволяют также сочленять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров. При этом используются конусообразные светопроводы. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором производится либо через светопровод, либо непосредственным контактом с жидкостью. На рис.6 приведен пример сочленения ФЭУ с жидким сцинтиллятором. В различных режимах работы на ФЭУ подается напряжение от 1000 до 2500в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зависит от напряжения, то источник питающего тока должен быть хорошо стабилизирован. Кроме того, возможно осуществление самостабилизации.

Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного конца плоским стеклом. Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой материала, отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу. Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85-0,90), используется также алюминий (0,55-0,85).

На тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов должно быть обращено особое внимание. Так, например, наиболее часто используемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги желтеет и теряет свои сцинтилляционные свойства. Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковывать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все твердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилляции. Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт.

Впервые фотографирование следов ионизирующих частиц в люминесцирующих веществах с помощью чувствительных электроннооптических преобразователей (ЭОП) было произведено в 1952 г. советскими физиками Завойским. Первые опыты были произведены при использовании кристалла CsJ (Tl).

Этот метод регистрации частиц, названный люминесцентной камерой, имеет высокую разрешающую способность по времени.

Сегодня для изготовления люминесцентной камеры используют пластмассовые сцинтилляторы в виде длинных тонких стерженьков (нитей), которые укладываются в виде стопки рядами так, что нити в двух соседних рядах расположены под прямым углом друг к другу. Этим обеспечивается возможность стереоскопического наблюдения для воссоздания пространственной траектории частиц. Изображения от каждой из двух групп взаимно перпендикулярных нитей направляются на отдельные электроннооптические преобразователи. Нити играют также роль светопроводов. Свет дают только те нити, которые пересекает частица. Этот свет выходит через торцы соответствующих нитей, которые фотографируются. Изготовляются системы с диаметром отдельных нитей от 0,5 до 1,0 мм.

Изучение квантовых характеристик возбужденных состояний ядер является одной из главных задач ядерной физики. Образующиеся при радиоактивном распаде или в различных ядерных реакциях ядра часто оказываются в возбужденном состоянии. Очень важной характеристикой возбужденного состояния ядра является время его жизни t. Знание этой величины позволяет получать многие сведения о структуре ядра.

Атомные ядра могут находиться в возбужденном состоянии различные времена. Для измерения этих времен существуют различные методы. Очень удобными для измерения времен жизни уровней ядер от нескольких секунд до очень малых долей секунды оказались сцинтилляционные счетчики.

Рассмотрим в качестве примера использования сцинтилляционных счетчиков для измерения времени жизни возбуждённых состояний ядер метод задержанных совпадений.

Пусть ядро A (см. рис.10) путем b-распада превращается в ядро В в возбужденном состоянии, которое избыток своей энергии отдает на последовательное испускание двух g-квантов (g 1 ,g 2). Требуется определить время жизни возбужденного состояния I .

Препарат, содержащий изотоп A, устанавливается между двумя счетчиками с кристаллами NaJ(Tl) (рис.8). Импульсы, возникшие на выходе ФЭУ, подаются на схему быстрых совпадений с разрешающим временем ~10 -8 -10 -7 сек. Кроме того, импульсы подаются на линейные усилители и далее на амплитудные анализаторы. Последние настраиваются таким образом, что они пропускают импульсы определенной амплитуды. Для нашей цели, т.е. для цели измерения времени жизни уровня I (см. рис. 10), амплитудный анализатор AAI должен пропускать только импульсы, соответствующие энергии квантов g 1 а анализатор AAII - g 2 .

Рис.8. Принципиальная схема для определения

времени жизни возбужденных состояний ядер.

Далее импульсы с анализаторов, а также с быстрой схемы совпадений подаются на медленную (t~10 -6 сёк) схему тройных совпадений. В эксперименте изучаются зависимость числа тройных совпадений от величины временной задержки импульса, включенной в первый канал схемы быстрых совпадений. Обычно задержка импульса осуществляется с помощью так называемой переменной линии задержки ЛЗ (рис.8). Линия задержки должна включаться именно в тот канал, в котором регистрируется квант g 1 , так как он испускается раньше кванта g 2 . В результате эксперимента строится полулогарифмический график зависимости числа тройных совпадений от времени задержки (рис.9), и уже по нему определяется время жизни возбужденного уровня I (так же, как это делается при определении периода полураспада с помощью одиночного детектора).

Используя сцинтилляционные счетчики с кристаллом NaJ(Tl) и рассмотренную схему быстро-медленных совпадений, можно измерять времена жизни 10 -7 -10 -9 сек. Если же использовать более быстрые органические сцинтилляторы, то можно измерять и меньшие времена жизни возбужденных состояний (до 10 -11 сек ).

Рис.9. Зависимость числа совпадений от величины задержки.

Практически все свойства нейтрино - самая загадочная из элементарных частиц -получены из косвенных данных.

Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (n-частица). При электронном распаде испускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

Некоторые эксперименты позволяют утверждать, что. Современная теория b-распада предполагает, что масса нейтрино mn равна нулю. Спин нейтрино равен 1/2, магнитный момент <10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю.

Надежду на обнаружение антинейтрино вселило создание ядерных реакторов, в которых образуется очень большое количество ядер с избытком нейтронов. Все нейтронноизбыточные ядра распадаются с испусканием электронов, а следовательно, и антинейтрино. Вблизи ядерного реактора мощностью в несколько сотен тысяч киловатт поток антинейтрино составляет 10 13 см -2· сек -1 - поток огромной плотности, и при выборе подходящего детектора антинейтрино можно было попытаться их обнаружить. Такая попытка была осуществлена Рейнесом и Коуэном в 1954 г. Авторы использовали следующую реакцию:

n+ p ® n + e + (1)

этой реакции частицами-продуктами являются позитрон и нейтрон, которые могут быть зарегистрированы.

Жидкий сцинтиллятор, объемом ~1м 3 , с высоким содержанием водорода, насыщенный кадмием служил детектором и одновременно водородной мишенью. Позитроны, возникающие в реакции (1), аннигилировали в два g-кванта с энергией 511 кэв каждый и обусловливали появление первой вспышки сцинтиллятора. Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедлялся и захватывался кадмием. При этом захвате кадмием испускалось несколько g-квантов с суммарной энергией около 9 Мэв. В результате в сцинтилляторе возникала вторая вспышка. Измерялись запаздывающие совпадения двух импульсов. Для регистрации вспышек жидкий сцинтиллятор окружался большим количеством ФЭУ.

Скорость счета запаздывающих совпадений составляла три отсчета в час. Из этих данных было получено, что сечение реакции (рис. 1) s = (1,1 ± 0,4)10 -43 см 2 , что близко к расчетной величине.

Сцинтилляционные счетчики очень больших размеров сегодня используются во многих экспериментах, в частности в экспериментах по измерению потоков g-излучений, испускаемых человеком и другими живыми организмами.

Газовые сцинтилляционные счетчики оказались очень удобными для регистрации осколков деления оказались удобными. Очень важным свойством газового сцинтилляционного счетчика является его низкая чувствительность к g-лучам, так как часто появление тяжелых заряженных частиц сопровождается интенсивным потоком g-лучей.

Эксперимент по изучению сечения деления происходит следующим образом: слой изучаемого элемента наносится на какую-то подложку и облучается потоком нейтронов. Конечно, чем больше будет использоваться делящегося вещества, тем больше будет происходить актов деления. Но так как обычно делящиеся вещества (например, трансурановые элементы) являются a-излучателями, то использование их в значительных количествах становится затруднительным из-за большого фона от a-частиц. И если акты деления изучаются с помощью импульсных ионизационных камер, то возможно наложение импульсов от a-частиц на импульсы, возникшие от осколков деления.

Только прибор, обладающий лучшим временным разрешением, позволит использовать большие количества делящегося вещества без наложения импульсов друг на друга. В этом отношении газовые сцинтилляционные счетчики обладают значительным преимуществом по сравнению с импульсными ионизационными камерами, так как длительность импульсов у последних на 2-3 порядка больше, чем у газовых сцинтилляционных счетчиков.

Амплитуды импульсов от осколков деления много больше, чем от a-частиц и поэтому могут быть легко отделены с помощью амплитудного анализатора.

Все чаще в технике для обнаружения дефектов в трубах, рельсах и других больших металлических блоках применяются ядерные излучения, обладающие большой проникающей способностью.

Для этих целей используется источник g-излучения и детектор g-лучей. Наилучшим детектором в этом случае является сцинтилляционный счетчик, обладающий большой эффективностью регистрации.

Такого вида эксперименты приводятся следующим образом. Источник излучения помещается в свинцовый контейнер, из которого через коллиматорное отверстие выходит узкий пучок g-лучей, освещающий трубу, с противоположной стороны которой устанавливается сцинтилляционный счетчик. Источник и счетчик помещаются на подвижный механизм, позволяющий передвигать их вдоль трубы, а также поворачивать около ее оси. Проходя через материал трубы, пучок g-лучей будет частично поглощаться; если труба однородна, поглощение будет всюду одинаковым, и счетчик будет всегда регистрировать одно и то же число (в среднем) g-квантов в единицу времени, если же в каком-то месте трубы имеется раковина, то g-лучи в этом месте будут поглощаться меньше, скорость счета увеличится. Местоположение раковины будет обнаружено.

Кроме перечисленных выше можно привести много примеров подобного использования сцинтилляционных счетчиков.

Литература:

1. Дж.Биркс. Сцинтилляционные счетчики. М., ИЛ, 1955.
2. В.О.Вяземский, И.И. Ломоносов, В.А. Рузин. Сцинтилляционный метод в радиометрии. М.,Госатомиздат, 1961.
3. Ю.А. Егоров. Стинцилляционный метод спектрометрии гамма излучения и быстрых нейтронов. М., Атомиздат, 1963.
4. П.А. Тишкин. Эксперементальные методы ядерной физики(детекторы ядерных излучений).

Издательство Ленинградского Университета, 1970.

5 Г.С. Ландсберга. Элементарный учебник физики (том 3).М., Наука, 1971