Реферат: Сцинтилляционные счетчики. Сцинтилляционные счетчики: принцип действия, достоинства и недостатки оборудования
Принцип действия и область применения
В сцинтилляционном счетчике ионизирующее излучение вызывает вспышку света в соответствующем сцинтилляторе, который может быть как твердым, так и жидким. Эта вспышка передается в фотоэлектронный умножитель, который превращает ее в импульс электрического тока. Импульс тока усиливается в последующих ступенях ФЭУ вследствие их высокого коэффициента вторичной эмиссии.
Несмотря на то, что при работе с сцинтилляционными счетчиками в общем случае необходима более сложная электронная аппаратура, эти счетчики обладают по сравнению со счетчиками Гейгера - Мюллера существенными преимуществами.
1. Эффективность для счета рентгеновского и гамма-излучений значительно больше; при благоприятных обстоятельствах она достигает 100%.
2. Световая отдача в некоторых сцинтилляторах пропорциональна энергии возбуждающей частицы или кванта.
3. Временная разрешающая способность более высока.
Сцинтилляционный счетчик является, таким образом, детектором, пригодным для регистрации излучении малой интенсивности, для анализа распределения по энергиям при не слишком высоких требованиях к разрешающей способности и для измерений с помощью схемы совпадений при высокой интенсивности излучения.
Б) Сцинтилляторы
1) Протоны и другие сильно ионизирующие частицы. Если речь идет только о регистрации этих частиц, то одинаково пригодны все виды сцинтилляторов, причем, вследствие их высокой тормозной способности, достаточны слои толщиной порядка миллиметра и еще меньше. Надо, однако, иметь в виду, что световая отдача протонов и б-частиц в органических сцинтилляторах составляет лишь около "/ 10 от световой отдачи электронов той же энергии, в то время как в неорганических сцинтилляторах ZnS и NaJ обе они одного порядка.
Зависимость между энергией световых вспышек и связанной с ней величиной импульсов, а также энергией частиц, переданной сцинтиллятору, для органических веществ, вообще говоря, нелинейна. Для ZnS 1 NaJ и CsJ эта зависимость, однако, близка к линейной. Вследствие хорошей прозрачности для собственного флуоресцентного излучения кристаллы NaJ и CsJ позволяют получить отличную энергетическую разрешающую способность; надо, однако, следить за тем, чтобы поверхность, через которую частицы проникают в кристалл, была очень чистой.
2) Нейтроны. Медленные нейтроны можно обнаруживать, пользуясь реакциями Li6Hs, B10Li" или CdlisCd114. В качестве сцинтилляторов для этой цели применяются монокристаллы из LiJ, порошкообразные смеси, например, 1 весовая часть B 2 O 3 и 5 весовых частей ZnS, их напыляют непосредственно на окошко ФЭУ; также можно применять
Блок-схема сцинтилляционного спектрометра. 1 - сцинтиллятор, 2 - ФЭУ, з - источник высокого напряжения, 4 - катодный повторитель, д - линейный усилитель, 6 - амплитудный анализатор импульсов, 7 - регистрирующий прибор.
ZnS, суспендированный в расплавленном B 2 O 3 , соответствующие соединения бора в сцинтилляторах из искусственных веществ и смеси метилбората или пропионата кадмия с жидкими сцинтилляторами. Если при измерениях нейтронов надо исключить влияние г-излучения, то при тех реакциях, которые вызывают эмиссию тяжелых частиц, надо учитывать указанное выше соотношение для световой отдачи различных сцинтилляторов в зависимости от рода частиц.
Быстрые нейтроны регистрируются с помощью протонов отдачи, образующихся в водородсодержащих веществах. Так как высокое содержание водорода имеет место только в органических сцинтилляторах, то вследствие упомянутых причин уменьшить влияние г-излучения затруднительно. Лучшие результаты достигаются, если процесс образования протонов отдачи отделить от возбуждения сцинтиллятора г-лучами. В этом случае слой последнего должен быть тонким, его толщина определяется пробегом протонов отдачи, так что вероятность регистрации г-излучения существенно уменьшается. В качестве сцинтиллятора в этом случае предпочтительнее применять ZnS. Можно также суспендировать порошкообразный ZnS в прозрачном искусственном веществе, содержащем водород.
Энергетический спектр быстрых нейтронов при помощи сцинтилляторов исследовать почти невозможно. Это объясняется тем, что энергия протонов отдачи может принимать всевозможные значения, вплоть до полной энергии нейтронов, в зависимости оттого, каким образом происходит столкновение.
3) Электроны, в-частицы. Как и для других типов излучений, энергетическая разрешающая способность сцинтиллятора для электронов зависит от соотношения между световой энергией и энергией, переданной сцинтиллятору ионизирующей частицей. Это обусловлено тем, что полуширина кривой распределения величин импульсов, вызванных моноэнергетическими падающими частицами, вследствие статистических колебаний в первом приближении обратно пропорциональна квадратному корню из числа фотоэлектронов, выбитых из фотокатода ФЭУ. Из применяемых в настоящее время сцинтилляторов наибольшие амплитуды импульсов дает NaJ 1 а пз органических сцинтилляторов - антрацен, который при прочих равных условиях дает импульсы примерно в два раза меньшей амплитуды, чем NaJ.
Так как эффективные сечения рассеяния электронов сильно возрастают с увеличением атомного номера, то при применении NaJ 80-90% всех падающих электронов снова рассеивается из кристалла; при применении антрацена этот аффект достигает приблизительно 10%. Рассеянные электроны вызывают импульсы, величина которых меньше величины, отвечающей полной энергии электронов. Вследствие этого количественная оценка в-спектров, полученных при помощи кристаллов из NaJ, весьма затруднительна. Поэтому для в-спектроскопии часто более целесообразно применять органические сцинтилляторы, которые состоят из элементов с малыми атомными номерами.
Обратное рассеяние можно ослабить также следующими приемами. Вещество, в-излучение которого должно исследоваться, или примешивают к сцинтиллятору, если оно не подавляет флуоресцентного излучения, или помещают между двумя поверхностями сцинтилляторов, флуоресцентное Iryny 1 Ienne которых действует на фотокатод, или, наконец, применяют сцинтиллятор с внутренним каналом, в который проходит в-излучение.
Зависимость между световой энергией и энергией, переданной сцинтиллятору излучением, для NaJ линейна. Для всех органических сцинтилляторов это отношение при малой энергии электронов уменьшается. Указанная нелинейность должна учитываться при количественной оценке спектров.
4) Рентгеновское и гамм а-излучение. Процесс взаимодействия электромагнитного излучения с сцинтиллятором в основном состоит из трех элементарных процессов.
При фотоэффекте энергия кванта переходит почти полностью в кинетическую энергию фотоэлектрона, причем она вследствие малого пробега фотоэлектрона в большинстве случаев абсорбируется в сцинтилляторе. Вторичный квант, соответствующий энергии связи электрона, или также поглощается сцинтиллятором, или выходит из него.
В эффекте Комптона электрону передается "только часть энергии кванта. Эта часть с большой вероятностью поглощается в сцинтилляторе. Рассеянный фотон, энергия которого уменьшилась на величину, равную энергии комптон-электрона, также или поглощается сцинтиллятором, или выходит из него.
При образовании пар энергия первичного кванта, за вычетом энергии образования пары, переходит в кинетическую энергию этой пары и в основном поглощается сцинтиллятором. Излучение, образующееся при аннигиляции электрона и позитрона, поглощается в сцинтилляторе или выходит из него.
Энергетическая зависимость эффективных сечений для этих процессов такова, что при малой энергии квантов в основном имеет место фотоэффект; начиная с энергии 1,02 Мае, может наблюдаться образование пар, однако вероятность этого процесса достигает заметной величины лишь при существенно более высоких энергиях. В промежуточной области основную роль играет эффект Комптона.
С увеличением порядкового номера Z эффективные сечения при фотоэффекте и при образовании пар возрастают значительно сильнее, чем при эффекте Комптона. Однако при этом электрону передается:
1) при фотоэффекте, - кроме энергии кванта, переходящей в энергию электрона уже при первичном эффекте, еще только энергия связи фотоэлектрона, отвечающая вторичному излучению, мягкому и легко поглощаемому;
2) при образовании пар - только излучение аннигиляции с дискретной известной энергией. При эффекте Комптона энергия вторичных электронов и рассеянных квантов имеет широкую область возможных значений. Так как" вторичные кванты, как уже было сказано, могут не испытать поглощения и выйти из сцинтиллятора, то для облегчения интерпретации спектров целесообразно по возможности сузить область, в которой преобладает эффект Komhtohj, выбирая сцинтилляторы с большим Ж, например NaJ. Кроме того, отношение энергии света к переданной сцинтиллятору энергии для NaJ практически не зависит от энергии электронов; поэтому во всех сложных процессах, при которых кванты поглощаются, выделяется одинаковое количество света. Такие сложные процессы происходят с тем большей вероятностью, чем больше размеры сцинтиллятора.
Ослабление гамма-лучей в антрацене, ц - коэффициент ослабления; ф - коэффициент фотопоглощения, а - коэффициент комптоновского рассеяния, р - коэффициент образования пар.
Это значит, что для увеличения отношения чиста импульсов в линии к полному числу импульсов в спектре надо увеличивать размеры применяемого сцинтиллятора. Это, однако, дорого обходится. При этом надо обращать внимание на то, что достижимая энергетическая разрешающая способность и практически достижимая световая отдача в больших сцинтилляторах ограничиваются, наряду с другими причинами, недостаточной их прозрачностью для флуоресцентного излучения. NaJ применяется в виде цилиндрических кристаллов стандартного размера 038 мм ч 25 мм Количественная оценка сцинтилляционных спектров рентгеновских и гамма-лучей. На рис. приведены две кривые сцинтилляционных спектров г-лучей, полученные с кристаллом NaJ. Граница эффекта Комптона, м - коэффициент ослабления; ф - коэффициент фотопоглощения, о - коэффициент комптоновского рассеяния, р - коэффициент образования пар комптоновского распределения электронов; рассеянный квант выходит из кристалла) определяется равенством:
где комптопграничная энергия комптоновских электронов, - энергия первичных г-квантов, тес2 - энергия покоящегося электрона.
Для сцинтилляторов с малым Z часть спектра, соответствующая комптонэффекту, соответственно возрастает. Комптоновская область с энергиями ниже граничной часто перекрывается так называемым максимумом обратного рассеяния; оно появляется в результате поглощения в сцинтилляторе комптоновских квантов, возникающих при процессах рассеяния в объектах вблизи сцинтиллятора; соответствующие этим квантам комптоновские электроны не достигают сцинтиллятора. Значение этого максимума определяется из соотношения:
Для уменьшения обратного рассеяния коллиматору первичного излучения придают такую форму, чтобы рассеянное излучение не попадало в сцинтиллятор. Для этого целесообразно поставить перед сцинтиллятором узкую диафрагму, после него - диафрагму с широким отверстием, а объекты, вызывающие рассеяние, располагать на достаточно большом расстоянии. Из тех же соображений лучи, падающие на сцинтиллятор, не должны попадать на ФЭУ, они должны проходить лишь через кожух сцинтиллятора
При исследованиях излучения с малой энергией наблюдается так называемый максимум внутренней конверсии, соответствующий энергии:
Его появление вызвано тем, что при фотоэффекте на йоде, находящемся в кристалле NaJ, возникает рентгеновское ^-излучение, выходящее из поверхностных слоев сцинтиллятора.
При энергиях квантов свыше 1,02 Мае возникают еще два максимума, соответствующие энергиям:
Они возникают в результате выхода из сцинтиллятора одного или обоих квантов аннигиляционного излучения.
Разрешающая способность, которая получается с кристаллами NaJ и при хороших ФЭУ, составляет около 7% для линии с энергией 661 кэв, испускаемой при распаде 137Ba.
Разрешающая способность меняется с изменением энергии W примерно по закону.
Калибровать сцинтилляционные спектрометры принято при помощи источников, энергия излучения которых хорошо известна.
В табл.111,7 приведены некоторые излучатели рентгеновских и Гамма-лучей, пригодные для этой цели.
в) Крепление и монтаж твердых сцинтилляторов. Для повышения световой отдачи и разрешающей способности сцинтиллятора, кроме его прозрачности для люминесцентного излучения, имеет большое значение еще возможно более совершенная оптическая система, срабатывающая независимо от места возникновения вспышки света. Для этого сцинтиллятор окружается тонким слоем диффузно отражающего вещества; свободной остается лишь поверхность, прилегающая к окну ФЭУ. Если поглощение, вызванное этим слоем, влияет на исследуемое излучение, как это имеет место для а- или в-частичек, то приходится удовлетворяться рефлектором из тонкой алюминиевой фольги.
Гигроскопические сцинтилляторы, такие, как NaJ, должны быть герметически защищены. В этом случае окно не рекомендуется делать из плексигласа, так как влага, проникшая после достаточно длительного употребления, может вызвать потускнение кристалла. В качестве оптического контакта между сцинтиллятором и окном ФЭУ применяется силиконовое масло DC 200, которое прозрачно до длины волны 3000 А. Канадский бальзам около 3400 А обладает широкой полосой поглощения, поэтому его можно применять только в тех сцинтилляторах, в которых флуоресцентное излучение достаточно длинноволновое.
Крепление кристалла: а) сплошной кристалл, б) кристалл с просверленным отверстием; 1 - сцинтиллятор), 2-рефлектор, 3 - оптический контакт, 4 - стеклянное окно, S - алюминиевый кожух, 6 - замазка.
Если сцинтиллятор нельзя наложить непосредственно на окно ФЭУ, например, когда оно имеет неплоскую поверхность или когда ФЭУ необходимо отодвинуть от сцинтиллятора, то можно применять светопроводы от сцинтиллятора к ФЭУ в виде цилиндров или конусов из люсита или плексигласа.
Монокристаллические сцинтилляторы из NaJ 1 CsJ 1 LiJ, антрацена и стильбена г) имеются в продаже в готовом виде, т.е. закрепленными в оправу. Не рекомендуется самостоятельно закреплять в оправу сильно гигроскопичные кристаллы, если нет специальных приспособлений для этого. Сцинтилляторы из пластмассовых материалов можно изготовлять из имеющегося в продаже сырья. Они обрабатываются так же, как плексиглас, н полируются затем мелким порошком окиси алюминия.
е) Жидкие сцинтилляторы. В тех случаях, когда существенную роль играет высокая временная разрешающая способность, или необходимы сцинтилляторы большого объема, применяют жидкие сцинтилляторы, у которых, однако, световая отдача приблизительно в два раза меньше, чем у антрацена. В некоторых случаях вещество, излучение которого исследуется, можно добавлять в жидкий сцинтиллятор. Этот метод особенно рекомендуется применять в тех случаях, когда корпускулярное или мягкое волновое излучение сильно поглощается в оправе сцинтиллятора. Вещество, введенное в сцинтиллятор, должно растворяться в нем; оно также не должно мешать флуоресцентному излучению. Укажем два рецепта проверенных жидкостей для сцинтилляторов.
1) Раствор 5 г/л п-терфенила.
Если исследуемое вещество не растворяется в сцинтилля-ционной жидкости, то можно применять желеобразные сцинтилляторы, исключающие седиментацию. Типичные свойства применяемых сцинтилляторов даны в табл.111,8.
В) Фотоэлектронный умножитель.
Имеется большой выбор умножителей разных типов, различающихся чувствительностью фотокатода, числом динодов и усилением по току, а также величиной прозрачной поверхности катода. В общем случае большая поверхность катода является нецелесообразной, так как при этом увеличивается и темновой ток, имеющий порядок величины 10~7 а]). Максимум спектральной чувствительности большинства ФЭУ, предназначенных для сцинтилляционных целей, лежит около 4400 А; имеются, однако, также ФЭУ с кварцевыми окнами, обладающие чувствительностью и в ультрафиолетовой области. Окна большинства ФЭУ плоские, так что сцинтиллятор можно устанавливать непосредственно на них. Для получения хорошей энергетической разрешающей способности целесообразно применять ФЭУ с высокой чувствительностью катода, как это было разъяснено на стр. 371.
Рабочие напряжения большинства ФЭУ лежат между 500 и 1500 е. Обычно не рекомендуется работать при максимальном напряжении, указанном в паспорте, так как в этом случае пространственные заряды могут нарушить линейность усиления. Распределение напряжения между отдельными ступенями ФЭУ также может несколько влиять на его линейность и разрешающую способность. Если нет специальных указаний, то наиболее выгодное распределение подбирают экспериментально. Важную роль играет также возможно полное улавливание фотоэлектронов. По этой причине напряжение между катодом и первым динодом должно быть выше, чем между остальными динодами. Некоторые типы ФЭУ снабжены фокусирующими электродами, расположенными между катодом и первым динодом.
Усиление ФЭУ сильно изменяется под влиянием рассеянных магнитных полей. В некоторых случаях усиление ФЭУ оказалось зависящим от его ориентировки относительно магнитного поля Земли. Поэтому ФЭУ целесообразно экранировать от воздействия магнитных полей; в этом отношении хорошо действует мю-металл.
Если необходимо получить высокую временную разрешающую способность, то применяют такие типы ФЭУ, в которых путь электронов сделан возможно короче, а разброс времени их пролета возможно меньше. Для таких требований ФЭУ с динодами в виде жалюзи малопригодны.
При монтаже ФЭУ надо обеспечить полное экранирование его от света, в том числе и от свечения катодов электронных ламп.
г) Вспомогательные электронные устройства.
а) Высоковольтное питание ФЭУ. Так как коэффициент умножения ФЭУ сильно зависит от величины приложенного напряжения, то необходимо обеспечить хорошую стабилизацию последнего, особенно при амплитудном анализе импульсов. При помощи электронных стабилизаторов высокое напряжение можно поддерживать постоянным в течение нескольких часов с точностью до 0,01 о/о.
Напряжение на отдельные диноды подается с делителя напряжения. При этом ток через делитель должен быть большим по сравнению со средним током через ФЭУ. Между последними динодами надо дополнительно включать конденсаторы, чтобы при прохождении импульса напряжение не падало.
Если катод ФЭУ находится под высоким напряжением, то наряду с другими эффектами могут возникать разряды между катодом и заземленным цилиндрическим экраном, который тесно примыкает к стенкам стеклянной трубки; это вызывает появление ложных импульсов и может привести к разрушению катода. Поэтому потенциал защитного цилиндра целесообразно устанавливать на уровне потенциала катода. Это соображение надо иметь в виду при выборе точки заземления источника высокого напряжения.
б) Линейный усилитель. Непосредственно вблизи ФЭУ - часто в одпом блоке с ним - располагается каскад катодного повторителя, к которому может быть присоединен длинный коаксиальный кабель. Если длина L этого кабеля в метрах меньше чем 3-10" Т А, где T a - время нарастания импульса в секундах "), то кабель можно рассматривать как емкостную нагрузку катодного повторителя. Поэтому желательно применять кабели с малой емкостью. Если кабель длиннее указанного характерного размера, то для предотвращения нежелательных отражений на его конце надо включить сопротивление, равное волновому.
За катодным повторителем, являющимся в основном импедансным преобразователем, обычно следует пропорциональный усилитель, линейно увеличивающий амплитуду импульса. При применении ФЭУ с большим коэффициентом умножения от дополнительного усиления можно отказаться. Это может оказаться существенным при получении коротких времен нарастания импульсов для схем совпадений. Времена нарастания в обычных линейных усилителях имеют порядок 0,2 мксек; усилители с линией задержки значительно менее инерционны, однако их коэффициент усиления значительно ниже, а характеристики часто менее близки к линейным. Линейные усилители для достижения хорошей стабильности и линейности обычно содержат отрицательную обратную связь.
Для подавления низкочастотных помех линейные усилители в большинстве случаев содержат элемент связи с малой постоянной времени, дифференцирующий входной импульс; кроме того, этим достигается разделение импульсов, следующих очень тесно друг за другом, в том случае, когда возможны ошибки в определении амплитуды за счет набегания импульсов друг на друга. Формирование импульсов может осуществляться RC-звеном или линией задержки, закороченной на одном конце. Малая постоянная времени должна, однако, превышать время нарастания импульса так, чтобы достигалась максимальная его амплитуда. Постоянные времени всех других элементов должны быть много больше малой постоянной времени. Это необходимо для предотвращения выбросов импульса, вносящих ошибки в измерение его амплитуды.
При формировании импульсов при помощи линии задержки их вершины получаются плоскими, что удобно для определения амплитуды импульсов; для этой цели достаточна длительность импульса около 1 мксек; такая величина обычно и используется.
Во многих практических случаях необходимо исследовать малые импульсы при наличии больших. При этом усилитель не должен блокироваться большими импульсами, искажающими его режим. Специальные электронные схемы позволяют предотвратить такую блокировку. В продаже имеется много различных конструкций линейных усилителей. Самостоятельное их изготовление требует определенного опыта и вспомогательного оборудования.
в) Амплитудные анализаторы импульсов. Для нахождения функции n распределения амплитуд импульсов V в импульсном спектре в простейшем случае может применяться пороговый дискриминатор,. Это - двухламповая схема с двумя устойчивыми состояниями, с помощью которой можно получить стандартные импульсы во всех случаях, когда входные импульсы превосходят по амплитуде заданное
пороговое значение V 0 . Измеренная частота импульсов Ai равна
Изменяя V 0 на небольшие значения на протяжении всего спектра, можно получить так называемый интегральный спектр. Интересную в большинстве случаев функцию распределения n вычисляют по интегральному спектру, производя дифференцирование, что, однако, является весьма неточным методом. Более удовлетворительные результаты можно получить при непосредственном измерении дифференциального спектра. Для этого используют два пороговых дискриминатора, разность пороговых значений которых равна dV; они регистрируют только импульсы, амплитуды которых лежат в интервале от V 0 до K 0 -f-rfF. Метод легко может быть автоматизирован. В " этом случае пороговое напряжение V 0 непрерывно меняется, и показания прибора, измеряющего среднее значение амплитуды импульсов, записываются самописцем").
В методе анализа амплитуд импульсов, описанном выше, отбрасываются все импульсы, за исключением тех, амплитуды которых лежат между V 0 и V 0 - -dV. При небольшой частоте повторения импульсов и при заданных статистических ошибках это сильно увеличивает время, необходимое для измерений. Рационализация метода заключается в применении большого числа так называемых одноканальных анализаторов, пороговые напряжения которых подобраны таким образом, что перекрывается вся область спектра, интересующая исследователя. Описание таких многоканальных анализаторов можно найти у Хигинботэма.
являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (a-частиц, осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики в начале 20 в. (см. Спинтарископ ). Позднее Сцинтилляционный счётчик был полностью вытеснен ионизационными камерами и пропорциональными счётчиками . Его возвращение в ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки.Принцип действия Сцинтилляционный счётчик состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны (см. Люминесценция ). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны (см. Фотоэлектронная эмиссия ), в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется (см. рис. ). Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, g-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и g-квантов с атомами сцинтиллятора.
В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили пластики, которые легко изготовляются, механически обрабатываются и дают интенсивное свечение. Важной характеристикой сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию (конверсионная эффективность h). Наибольшими значениями hобладают кристаллические сцинтилляторы: , активированный , антрацен и . Др. важной характеристикой является время высвечивания t, которое определяется временем жизни на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется экспоненциально: , где 0 - начальная интенсивность. Для большинства сцинтилляторов t лежит в интервале 10 –9 - 10 –5 сек. Короткими временами свечения обладают пластики (табл. 1). Чем меньше t, тем более быстродействующим может быть сделан Сцинтилляционный счётчик
Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения. Для регистрации медленных нейтронов в сцинтиллятор добавляют или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водородсодержащие сцинтилляторы (см. Нейтронные детекторы ). Для спектрометрии g-квантов и электронов высокой энергии используют Nal (), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером (см. Гамма-излучение ).
Сцинтилляционный счётчик изготавливают со сцинтилляторами разных размеров - объёмом от 1-2 мм 3 до 1-2 м 3 . Чтобы не «потерять» излученный свет, необходим хороший контакт ФЭУ со сцинтиллятором. В Сцинтилляционный счётчик небольших размеров сцинтиллятор непосредственно приклеивается к фотокатоду ФЭУ. Все остальные его стороны покрываются слоем светоотражающего вещества (например, , O 2). В Сцинтилляционный счётчик большого размера используют световоды (обычно из полированного органического стекла).
ФЭУ, предназначенные для Сцинтилляционный счётчик , должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (10 8 -10 8), малым временем собирания электронов (~ 10 –8 сек ) при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени Сцинтилляционный счётчик £10 –9 сек. Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 в.
Табл. 1. - Характеристики некоторых твёрдых и жидких сцинтилляторов,
применяемых в сцинтилляционных счётчиках
| Вещество | Плотность, г/см 3 | Время высвечивания, t, 10 -9 сек.
| | Конверсионная эффективность h, % (для электронов) |
| Кристаллы | ||||
| Антрацен 14 H 10 | 1,25 | 30 | 4450 | 4 |
| Стильбен 14 H 12 | 1,16 | 6 | 4100 | 3 |
| Na () | 3,67 | 250 | 4100 | 6 |
| ZnS () | 4,09 | 11 | 4500 | 10 |
| Csl () | 4,5 | 700 | 5600 | 2 |
| Жидкости | ||||
| Раствор р -терфенила в ксилоле (5 г/л) с добавлением РОРОР 1 (0,1 г/л) | 0,86 | 2 | 3500 | 2 |
| Раствор р -терфенила в толуоле (4 г/л) с добавлением РОРОР (0,1г/л) | 0,86 | 2,7 | 4300 | 2,5 |
| Пластики | ||||
| Полистирол с добавлением р -терфенила (0,9%) и a- O 2 (0,05 весовых %) | 1,06 | 2,2 | 4000 | 1,6 |
| Поливинилтолуол с добавлением 3,4% р -терфенила и 0,1 весовых % РОРОР | 1,1 | 3 | 4300 | 2 |
1 РОРОР - 1,4-ди--бензол. 2 O - 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол.
Достоинства Сцинтилляционный счётчик : высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам Сцинтилляционный счётчик широко применяется в ядерной физике, физике элементарных частиц и космических лучей , в промышленности (радиационный контроль), дозиметрии , радиометрии , геологии, медицине и т. д. Недостатки Сцинтилляционный счётчик : малая чувствительность к частицам низких энергий (£ 1 кэв ), невысокая разрешающая способность по энергии (см. Сцинтилляционный спектрометр ).
Для исследования заряженных частиц малых энергий (< 0,1 Мэв ) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов применяются газы (табл. 2). Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введён в объём газового сцинтиллятора. Однако газовые сцинтилляторы требуют высокой чистоты газа и специального ФЭУ с кварцевыми окнами (значительная часть излучаемого света лежит в ультрафиолетовой области).
Табл. 2. - Характеристики некоторых газов, применяемых в качестве
сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках (при давлении 740 мм
рт. ст.,
для a-частиц с энергией 4,7 Мэв
)
| Газ | Время высвечивания t, сек
| Длина волны в максимуме спектра, | Конверсионная эффективность n, % |
| 3900 | 2 |
Лит.: Бирке Дж., Сцинтилляционные счетчики, пер. с англ., М., 1955; Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, в кн.: Экспериментальные методы ядерной физики, М., 1966; Ритсон Д., Экспериментальные методы в физике высоких энергий, пер. с англ., М., 1964.
Статья про слово "Сцинтилляционный счётчик " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 24381 раз
Сцинтилля́торы - вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов , электронов , альфа-частиц и т. д. ). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений - основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя - ФЭУ , значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.
Характеристики сцинтилляторов
Световыход
Световыход - количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ ). Большим световыходом считается величина 50-70 тыс. фотонов на МэВ. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца).
Спектр высвечивания
Спектр высвечивания должен быть оптимально согласован со светочувствительностью используемого фотоприёмника, чтобы не терять лишний свет. Несогласованный с чувствительностью приёмника спектр высвечивания негативно сказывается на энергетическом разрешении.
Энергетическое разрешение
Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано 1) со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления, 2) с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора, 3) с разбросом высвечиваемого числа фотонов. В результате в набранном спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, её часто можно представить в виде гауссианы с дисперсией σ 2 . В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используются сигма (квадратный корень из дисперсии) и, чаще, полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum ; иногда называется полушириной), отнесённые к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в 2 2 ln 2 ≈ 2 , 355 {\displaystyle 2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2,355} раза больше σ . Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально E −1/2), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 (661.7 кэВ ).
Время высвечивания
Типичная кривая высвечивания неорганического сцинтиллятора, возбуждённого поглощением быстрой заряженной частицы. После кратковременной яркой вспышки свечение относительно медленно затухает.
Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе, возбуждённого прохождением быстрой заряженной частицы энергия преобразуется в световое излучение, называют временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или, в общем случае, как сумма нескольких убывающих экспонент:
I ∼ ∑ i A i exp (− t / τ i) {\displaystyle \displaystyle I\sim \sum _{i}A_{i}\exp(-t/\tau _{i})}Слагаемое в формуле с наибольшей амплитудой A i {\displaystyle \displaystyle A_{i}} и постоянной времени τ i {\displaystyle \tau _{i}} характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Почти все сцинтилляторы после быстрого высвечивании имеют медленно спадающий «хвост» послесвечения, что зачастую является недостатком, с точки зрения временного разрешения, скорости счёта регистрируемых частиц.
Обычно сумму многих экспонент в приведённой формуле с достаточной для практики точностью можно представить в виде суммы двух экспонент:
I = A exp (− t τ f) + B exp (− t τ s) {\displaystyle I=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right)}где τ f {\displaystyle \tau _{f}} постоянная времени «быстрого» высвечивания, τ s {\displaystyle \tau _{s}} постоянная времени «медленного» высвечивания, A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} - амплитуды свечения и послесвечения соответственно.
Амплитуды свечения и послесвечения зависят от энергии, поглощённой в сцинтилляторе, ионизирующей способности быстрых частиц и гамма-квантов. Например, в сцинтилляторах изготовленных из легированного фторида бария амплитуда свечения, вызванного поглощением гамма-кванта существенно превышает амплитуду свечения, вызванного поглощением альфа-частицы , при поглощении которой наоборот, превалирует амплитуда послесвечения. Это явление позволяет различать природу ионизирующего излучения.
Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов - от сотен наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.
Радиационная прочность
Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.
Квенчинг-фактор
Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны , альфа-частицы, тяжёлые ионы , осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы , мюоны или рентген . Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching - «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β -отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.
Неорганические сцинтилляторы
Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода в кристалл вводят так называемый активатор (или допант). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными .
| Время высвечивания, мкс |
Максимум спектра высвечивания, нм |
Коэффициент эффективности (по отношению к антрацену) |
Примечание | |
|---|---|---|---|---|
| NaI () | 0,25 | 410 | 2,0 | гигроскопичен |
| CsI () | 0,5 | 560 | 0,6 | фосфоресценция |
| LiI () | 1,2 | 450 | 0,2 | очень гигроскопичен |
| LiI () | очень гигроскопичен | |||
| ZnS () | 1,0 | 450 | 2,0 | порошок |
| CdS () | 1,0 | 760 | 2,0 | небольшие монокристаллы |
Неорганические керамические сцинтилляторы
Прозрачные керамические сцинтилляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов Al 2 O 3 (Лукалокс), Y 2 O 3 (Иттралокс) и производных оксидов Y 3 Al 5 O 12 и YAlO 3 , а также MgO, BeO.
Органические сцинтилляторы
Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух- − трёхкомпонентные смеси. Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт потери энергии налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в
Аппаратура для различных радиоактивных методов исследования (кроме ЯММ) имеет много общего. Её основная функция - измерение интенсивности нейтронов или гамма-квантов, и потому она содержит электронные схемы для различных методов исследования, базирующиеся в общем на одних и тех же принципах.
Главные отличия аппаратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекторов излучения. Учитывая общую функцию всех типов радиометрической аппаратуры - измерение интенсивности излучения, эту аппаратуру принято называть скважинными радиометрами . Конструктивно все радиометры состоят из скважинного прибора и наземного пульта, соединенных геофизическим кабелем. Упрощенная блок-схема измерительной части радиометрической аппаратуры показана на рисунке 54. Последовательно рассмотрим назначение и устройство отдельных блоков:
Детекторы излучения - важнейшие элементы радиометров. В качестве детекторов излучения в, скважинной аппаратуре применяют газоразрядные или сцинтилляционные счетчики. Газоразрядные счетчики конструктивно представляют собой цилиндрический баллон, по оси которого натянута металлическая нить, служащая анодом (рис. 55). Металлическая боковая поверхность баллона служит катодом. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300 - 400 В до 2 - З кВ.
Счетчики для регистрации гамма-квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органических соединений или с галогенами. При взаимодействии гамма-излучения с катодом из него выбивается электрон. Электрон, попадающий в заполненный газом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т. е., в свою очередь, вырывает электроны из атомов газа, превращая их в положительно заряженные ионы.
Эти электроны, называемые первичными , ускоренные электрическим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т. д. В результате число электронов лавинообразно возрастает, превышая число первичных электронов в тысячи и сотни тысяч раз - в счетчике возникает разряд. При относительно небольшом напряжении общее число электронов пропорционально числу первичных электронов, а следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счетчиком – такие счётчики называются пропорциональными . При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестает зависеть от числа первичных электронов и от энергии регистрируемой частицы - такие называют счетчиками Гейгера-Мюллера.
Для регистрации гамма-квантов в скважинных радиометрах применяют счетчики Гейгера. Их преимущество - больший, чем у пропорциональных счетчиков, выходной сигнал (до нескольких вольт), что упрощает усиление и передачу сигналов на поверхность.
Нейтроны не ионизируют газ в счетчике. Поэтому счетчики, предназначенные для регистрации нейтронов, заполняют газом, в молекулу которого входит вещество, при взаимодействии нейтронов с которым возникают быстрые заряженные частицы, производящие ионизацию. Таким веществом является газ фтористый бор BF 3 или один из изотопов гелия 3 Не. При поглощении медленных нейтронов ядром изотопа 10 В образуется альфа-частица. Поэтому при попадании тепловых и надтепловых нейтронов в счетчик, заполненный соединением бора, возникают альфа-частицы, вызывающие разряд в газовом объеме счетчика и импульс напряжения на его выходе. При захвате нейтронов ядром 3 Не возникает быстрый протон.
Счетчики нейтронов работают в пропорциональном режиме, что позволяет исключить импульсы от гамма-квантов, которые имеют гораздо меньшую величину, чем импульсы от альфа-частиц, или протонов.
Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). При падении гамма-кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбужденные атомы испускают ЭМ-излучение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны.
Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и систему электродов (динодов), размещенную между анодом и катодом (рисунок – Схема сцинтилляционного счётчика: 1 – сцинтиллятор, 2 – корпус, 3 – отражатель, 4 – фотон, 5 – корпус ФЭУ, 6 – фотокатод, 7 – фокусирующий электрод, 8 – диноды, 9 – собирающий электрод (анод), R 1 -R N – делитель напряжения). На диноды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения R l -R N , при этом чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенной между первым и вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может достигать 106 раз и более. Таким образом, при попадании вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ образуется импульс напряжения, через емкость С
подаваемый на вход усилителя.
Сцинтилляционные счетчики
В сцинтилляционном счетчике регистрация заряженной частицы связана с возбуждением атомов и молекул вдоль ее траектории. Возбужденные атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ, называемых фосфорами или люминофорами, часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение заряженной частицы через такое вещество вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в фосфоре в последний добавляют так называемые активаторы. Вид активатора указывают в скобках после обозначения фосфора. Например, кристалл NaI, активированный таллием, обозначают NaI(Tl).
Попадание быстрой заряженной частицы в фосфор вызывает световую вспышку - сцинтилляцию. Последняя преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10 5 -10 6 раз фотоэлектрическим умножителем (ФЭУ). Подобное сочетание двух элементов - фосфора и ФЭУ-используют в сцинтилляционных счетчиках (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Принципиальная схема сцинтилляционного счётчика.
1 – кристалл NaI; 2 – фотокатод; 3 – фокусирующая электронная линза;
4 – эмиттеры (диноды); 5 - анод
Регистрация γ-квантов в сцинтилляционном счетчике происходит благодаря вторичным электронам и позитронам, образующимся при поглощении γ-квантов фосфором. Поскольку фосфоры обладают хорошей оптической прозрачностью, обеспечивающей сбор света на фотокатод ФЭУ со значительного объема фосфора, для регистрации γ-квантов можно применять фосфоры большой толщины. Это обеспечивает высокую эффективность регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком, на порядок и более превышающую эффективность газонаполненных счетчиков.
Фотоэлектронные умножители состоят из фотокатода, умножающих электродов (динодов) ианода (см. рис. 5.7). Потенциал каждого последующего электрода на некоторую величину (около 10 В) превышает потенциал предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними. Фотоны, поступающие из фосфора на фотокатод, выбивают из него несколько десятков или сотен электронов, которые фокусируются и ускоряются электрическим полем и бомбардируют первый динод. При торможении в диноде каждый ускоренный электрон выбивает до 5-10 вторичных электронов. Такой процесс, повторяясь на каждом последующем диноде, обеспечивает умножение электронов до многих миллионов раз.
Сцинтилляционные счетчики в ядерной геологии и геофизике используют для регистрации γ-квантов, реже нейтронов и β-частиц. При регистрации тяжелых заряженных частиц возникает трудность с обеспечением их ввода в фосфор. Поэтому для регистрации α-частиц чаще всего используют ионизационные камеры или торцовые счетчики. Лишь для регистрации α-активности эманации широко применяют сцинтилляционную камеру, внутренние стенки которой покрыты ZnS (Ag) .
Из-за термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых динодов на выходе даже полностью затемненного ФЭУ возникает некоторый темновой ток, создающий небольшие фоновые импульсы. Для их отсечения в схему регистрации вводят дискриминаторы.
Особенности использования сцинтилляционных счетчиков для спектрометрии γ-излучения. При регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком амплитуда импульса на его выходе пропорциональна энергии электрона и позитрона, образовавшихся при взаимодействии кванта с сцинтиллятором. Если при фотоэффекте энергия фотоэлектрона равна энергии кванта (за вычетом небольшой величины - энергии связи К -электрона), то электрону при комптоновском рассеянии и паре электрон-позитрон в эффекте образования пар передается лишь часть энергии кванта. При комптон-эффекте в зависимости от угла рассеяния γ-кванта энергия электрона может меняться в широких пределах (рис. 5.8.), а при эффекте образования пар - кинетическая энергия пары на 1,02 МэВ меньше, чем энергия кванта.
Рис. 5.8. Упрощенная схема распределения энергии вторичных
электронов в люминофоре при: а – фотоэффекте, б – комптоновском рассеянии,
в – образовании пар; N - число импульсов, Е – энергия вторичных электронов.
В результате спектр энергии вторичных частиц, образованных в сцинтилляторе монохроматическим пучком γ-квантов имеет сложный вид. Появление дополнительных линий Е v = 0,51 МэВ и Е у при эффекте образования пар обусловлено тем, что в ряде случаев один или даже оба γ-кванта с энергией 0,51 МэВ, образующихся при аннигиляции позитрона, поглощаются в сцинтилляторе в результате фотоэффекта и вспышка от этих фотоэлектродов сливается со вспышкой от первичной пары электрон-позитрон. Максимальная энергия комптоновского электрона
. (5.17)
Реальное амплитудное распределение импульсов на выходе ФЭУ более расплывчатое, чем спектр электронов на рис. 5.8 из-за статистического характера процессов в фосфоре и ФЭУ. Оно не дискретное, а непрерывное. Типичный аппаратурный спектр изотопа 24 Na (Е Y =1,38 и 2,76 МэВ) приведен на рис.5.9.
Для линии 1,38 МэВ вклад эффекта образования пар ничтожен и соответствующие пики почти незаметны, образуется лишь пик 1,38 МэВ, обусловленный фотоэффектом, а также менее четкий комптоновский пик с энергией 1,17 МэВ. Для линии 2,76 МэВ наблюдаются три пика с энергиями 1,74, 2,25 и 2,76 МэВ. Два первых пика обязаны эффекту образования пар, а последний пик (2,76 МэВ) трем процессам: фотоэффекту, эффекту образования пар, сопровождающемуся поглощением обоих квантов аннигиляции; комптон-эффекту, когда рассеянный квант также поглощается фосфором в результате фотоэффекта. Во всех трех процессах в световую энергию превращается вся энергия кванта. Поэтому этот пик называют пиком полного поглощения.
Форма пика полного поглощения близка к гауссовой кривой. Отношение μ=ΔЕ/Е полуширины пика ΔЕ на половине его высоты к средней энергии Е называют амплитудным разрешением счетчика. Чем меньше μ, тем лучше спектрометр. Значение μ обычно растет с уменьшением энергии и для хороших сцинтилляционных спектрометров при Е v = l,33 МэВ (60 Со) составляет 6%.
Сцинтилляционные счетчики обеспечивают гораздо большую эффективность регистрации γ-квантов (до 30-50 % и более), чем газоразрядные, и дают возможность изучения спектрального состава излучения. К преимуществам сцинтилляционных счетчиков относится также более низкий уровень их собственного и космического фона.
Рис. 5.9. Аппаратурный спектр γ-излучения , содержащий линии
с энергией 1,38 и 2,76 МэВ.
Однако сцинтилляционные счетчики более сложны и требуют более квалифицированного обслуживания, чем разрядные. Это обусловлено большим влиянием температуры на световыход фосфоров, несравненно более высокими требованиями к стабилизации источника питания, а также более сильным изменением характеристик сцинтилляционных счетчиков во времени.