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

Особенности работы

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

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

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

Что применяется вместо фосфора?

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

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

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

Главная характеристика

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

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

Световой выход

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

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

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

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

Данное понятие объединяет в себе несколько аспектов:

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

Различные изменения сцинтилляции

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

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

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

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

Процессы работы фосфора

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

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

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

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

Что представляет собой фосфоресценция?

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

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

Особенности счетчиков

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

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

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

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

Изготовление аппаратов

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

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

Вид конструкции

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

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

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

Упаковка счетчика

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

Преимущества счетчиков

Преимущества сцинтилляционного счетчика состоят в следующих аспектах:

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

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

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

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.

Сцинтилляционный счетчик (рис. 2.3) имеет два основных элемента: сцинтиллятор, реаги­рующий на ядерное излучение вспышки света, и фотоэлектрон­ный умножитель (ФЭУ), преобразующий эти слабые вспышки света в электрические импульсы и усиливающий последние в миллионы раз.

Сцинтилляторы (люминофоры) работают следующим образом. Гамма-квант, попадая в сцинтиллятор, взаимодей­ствует с его атомами (фотоэффект и комптонэффект, образова­ние электронно-позитронных пар), что приводит к возникно­вению свободных зарядов (электронов и позитронов). Этим

. /-сцинтиллятор (люминофор); 2 - отражатель; 3 - ФЭУ; 4 - фотокатод;

5 - фокусирующий динод; й-диноды; 7-собирающий электрод (анод); 8- делитель напряжения

Рис. 2.3 Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика

зарядам передается либо вся энергия кванта (фотоэффект), либо часть ее (комптонэффект, образование пар). Энергия сво­бодных зарядов расходуется на ионизацию и возбуждение ато­мов сцинтиллятора. При переходе из возбужденного состояния в основное атомы сцинтиллятора теряют энергию, полученную при возбуждении, в виде электромагнитных колебаний (свето­вых фотонов) - люминесценции.

Различают два вида люминесценции: флуоресценцию, когда свечение атома происходит почти мгновенно после воз­буждения (10~ 9 -10~ 7 с), и фосфоресценцию, когда воз­бужденные молекулы находятся в метастабильном состоянии неопределенное время. Для сцинтилляционных счетчиков при­годны люминофоры, обладающие флуоресценцией, т. е. корот­ким временем высвечивания.

Образовавшиеся фотоны света в результате взаимодействия ядерных частиц или гамма-квантов со сцинтиллятором разлета­ются во все стороны, частично поглощаясь в толще кристалла сцинтиллятора. В связи с этим только часть фотонов попадает на фотоумножитель, и форма спектра световых фотонов, выхо­дящих из сцинтиллятора, отличается от формы спектра обра­зующих фотонов. Для увеличения числа фотонов, достигающих катода, стенки сцинтиллятора, кроме той, которая контакти­рует с фотокатодом, покрываются фотоотражающим слоем. Хорошие результаты можно получить, поместив кристалл сцинтиллятора в порошок магнезии. Важной особенностью сцинтилляторов является также линейная зависимость их эффек­тивности от энергии исследуемых частиц, что позволяет приме­нять их также при спектроскопических исследованиях естест­венного и искусственного гамма-излучения.

Из многочисленных сцинтилляторов наиболее часто применяются монокристаллы йодистого натрия Nа1 (Т1), которые характеризуются наиболее высо­кой эффективностью счета. Их основной недостаток - высокая гигроскопичность. В случае попадания в кристалл влаги он мутнеет и, следовательно, его эксплуатационные характеристики снижаются. Фотоэлектрический умножитель - устройство (см. рис. 88), соединяющее в себе фотоэлемент и электронный усилитель, действие которого основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Фотоны из сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ.

Электроны, вылетающие из фотокатода, ускоряются элек­трическим полем и через диафрагму устремляются на первый электрод (динод) умножителя. Вследствие вторичной эмиссии каждый упавший электрон выбивает из диода несколько вто­ричных электронов, число которых зависит от приложенной между электродами разности потенциалов. Эти электроны, на­ходясь в поле притяжения второго динода, также ускоряются и вызывают вторичную электронную эмиссию на следующем диноде. Таким образом, происходит скачкообразное увеличение числа электронов на каждом диноде фотоэлектрического умно­жителя. Последним электродом в этой цепи служит анод, ко­торый для устранения ненужной теперь вторичной эмиссии электронов иногда выполняется в виде сетки и окружается эк­раном, соединенным с предпоследним электродом. Число динодов определяет полное усиление электронов фотоумножителя и у современных фотоумножителей колеблется от 8 до 14.

Разрешающее время сцинтилляционных счетчиков зависит от длительности сцинтилляции, а также разброса времен про­лета электронных групп через умножитель и составляет до 10- 9 с.

В зависимости от назначения фотоумножители можно под­разделять на две группы: 1) фотоумножители для интеграль­ного счета сцинтилляций с целью определения ядерных частиц или гамма-квантов; 2) спектрометрические фотоумножители для амплитудного анализа импульсов сцинтилляций с целью определения энергии гамма-квантов.

К фотоумножителям первой группы предъявляются следую­щие требования: достаточно высокая чувствительность фотока­тода, большая величина отношения сигнал/шум и малое разре­шающее время. Спектрометрические фотоумножители должны обладать хорошим амплитудным разрешением и стабильностью работы во времени.

Основные преимущества сцинтилляционных счетчиков:

1) высокая чувствительность (эффективность), в том числе к гамма-лучам; 2) большая разрешающая способность ; 3) способность различать частицы по их энергии и из­мерять ее, т. е. проводить спектрометрию радиоактивных излу­чений. Таким образом, сцинтилляционные счетчики, соединяя в себе положительные качества пропорционального счетчика и счетчика Гейгера - Мюллера, обладают более высокой эф­фективностью и разрешающей способностью.

Недостатки сцинтилляционных счетчиков: 1) высокая чув­ствительность к изменению температуры окружающей среды;

2) повышенные требования к стабильности питающего напря­жения; 3) большой разброс параметров фотоумножителей и из­менение характеристик и параметров фотоумножителей в про­цессе их работы.

1.1 Принцип работы сцинтилляционного счётчика

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

Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Излученный свет собирается – в спектральном диапазоне сцинтиллятора – на фотоприёмник. В качестве последнего часто служит фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель представляет собой стеклянный цилиндр, откаченный до остаточного давления не выше 10-6 мм рт. ст., в торце которого расположено прозрачное плоское окно, на поверхность которого со стороны эвакуируемого объёма нанесён тонкий слой вещества с малой работой выхода электронов (фотокатод), обычно на основе сурьмы и цезия. Далее в эвакуированном пространстве располагается серия электродов – динодов, на которые с помощью делителя напряжения от источника электропитания подаётся последовательно возрастающая разность потенциалов. Диноды ФЭУ изготавливаются из вещества также с малой работой выхода электронов. Они способны при бомбардировке их электронами испускать вторичные электроны в количествах, превышающих число первичных в несколько раз. Последний динод является анодом ФЭУ. Основным параметром ФЭУ является коэффициент усиления при определённом режиме питания. Обычно ФЭУ содержит девять и более динодов и усиление первичного тока достигает для различных умножителей величин 105 – 1010 раз, что позволяет получать электрические сигналы амплитудой от вольт до десятков вольт.

Рис. 1. Блок-схема сцинтилляционного счётчика.

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

В ряде случаев на выходе усилителя наблюдается большое число импульсов (обычно малых по амплитуде), не связанных с регистрацией ядерных частиц, а именно, импульсов собственных шумов ФЭУ и ускорителя. Для устранения шумов между усилителем и счётчиком импульсов включается интегральный амплитудный дискриминатор, пропускающий лишь те импульсы, амплитуды которых больше некоторого значения порогового напряжения.

Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ -квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ -квантов с атомами сцинтиллятора.

- Принцип работы сцинтилляционного счетчика

- Сцинтилляторы

- Фотоэлектронные умножители

- Конструкции сцинтилляционных счетчиков

- Свойства сцинтилляционных счетчиков

- Примеры использования сцинтилляционных счетчиков

- Список использованной литературы

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ

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

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

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

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

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

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

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

§ 1. Принцип работы сцинтилляционного счетчика

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

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

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

В качестве фосфоров используются:

Органические кристаллы,

Жидкие органические сцинтилляторы,

Твердые пластмассовые сцинтилляторы,

Газовые сцинтилляторы.

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

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

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

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

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

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

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

где - полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции.

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

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

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