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

Сцинтилляционный счётчик, прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, g -квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого 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 С. с. 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 С. с. 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 h обладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, активированный Tl , антрацен и ZnS. Др. важной характеристикой является время высвечивания t , которое определяется временем жизни на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется экспоненциально: , где I 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 С. с.

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 Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водородсодержащие сцинтилляторы (см. Нейтронные детекторы ). Для спектрометрии g -квантов и электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером (см. Гамма-излучение ).

С. с. 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 С. с. небольших размеров сцинтиллятор непосредственно приклеивается к фотокатоду ФЭУ. Все остальные его стороны покрываются слоем светоотражающего вещества (например, MgO, TiO 2). В С. с. большого размера используют световоды (обычно из полированного органического стекла).

ФЭУ, предназначенные для С. с., 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 С. с. £ 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 C 14 H 10
Стильбен C 14 H 12
Жидкости
Раствор р -терфенила в ксилоле (5 г/л) с добавлением РОРОР 1 (0,1 г/л)
Раствор р -терфенила в толуоле (4 г/л) с добавлением РОРОР (0,1г/л)
Пластики
Полистирол с добавлением р -терфенила (0,9%) и a-NPO 2 (0,05 весовых %)
Поливинилтолуол с добавлением 3,4% р -терфенила и 0,1 весовых % РОРОР

1 РОРОР - 1,4-ди--бензол. 2 NPO - 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол.

Достоинства С. с.: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам С. с. широко применяется в ядерной физике, физике элементарных частиц и космических лучей , в промышленности (радиационный контроль), дозиметрии , радиометрии , геологии, медицине и т. д. Недостатки С. с.: 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 )

	Время высвечивания t ,	Длина волны в максимуме спектра,	Конверсионная эффективность n, %
	3× 10 –9

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.

Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978

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

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.

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 .

Сцинтилляторы

	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