Что такое сцинтилляционный детектор

10

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

— детектор частиц, действие к-рого основано на регистрации световых вспышек в видимой или УФ-области, возникающих при прохождении заряж. частиц через сцинтиллятор. Доля энергии, конвертированная в световую вспышку от полной энергии (), потерянной частицей в сцинтиллято-ре, наз. к о н в е р с и о н н о й э ф ф е к т и в н о с т ь ю. Она является осн. параметром С. д. Иногда вместо конверсионной эффективности используют уд. световой выход (свето-выход) — число образованных частицей фотонов на единицу потерянной энергии , или ср. энергию, расходуемую на образование одного фотона, w ф =w/ С к .

Здесь -ср. энергия фотонов световой вспышки ( 3 эВ).

Для наиб. эфф. сцинтилляторов значение С к достигает 0,1-0,3. Конверсионная эффективность зависит от типа регистрируемой частицы и от её уд. потерь энергии. Для данного сцинтиллятора С к может зависеть от темп-ры T, наличия примесей и соотношения разл. компонент в сцинтилляторе.

С. д. обладает спектроскопич. свойствами, т. е. интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в широкой области энергии. Только в области малых энергий, где резко возрастает уд. потеря энергии, световыход падает и пропорциональность нарушается.

Механизмы преобразования энергии частицы в световую вспышку различны для разных сцинтилляторов. В большинстве случаев они могут быть сведены к след. (упрощённой) схеме: 1) ионизация и возбуждение атомов и молекул, образование радикалов; 2) перенос энергии возбуждения к центрам свечения (радиационный, резонансный, экситон-ный, электронно-дырочный); 3) возбуждение и высвечивание центров свечения. Нейтральные частицы регистрируются благодаря передаче энергии заряженным: g-кванты- по электронам и позитронам (см. Гамма-излучение), нейтроны — по протонам отдачи (при упругом рассеянии) или по заряж. частицам, возникающим в ядерных реакциях нейтронов с веществом сцинтиллятора.

Рис. 1. Схема сцинтилляционного детектора: Сц- сцинтиллятор, Св-светопровод, Ф — фотокатод, Д — диноды, А — анод.

Осн. элементы С. д. (рис. 1) — сцинтиллятор и соединённый с ним оптически фоторегистратор, преобразующий энергию световой вспышки в электрич. импульс. В качестве фоторегистратора обычно используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Световые фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают из него электроны, к-рые фокусируются на 1-й динод, размножаются динодной системой в результате процесса вторичной электронной эмиссии и окончательно собираются на аноде ФЭУ, создавая в его цепи электрич. импульс.

Спектрометрич. и амплитудные характеристики С. д. определяются числом электронов, попавших на 1-й динод ФЭУ, к-рое можно рассчитать по ф-ле N 1 =abg/w ф . Здесь а- доля фотонов, попадающих на фотокатод, g-квантовый выход фотокатода (для лучших мультищелоч-ных катодов g = 0,15-0,2), b0,5-0,8 — доля электронов, собранных на 1-й динод. Макс. амплитуда импульса напряжения на сопротивлении в анодной цепи ФЭУ: A макс = N 1 Me/ С, где М- коэф. усиления ФЭУ, С-ёмкость анода; М может достигать значения

10 8 , что позволяет регистрировать события, в результате к-рых на 1-й динод приходит всего 1 электрон. Иногда между сцинтиллятором и ФЭУ устанавливается световод (для улучшения равномерности светового сбора, выноса ФЭУ из области эл.-магн. поля и др.).

Помимо ФЭУ в качестве фоторегистратора могут использоваться вакуумный (в интегральном режиме) или полупроводниковый фотоэлементы. В первых экспериментах при регистрации a-частиц с помощью ZnS световые вспышки регистрировались непосредственно глазом.

Для оптимальной регистрации световой вспышки её спектр и спектральная чувствительность фотокатода долж-

ны быть близки, а сцинтиллятор должен быть прозрачен для излучения. Прозрачность сцинтиллятора характеризуется расстоянием, на к-ром интенсивность его светового излучения уменьшается в результате поглощения в е раз. Для увеличения числа фотонов, падающих на фотокатод ФЭУ, и улучшения равномерности светосбора по объёму сцинтиллятора поверхность последнего покрывают отражателем (MgO, TiO 2 , тефлон) или используют полное внутр. отражение от полиров. граней кристалла.

Интенсивность световой вспышки в зависимости от времени меняется по закону I=I 0 ехр( —t/t), где t — время, за к-рое интенсивность уменьшается в е раз, называемое временем высвечивания сцинтиллятора; t определяет временные характеристики С. д. Время высвечивания определяется процессами преобразования энергии частицы в световую вспышку, и часто из-за неск. процессов возникает неск. компонент с разл. t. Соотношение интенсивностей разл. компонент высвечивания отличается для лёгких (электронов) и тяжёлых (протонов, a-частиц и т. д.) частиц, особенно для органич. сцинтилляторов (см. ниже), что приводит к разл. форме импульса для этих частиц. Это позволяет при регистрации по форме импульса разделять частицы разной природы при одинаковой амплитуде импульса.

Зависимость световыхода от типа регистрируемых частиц характеризуют отношением a/b-отношением световыхода a-частицы и электрона при одинаковых энергиях. Отношение a/b различно для разных типов сцинтилляторов и зависит от энергии частиц.

С. д. применяются как в виде самостоят. детекторов, так и в качестве составных компонентов комбинированных систем детекторов при исследовании разл. процессов с энергиями >= неск. КэВ.

Неорганические сцинтилляторы — монокристаллы с добавкой активатора. Они обладают высокими эффективностью Z, плотностью r и достаточно большой длительностью высвечивания t (табл. 1).

Табл. 1.- Характеристика неорганических сцинтилляторов

Наиб. световыходом обладают кристаллы ZnS(Ag), но они существуют только в виде мелкокристаллич. порошка (кристаллы больших размеров получить не удаётся), прозрачность к-рых для собств. излучения мала. Одним из лучших неорганич. сцинтилляторов является NaI (Tl). Он имеет наибольший после ZnS (Ag) световыход и прозрачен для собств. излучения. Монокристаллы NaI(Tl) могут быть выращены больших размеров (до 500 мм); их недостаток-гигроскопичность, требующая герметизации. Сцинтиллятор CsI(Tl) имеет световыход ниже, но не гигроскопичен. Помимо этих универсально используемых неорганич. сцинтилляторов существует ряд других, применение к-рых диктуется условиями эксперимента — присутствием определ. элементов, большим или, наоборот, малым сечением захвата тепловых нейтронов (см. Нейтронные детекторы )и др. Перспективны сцинтилляторы на основе BaF 2 и Bi 4 Ge 3 O 12 (гигроскопичны, могут быть выращены размерами до неск. десятков см), неактивированные кристаллы галлоидов щелочных металлов при Т-200° С. Напр., кристаллы NaI имеют тот же световыход, что и NaI (Tl) при Т=300 К, но t на порядок меньше. Механизм высвечивания неорганич. сцинтилляторов иллюстрирует зонная диаграмма ионных кристаллов (рис. 2). Внутри запрещённой энергетич. зоны (см. Зонная теория) могут быть дискретные уровни энергии ионов активатора (напр., Тl для NaI), а также других неизбежных примесей и дефектов кристаллич. решётки. При прохождении заряж. частицы электроны могут получать энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в экситонную зону и зону проводимости. Обратные переходы электронов в зону валентности с промежуточным захватом на дискретных уровнях запрещённой зоны приводят к испусканию оптич. фотонов. Поскольку их энергия меньше ширины запрещённой зоны , а плотность дискретных уровней мала, кристалл оказывается для них прозрачным. Световыход зависит от концентрации активатора В (рис. 3). Уменьшение световыхода при больших концентрациях связано с ростом вероятности поглощения фотонов на активаторных уровнях. Время высвечивания t с ростом концентрации активатора до 3•10 -3 уменьшается от 0,35 до 0,22 мкс.

Рис. 2. Зонная диаграмма ионного кристалла.

Рис. 3. Зависимость световыхода С к кристалла NaI от концентрации Тl.

Рис. 4. Спектр импульсов от NaI(Tl) для =661 КэВ.

Большая плотность р и высокий атомный номер Z обусловливают осн. применение С. д. на основе неорганич. сцинтилляторов для регистрации и спектрометрии g-из-лучения (рис. 4). Спектр монохроматич. g-излучения состоит из т. н. пика полного поглощения (полное поглощение g-кванта) и комптоновского распределения (см. Комптона эффект), соотношение к-рых зависит от размера кристалла. Энергетич. разрешение пика полного поглощения складывается из флуктуации числа электронов, собранных на 1-й динод ФЭУ, дисперсии ФЭУ и т. 137 Cs ( =661 КэВ) для лучших кристаллов порядка 7%. С изменением регистрируемой энергии разрешение меняется по закону . Пропорциональность между интенсивностью световой вспышки и «потерянной» энергией при регистрации электронов и у-квантов в NaI (Тl) имеет место при > 100 КэВ. При меньших энергиях световыход сложным образом зависит от уд. потерь энергии.

Органические сцинтилляторы. К ним относятся органич. кристаллы, жидкие и твёрдые растворы сцинтиллирующих веществ в органич. растворителях и полимерах, а также органич. газы (см. Органические проводники).

Табл. 2.- Характеристика органических сцинтилляторов

В органич. сцинтилляторах высвечивание фотонов связано с электронными переходами возбуждённых молекул. Органич. сцинтилляторы характеризуются малой эффективностью Z

6, сравнительно небольшой плотностью р и малой длительностью высвечивания т (табл. 2). Последнее делает их удобными для временных измерений. Наиб. световыход достигается на антрацене, значение к-рого при сравнении с др. органич. сцинтилляторами часто принимается за 1.

На основе пластич. и жидких сцинтилляторов создаются С. д. больших поверхности и объёма и требуемой формы. Как правило, они состоят из 2-3 компонент: прозрачной пластмассы (полистирол, поливинилтолуол, метилметак-рилат) или органич. растворителей (наиб. световыход у ксилола и толуола) и сцинтиллирующей добавки или активатора (p -терфенил, 2,5-дифенилоксазол, тетрафенил-бутадиен, стильбен, нафталин, бифенил) с концентрацией 1 -10 г/л; иногда добавляют т. н. смеситель спектра (5-фенил-2, оксазолил бензол — РОРОР) с концентрацией 0,01-0,5 г/л для согласования спектра световой вспышки со спектральной чувствительностью фотокатода.

Активатор и растворитель подбирают так, чтобы 1-й возбуждённый уровень растворителя был выше 1-го уровня активатора. Тогда возможна передача энергии возбуждения от молекул растворителя к молекулам активатора. При увеличении концентрации активатора световыход сначала возрастает, затем, пройдя через максимум, начинает уменьшаться, что связано с увеличением вероятности самопоглощения света молекулами активатора. В жидкие и пластич. сцинтилляторы можно добавлять (неск. %) др. вещества, напр. исследуемые радиоакт. изотопы или при регистрации тепловых нейтронов Li, В, Gd, Cd.

Световыход органич. сцинтилляторов различен для лёгких и тяжёлых частиц при энергиях < 10 МэВ, a/b0,1. Сцинтилляционный импульс в органич. сцинтилляторах обычно содержит 2 компоненты: быструю (t

10 с) и медленную (t

10 -7 -10 -5 с). Относит. интенсивности компонент зависят от природы частиц, что приводит к различию в форме импульса для тяжёлых и лёгких частиц (рис. 5). На этом различии основан метод регистрации быстрых нейтронов по протонам отдачи на фоне потока g-квантов.

Рис. 5. Форма импульса в органических сцинтилляторах для электронов, протонов и a-частиц.

Зависимость световыхода от уд. потерь энергии описывается ф-лой Биркса:

где А и В — постоянные.

Калибровка С. д. на основе органич. сцинтилляторов осуществляется в области малых энергий с помощью источников конверсионных электронов и g-источников, а в области высоких энергий — с помощью разл. процессов, связанных с релятивистскими частицами (распад остановившихся мюонов, прохождение релятивистскими частицами определ. линейного расстояния и др.).

Высокая прозрачность жидких сцинтилляторов позволяет создавать на их основе С. д. с размерами в неск. метров и массой вплоть до неск. сотен тонн, напр. в экспериментах по регистрации нейтрино. В этом случае часто используется сцинтиллятор на основе уайт-спирита (очищенный керосин). Его прозрачность s = 20 м. На основе уайт-спирита созданы крупнейшие подземные С. д. для комплексного изучения космич. лучей и нейтринной астрофизики: баксан-ский Сцинтилляционный телескоп (330 т), 105-тонный подземный С. д., расположенный в подземном помещении вблизи г. Артёмовск; российско-итальянский С. д. в туннеле под Монбланом (90 т).

Газовые сцинтилляторы — инертные газы и их смеси в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Центрами свечения являются возбуждённые молекулы. Инертные газы характеризуются короткими временами высвечивания (t

10 -8 -10 -9 с) и высоким световыходом, так световыход Хе того же порядка, что и у Nal(Tl). Осн. доля излучения инертных газов лежит в области вакуумного ультрафиолета (l

200 нм), поэтому регистрация таких фотонов требует ФЭУ с кварцевым входным окном либо нанесения на входное окно смесителя спектра (дифенил-стильбен или кватерфенил). Осн. применение газовых С. д.- регистрация a-частиц и осколков деления (см. Деление ядер).

Другие типы С. д. Существ. влияние на световыход сцин-тиллятора оказывает электрич. поле. При приложении достаточно сильного поля возникающие при прохождении заряж. частицы электроны могут приобретать энергию, достаточную для возбуждения и ионизации атомов, что в конечном итоге приведёт к увеличению числа фотонов в световой вспышке. Этот принцип лежит в основе сцин-тилляционного пропорционального счётчика. Его преимущество- высокое энергетич. разрешение в области малых энергий.

При использовании электронно-оптического преобразователя возможно получение фотографии трека частицы в сцинтилляторе (л ю м и н е с ц е н т н а я к а м е р а). Распространены сцинтилляционные камеры, в к-рых в сочетании с электронно-оптич. преобразователем используется система сцинтилляционных волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях (см, Сцинтилляционный детектор на волокнах).

Лит.: Сцинтилляционный метод в радиометрии, М., 1961; Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С., Основы экспериментальных методов ядерной физики, 3 изд., М., 1985; Ляпидевский В. К., Методы детектирования излучений, М., 1987.

И. Р. Барабанов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Сцинтилляционный детектор.

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, был открыт Круксом в 1903 году и представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также полупроводниковые фотодиоды или микроканальные пластины (МКП).

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 сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках используются неорганические кристаллы, органические кристаллы, твердые пластмассовые сцинтилляторы, жидкие органические сцинтилляторы, газовые сцинтилляторы.

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).

Вспышки света регистрируются с помощью светочувствительных устройств

(сенсоров), таких как ; фотоэлектронные умножители (ФЭУ), полупроводниковые фотодиоды или микроканальные пластины (МКП). В результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе сенсора появляется импульс напряжения, который усиливается и регистрируется радиотехнической.

Широкое использование сцинтилляционных детекторов можно объяснить их свойствами:

Наличие сцинтилляторов требуемого объема для любого типа излучений гамма — квантов, нейтронов, заряженных частиц.

Высоким временным разрешением (10 -7 — 10 -9 с.)

Высокой эффективностью регистрации. Сцинтилляционный счетчик с кристаллом NaI(Tl) регистрирует 20 – 40 % от числа попадающих на него гамма — квантов с Е = 662 кэВ, а счетчик Гейгера — Мюллера в тех же условиях лишь 0,5 %.

Относительно простой и дешевой электроникой.

К недостаткам сцинтилляционного метода следует отнести низкую разрешающую способность по энергии (6 — 8 % при энергии 662 кэВ) и сложность обработки спектров полученных на сцинтилляционном спектрометре. Даже для когда изотоп излучает гамма — кванты одной энергии, амплитудный спектр имеет довольно сложный вид.

Сцинтилляторы

Это вещества способные преобразовать энергию ядерных излучений в фотоны – кванты видимого или ультрафиолетового излучения.

Виды процессов люминесценции (высвечивания) фосфора. Причинами, вызывающими люминесценцию, могут быть химические реакции, свет, нагревание, механические напряжения и воздействие заряженных частиц на люминофор. 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). Вещество, которое можно использовать в качестве сцинтиллятора, должно обладать рядом свойств:

Обладать высокой конверсионной эффективностью (высоким энергетическим выходом), т. е. доля поглощенной энергии, которая идет на образование вспышки, должна быть как можно выше. Это отношение лежит в пределах от долей процента до 10 — 15 процентов.

Преобразование энергии в световую вспышку должно быть линейным. Световой выход (число фотонов в сцинтилляторе) должен быть пропорционален поглощенной энергии для широкого диапазона энергий.

Вещество сцинтиллятора должно быть прозрачным к собственному излучению, чтобы оно могло выйти из сцинтиллятора и попасть на сенсор (ФЭУ).

Длительность вспышки должна быть достаточно короткой, чтобы обеспечить необходимое быстродействие. Диапазон длин волн излучения должен как можно лучше перекрываться со спектром поглощения сенсора (фотокатода).

Сцинтилляционные детекторы на основе неорганических кристаллов являются классическими детекторами, используемыми при регистрации гамма и рентгеновского излучения. Основной областью их применения этих кристаллов являются гамма — спектрометрия низких энергий до 3 МэВ и прикладные радиометрические измерения. В 70-х годах неорганические сцинтилляторы стали вытесняться из спектрометрии низких энергий более прецизионными полупроводниковыми детекторами. Однако, неорганические сцинтилляторы остаются вне конкуренции при регистрации малых потоков частиц, не требующих большого разрешения, спектрометрических детекторах больших размеров Монокристаллы NaI(Tl) и CsI(Tl) и сейчас являются базовыми детекторами гамма и рентгеновского излучения, используемыми для решения прикладных задач на основе ядерно — физических методов анализа и контроля, не смотря на появление новых перспективных сцинтиллирующих материалов.

Форма световой вспышки.

В развитии световой вспышки можно выделить три стадии:

передача энергии от налетающей частицы веществу сцинтиллятора (торможение заряженной частицы в веществе);

передача части этой энергии центрам свечения, их возбуждение (сложный процесс, в котором могут быть задействованы различные механизмы);

снятие возбуждения центров свечения путем испускания фотонов.

На первой стадии частица тормозиться, возбуждая и ионизируя среду.

В этом процессе образуются так называемые δ — электроны ( ̴ 1 кэВ), которые, в свою очередь, могут возбуждать и ионизировать вещество сцинтиллятора. На второй стадии происходит как бы разгорание сцинтиллятора, число возбужденных центров достигает максимума за промежуток времени, определяемый некой постоянной времени τ₁. Высвечивание фотонов происходит с постоянной времени τ. Форма светового импульса в этом случае может быть представлена с следующем виде:

Учитывая, что τ > τ₁ форма светового импульса при малых t определяется функцией: 1 — е , при больших t: e , т. е. передний фронт светового импульса определяется постоянной времени τ₁, а спад постоянной τ. Рис 1а.

Приведенное выше выражение описывает так называемый быстрый компонент вспышки. Существуют и более медленные компоненты. В неорганических сцинтилляторах, как правило, присутствуют медленные компоненты вспышки с разными характерными временами спада вплоть до десятков минут о более. Для NaI(Tl) обнаружено порядка десяти медленных компонент. В частности, фосфоресценция с характерным временем 0,15 с, отвечает за 9% всего светового выхода из кристалла. Наличие медленных компонент приводит к так называемому послесвечению кристалла, что накладывает ограничения на работу таких сцинтилляторов в интенсивных потоках излучений.

Рис. 1. Идеализированная форма световой вспышки (а), создаваемая потоком фотонов (б), (с) — потоком электронов на первом диноде.

Свойства сцинтиллятора NaI(Tl). Механизм возникновения световой вспышки.

Один из самых лучших неорганических кристаллов для гамма — спектроскопии

является натрий йод, активированный таллием — NaI(Tl) . Кристалл гигроскопичен, поэтому упакован в герметичную оболочку. Это цилиндр, у которого один торец (окно) прозрачно для входа фотонов сцинтилляционной вспышки. Другие поверхности кристалла, для обеспечения лучшего собирания света, покрываются светоотражательными материалами MgO или Al₂O₃. Для объяснения механизма возникновения светового импульса в твердом неорганическом кристаллическом сцинтилляторе, таким как NaI(Tl), воспользуемся представлением зонной теории строения кристаллов. Рис.2.

Рис.2. Энергетическая диаграмма кристаллического сцинтиллятора с внедренными атомами таллия — активатора.

Под действием быстрой заряженной частицы и вторичных δ — электронов электроны основного вещества кристалла переходят из валентной зоны в зону проводимости (левая часть рис.2). Происходит возбуждение кристалла. Физически это означает отрыв электронов от узлов кристаллической решетки, т. е. их ионизацию (образуется дырка — отсутствие электрона). Электроны и дырки двигаются в кристалле в данном случае независимо. Возвращение электронов в валентную зону напрямую и рекомбинация их с дырками является маловероятным процессом. Однако, если это имеет место, то излучается фотон в ультрафиолетовой области с λ ≤ 155 нм. Видимая область спектра занимает диапазон длин волн от380 нм до 780 нм. Приведем значение произведения фундаментальных констант постоянной Планка и скорости света:

hc = λE_λ ≡ 1240 эВ·нм

Зная энергию фотона можно легко получить соответствующую. Длину волны и наоборот. Видимой области света соответствует диапазон энергий фотонов

E_λ = 3,26 — 1,59 эВ. Итак, если фотон с λ ≤ 155 нм излучается , то вероятность зарегистрировать его ФЭУ ничтожна, так как спектральная чувствительность фотокатода, как правило, лежит в видимой области и вблизи этой области. Более того, вероятность выхода фотона с энергией ≥ 8 эВ из кристалла маловероятна, так как, двигаясь в среде, фотон может провзаимодействовать с электроном в валентной зоне, и поднять его в зону проводимости, т. е. будет иметь место самопоглощения излучения в кристалле. Для того, чтобы избежать самопоглощения и для смещения спектра излучения в видимую область, в кристалл-матрицу вводят примесные атомы — активаторы, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне. В правой части рис.2 схематически показана система уровней атомов Tl -активатора для кристалла NaI(Tl).

Процесс снятия возбуждения кристалла при наличии атомов активатора выглядит следующим образом: дырки дрейфуют по кристаллу и вблизи атома — активатора одна из них нейтрализуется, захватывая электрон от атома активатора, тем самым, ионизируя его. Электроны независимо дрейфуют по кристаллу и один из них, встретив ионизированный атом активатора,

нейтрализует и возбуждает его. Возбуждение активаторного центра снимается путем испускания фотона. Этот фотон, практически не поглощается в среде. (примесных атомов мало, а энергия недостаточна для перевода электрона из

валентной зоны в зону проводимости), выходит из кристалла и попадает на ФЭУ. Типичные времена дрейфа электронов и дырок наносекунды, а время высвечивания возбужденных атомов 50 — 500 нс. Эти длительности и обуславливают постоянные τ и τ₁, приведенные в таблице 1.

Если энергия, переданная узлу кристаллической решетки, недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, то может образоваться экситон, связанное состояние электрона и дырки. В средней части рис.2 показана такая пара — экситон. Двигаясь по кристаллу, экситон может столкнуться с атомом активатором, в результате электрон окажется в валентной зоне, что приведет к излучению фотонов в видимой области спектра.

При возбуждении атомов активатора могут возбуждаться состояния, разрядка которых запрещена правилами отбора. В результате теплового движения может произойти переход атомов в состояния, с которых разрядка в основное состояние разрешена. Таким образом, возникает задержанная флуоресценция. Кроме того существуют механизмы нерадиационного снятия возбуждения, которые не приводят к излучению фотонов. Это так называемые процессы тушения вспышки, которые уменьшают световой выход сцинтиллятора.

Сцинтилляционный детектор: принцип действия

Сцинтилляционные детекторы – это одна из разновидностей измерительной аппаратуры, предназначенной для регистрации элементарных частиц. Их особенностью является то, что считывание происходит за счет использования светочувствительных систем. Впервые данные приборы были использованы в 1944 г. для измерения излучения урана. Существует несколько разновидностей детекторов в зависимости от типа рабочего агента.

Назначение

Сцинтилляционные детекторы широко используются в следующих целях:

• регистрация радиационных загрязнений окружающей среды;
• анализ радиоактивных материалов и другие физико-химические исследования;
• применение в качестве элемента для запуска более сложных детекторных систем;
• спектрометрическое исследование веществ;
• сигнализирующий компонент в системах радиационной защиты (например, дозиметрическая аппаратура, предназначенная для оповещения о вхождении морского судна в зону радиоактивного заражения).

Счетчики могут производить как качественную регистрацию излучения, так и измерять величину его энергии.

Устройство детекторов

Принципиальное устройство сцинтилляционного детектора излучений показано на рисунке ниже.

Основными элементами аппаратуры являются следующие:

• фотоумножитель;
• сцинтиллятор, предназначенный для перевода возбуждения кристаллической решетки в видимый свет и его передачи на оптический преобразователь;
• оптический контакт между первыми двумя устройствами;
• стабилизатор напряжения;
• электронная система для регистрации электрических импульсов.

Существует следующая классификация основных типов сцинтилляционных детекторов по виду вещества, которое флуоресцирует под воздействием излучения:

• Неорганические щелочно-галогенидные счетчики. Они применяются для регистрации альфа-, бета-, гамма- и нейтронных излучений. В промышленности выпускают несколько видов монокристаллов: йодистый натрий, цезий, калий и литий, сернистый цинк, вольфраматы щелочноземельных металлов. Их активируют специальными примесями.
• Органические монокристаллы и прозрачные растворы. К первой группе относятся: антрацен, толан, транс-стильбен, нафталин и другие соединения, ко второй – терфенил, смеси антрацена с нафталином, твердые растворы в пластмассах. Они применяются для временных измерений и для регистрации быстрых нейтронов. Активирующие добавки в органические сцинтилляторы не вносят.
• Газовая среда (He, Ar, Kr, Xe). Такие детекторы используют в основном для регистрации осколков деления тяжелых ядер. Длина волны излучения находится в ультрафиолетовом спектре, поэтому для них требуются соответствующие фотодиоды.

Для сцинтилляционных детекторов нейтронов с кинетической энергией до 100 кэВ применяют кристаллы сернистого цинка, активированные изотопом бора с массовым числом 10 и 6 Li. При регистрации альфа-частиц сернистый цинк наносят тонким слоем на прозрачную подложку.

Среди органических соединений наибольшее распространение получили сцинтилляционные пластмассы. Они представляют собой растворы люминесцирующих веществ в высокомолекулярных пластиках. Чаще всего сцинтилляционные пластмассы изготавливают на основе полистирола. Для регистрации альфа- и бета-излучений применяют тонкие пластинки, а для гамма- и рентгеновских лучей – толстые. Они выпускаются в виде прозрачных полированных цилиндров. По сравнению с другими типами сцинтилляторов пластмассовые обладают рядом преимуществ:

• малое время высвечивания;
• устойчивость к механическим повреждениям, воздействию влаги;
• постоянство характеристик при больших дозах облучения радиацией;
• низкая стоимость;
• простота изготовления;
• высокая эффективность регистрации.

Фотоумножители

Основным функциональным компонентом данной аппаратуры служит фотоумножитель. Он представляет собой систему электродов, смонтированных в трубке из стекла. Для защиты от внешних магнитных полей его помещают в металлический кожух из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Благодаря этому происходит экранирование электромагнитных помех.

В фотоумножителе световая вспышка преобразуется в электрический импульс, а также происходит усиление электрического тока в результате вторичной эмиссии электронов. Величина тока зависит от количества динодов. Фокусировка электронов происходит за счет электростатического поля, зависящего от формы электродов и потенциала между ними. Выбитые заряженные частицы ускоряются в межэлектродном пространстве и, попадая на следующий динод, вызывают очередную эмиссию. Благодаря этому количество электронов возрастает в несколько раз.

Сцинтилляционный детектор: принцип действия

Счетчики работают следующим образом:

1. Заряженная частица попадает в рабочее вещество сцинтиллятора.
2. Происходит ионизация и возбуждение молекул кристалла, раствора или газа.
3. Молекулы испускают фотоны и спустя миллионные доли секунды возвращаются в равновесное состояние.
4. В фотоумножителе вспышка света «наращивается» и попадает на анод.
5. В анодной цепи происходит усиление и измерение электрического тока.

В основе принципа работы сцинтилляционного детектора лежит явление люминесценции. Основной характеристикой данных приборов служит конверсионная эффективность – отношение энергии вспышки света к энергии, потерянной частицей в активном веществе сцинтиллятора.

Достоинства и недостатки

К преимуществам сцинтилляционных детекторов излучения относятся следующие:

• высокая эффективность регистрации, особенно в отношении коротковолновых гамма-лучей с большой энергией;
• хорошее временное разрешение, то есть возможность давать раздельное изображение двух объектов (оно достигает 10 -10 с);
• одновременное измерение энергии регистрируемых частиц;
• возможность изготовления счетчиков различной формы, простота технического решения.

Недостатками данных счетчиков является низкая чувствительность к частицам с невысокой энергией. При их применении в составе спектрометров значительно усложняется обработка полученных данных, так как спектр имеет сложный вид.

Сцинтилляционный детектор

Сцинтилляции — латинское слово — это вспышки видимого света, вызываемые в веществе заряженными частицами. Действие сцинтилляционного детектора основано на регистрации фотонов, испускаемых возбужденными атомами. Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором проведен опыт порассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра.

Не каждый прозрачный материал годится в качестве сцинтиллятора, он должен быть прозрачен для собственного излучения. К таким относятся NaJ(Tl), CsI, органические: антрацен (C₁₄H₁₀), стильбен(C₁₄H₁₂), нафталин(C₁₀H₈). Регистрируемая заряженная частица попадает в кристалл и

тормозится в нем, возбуждая и ионизируя атомы. Последние, переходя в основное состояние, испускают фотоны. Все это за время порядка 10 -7 с. В хороших кристаллах несколько процентов энергии частицы переходит в световую. Кристалл в детекторе окружают отражателем так, что свет выходит только с одной стороны.

Для регистрации слабых световых вспышек используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) (рис.6). Создают оптический контакт между сцинтиллятором и торцом ФЭУ. Фотоны световой вспышки за счет фотоэффекта (см. лекцию) выбивают электроны из фотокатода (1), выполненного в виде тончайшей пленки на внутренней стороне колбы ФЭУ. Эти электроны фокусирующим электрическим полем направляются на промежуточный электрод (2), называемый динодом. Поверхность

динода покрыта материалом с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый падающий электрон выбивает от 3 до 5 вторичных электронов. Всего динодов в ФЭУ более 10, что позволяет усиливать поток электронов в 10 5 и более раз. На аноде ФЭУ (8) возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Замечательной особенностью ФЭУ является хорошо соблюдаемая линейность усиления. Эквивалентная схема сцинтилляционного детектора изображена на рис.7. Уравнение, описывающее форму сигнала, приведено выше (см. формулу (1)). Зависимость тока от времени в этом уравнении определяется динамикой высвечивания сцинтиллятора и выглядит так

где τ — время высвечивания сцинтиллятора. Для неорганических сцинтилляторов это время порядка 10 -7 с, для органических — 10 -8 с, для пластических доходит до 10 -9 с. Амплитуда импульса при потере в сцинтилляторе энергии ΔE примерно равна

где η — световой выход сцинтиллятора (доля энергии, высвечиваемой в виде световой, для антрацена 0.05), ε — квантовый выход фотокатода ФЭУ (среднее число фотоэлектронов, выбиваемых на 1 фотон, величина порядка 0.1), K — коэффициент усиления ФЭУ (10 5 и более), hυ — средняя энергия фотонов, образуемых в сцинтилляторе, C — емкость анода ФЭУ относительно земли (величина порядка 20 пФ), e — заряд электрона. Если взять типовые значения для перечисленных величин и энергию частицы, потерянной в детекторе, 5 МэВ, то амплитуда

получится порядка 10 вольт.

Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ΔE/E обычно не лучше нескольких процентов, так как на образование одного фотоэлектрона требуется энергия hν/(η·ε), равная примерно 500 эВ (сравните с 30 эВ для ионизационной камеры).

Открытие протона в лаборатории Резерфорда (1919г.) произошло путем наблюдения сцинтилляций, вызванных частицами в ядерной реакции α + 14 N → p + 17 O. С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и γ -лучей (на рис.8 форма спектра для моноэнергетических γ -квантов). Они применяются для измерения мощности дозы β — и γ -излучений, а также нейтронов. Достоинства сцинтилляционных счетчиков: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность.

Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом (известен детектор с кристаллом NaJ(Tl) диаметром 0.75 м и длиной 1.5 м, просматриваемый большим числом ФЭУ). В знаменитом опыте Райнеса и Коэна по открытию нейтрино (1956) использовались три жидкостных сцинтиллятора объемом 1400 литров каждый.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: