Сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Лекция 15

Сцинтилляционный метод регистрации частиц – один из наиболее старых и простых методов.

Сцинтилляторами называют вещества, способные под действием заряженных частиц и электромагнитного излучения испускать фотоны в видимой или ультрафиолетовой части спектра.

В простейшей форме данный метод был осуществлен в спинтарископе Крукса (рис. 4.1).

На острие иголки 2 помещается источник a-частиц – ничтожное количество Ra. В нижнем конце трубки находится экран 1 из сульфида цинка (ZnS). При ударе a-частицы об экран возникает вспышка сцинтилляции, которую исследователь наблюдает через объектив 3. Этот метод с успехом применялся на раннем этапе развития ядерной физики, с его помощью были открыты и изучены процессы преобразования ядер под действием a-частиц.

Поскольку число сцинтилляций подсчитывалось визуально, то результат будет сильно зависеть от субъективных факторов: тренированности исследователя, утомления и т.п. Естественно, исследовать с помощью такого прибора можно только источники с малой интенсивностью. По мере разработки ионизационных счетчиков визуальный метод счета сцинтилляций был вытеснен.

Широкое распространение метод сцинтилляций получил после создания фотоэлектронных умножителей (ФЭУ в 1948-49 г.г.) – приборов способных регистрировать слабые вспышки света. Это придало методу объективный характер. Современный сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора и ФЭУ.

Решающим для успеха этого метода оказалось применение сцинтилляторов из органических веществ (нафталина, антрацена и др.) и из галогенидов щелочных металлов. Благоприятной особенностью этих веществ является то, что они прозрачны для своей флуоресценции (люминесценции), возбужденной быстрой частицей на своем пути внутри экрана. В сцинтилляторе вспышки света появляются не только под воздействием заряженных частиц, но и под действием g-квантов и нейтронов, так как g-кванты, взаимодействуя с атомами создают при рассеянии электроны отдачи, а нейтроны, взаимодействуя с ядрами, создают ядра отдачи или заряженные частицы в результате (n, a)-, (n, p)-реакций и т.д. Это позволило применить этот метод не только для регистрации a-излучения, но и для b- и g-излучений, нейтронного излучения.

В качестве сцинтилляторов для a-излучения применяются тонкие пленки (7-9 мг/см²) сульфида цинка, активированного серебром, медью.

Для регистрации b-излучения применяются активированные монокристаллы щелочно-галоидных солей NaI, CsI, LiI, вольфраматы Са или Cd, а также органические кристаллы, толщина которых порядка 1 мм.

Для регистрации g-излучения можно применить те же кристаллы, что и для регистрации b-излучения, только толщиной несколько см.

Основной характеристикой сцинтиллятора является конверсионная эффективность – это отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощенной в сцинтилляторе.

Если в сцинтилляторе поглощается энергия W, то число испускаемых фотонов (n) со средней энергией (hν_ср), равно:

n = W∙k/h∙n_ср (4.1)

где k – коэффициент, характеризующий конверсионную эффективностьсцинтиллятора.

Конверсионная эффективность – этоэффективность преобразования в сцинтилляторе энергии ионизирующего излучения в световую энергию вспышки люминесценции.

Обычно спектр фотонов сцинтиллятора лежит в видимой части спектра, поэтому hν_ср» 3 эВ. Значения k для разных сцинтилляторов различны, но не превышают 0,3.

Физическая эффективность – отношение энергии фотонов к поглощенной энергии, или доля поглощенной энергии, которая фактически превращается в световую энергию фотонов.

Техническая эффективность – отношение энергии фотонов, вышедших из сцинтиллятора к поглощенной энергии – доля энергии, соответствующая испускаемому (т.е. вышедшему из сцинтиллятора) свету люминесценции.

Сцинтилляторы (люминофоры) с высокой физической эффективностью, но мало прозрачные для собственного излучения обладают малой технической эффективностью. Особенно жесткие требования к прозрачности предъявляются к сцинтилляторам, используемым в сцинтилляционных спектрометрах. Для сцинтилляторов, используемых в спектрометрах, важно, чтобы конверсионная эффективность не зависела от энергии излучения. Спектр люминесценции должен соответствовать области наибольшей спектральной чувствительности ФЭУ (для сурьмяно-цезиевых фотокатодов 3800-7000Å).

В органических кристаллах при регистрации частиц с высокой удельной ионизацией (a-частицами) наблюдается уменьшение k. Так в антрацене при поглощении b-частицы с энергией 5 МэВ образуется в 10 раз больше фотонов чем при поглощении a-частицы с той же энергией.

Основные характеристики некоторых сцинтилляторов приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 ‒ Основные характеристики некоторых сцинтилляторов

Материал	Тип излучения	Световой выход по отношению к антрацену (по b-излучению)	Конверсионная эффективность, k, %	Время высвечивания (время уменьшения яркости вспышки в е раз), с
ZnS	a		25-30	10^‒5
NaI (Tl) CsI (Tl) CdWO4 CaWО4	b, g b, g b, g b, g	2,1 1,5 2,0 1,0		0,25×10^‒6 10^‒^6 10^‒^6 6×10^‒^6
Нафталин Антрацен Транс-стильбен	b b b	0,25 1,0 0,6	2,8	6×10^‒8 2×10^‒8 7×10^‒9
Толуол Полистирол	b b	0,4 0,3	1,6 1,2	3×10^‒9 4×10^‒9

Схема сцинтилляционного датчика с ФЭУ представлена на рис. 4.2.

Принцип работы детектора. Быстрая частица, попадая в сцинтиллятор, возбуждает его атомы, в результате чего происходит вспышка сцинтилляции. Получаемые в сцинтилляторе фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают там электроны. Эти электроны попадают в ускоряющее электрическое поле внутри ФЭУ. Ускоренный электрон, попадая на первый динод, в результате вторичной эмиссии выбивает из него уже несколько электронов. Полученные электроны снова ускоряются и попадают на второй динод, где происходит то же самое, и т.д.

Общий коэффициент усиления:

K = Lⁿ, (4.2)

где L – коэффициент вторичной эмиссии (размножения на 1 ступени); при напряжении 100-120 В на каскад L = 3-4;

Дата добавления: 2014-01-14