Сцинтиляційні лічильники. Газорозрядні та сцинтиляційні лічильники: пристрій, принцип дії, типи, що застосовуються, характеристики

Сцинтиляційні лічильники

У сцинтиляційному лічильнику реєстрація зарядженої частки пов'язана із збудженням атомів та молекул уздовж її траєкторії. Збуджені атоми, що живуть короткий час, переходять в основний стан, випромінюючи електромагнітне випромінювання. У ряду прозорих речовин, званих фосфорами чи люмінофорами, частина спектра цього випромінювання посідає світлову область. Проходження зарядженої частки через таку речовину викликає спалах світла. Для збільшення виходу світла та зменшення його поглинання у фосфорі в останній додають так звані активатори. Вид активатора вказують у дужках після позначення фосфору. Наприклад, кристал NaI, активований талієм, позначають NaI(Tl).

Попадання швидкої зарядженої частки у фосфор викликає світловий спалах – сцинтиляцію. Остання перетворюється на електричний імпульс і посилюється в 10 5 -10 6 разів фотоелектричним помножувачем (ФЕУ). Подібне поєднання двох елементів - фосфору та ФЕУ-використовують у сцинтиляційних лічильниках(Рис. 5.7).

Мал. 5.7. Принципова схема сцинтиляційного лічильника.

1 – кристал NaI; 2 – фотокатод; 3 – фокусуюча електронна лінза;

4 – емітери (диноди); 5 - анод

Реєстрація γ-квантів у сцинтиляційному лічильнику відбувається завдяки вторинним електронам та позитронам, що утворюються при поглинанні γ-квантів фосфором. Оскільки фосфори мають хорошу оптичну прозорість, що забезпечує збирання світла на фотокатод ФЕУ зі значного обсягу фосфору, для реєстрації γ-квантів можна застосовувати фосфори великої товщини. Це забезпечує високу ефективність реєстрації γ-квантів сцинтиляційним лічильником, що на порядок і більш перевищує ефективність газонаповнених лічильників.

Фотоелектронні помножувачіскладаються з фотокатода, які множать електродів (динодів) і аноду (див. рис. 5.7). Потенціал кожного наступного електрода на деяку величину (близько 10) перевищує потенціал попереднього, що забезпечує прискорення електронів між ними. Фотони, що надходять із фосфору на фотокатод, вибивають з нього кілька десятків або сотень електронів, які фокусуються та прискорюються електричним полем та бомбардують перший динод. При гальмуванні в діноді кожен прискорений електрон вибиває до 5-10 вторинних електронів. Такий процес, повторюючись кожному наступному диноде, забезпечує множення електронів до багатьох мільйонів разів.

Сцинтиляційні лічильники в ядерній геології та геофізиці використовують для реєстрації γ-квантів , рідше нейтронів та β-частинок. При реєстрації важких заряджених частинок виникає труднощі із забезпеченням їхнього введення у фосфор. Тому для реєстрації α-частинок найчастіше використовують іонізаційні камери або торцеві лічильники. Лише реєстрації α-активності еманації широко застосовують сцинтиляційну камеру, внутрішні стінки якої покриті ZnS (Ag) .

Через термоелектронну емісію фотокатода і перших дінодів на виході навіть повністю затемненого ФЕУ виникає певний темновий струм, що створює невеликі фонові імпульси. Для їх відсікання в схему реєстрації вводять дискримінатори.

Особливості використання сцинтиляційних лічильників для спектрометрії γ-випромінювання.При реєстрації γ-квантів сцинтиляційним лічильником амплітуда імпульсу з його виході пропорційна енергії електрона і позитрона, які утворилися під час взаємодії кванта з сцинтилятором. Якщо при фотоефекті енергія фотоелектрона дорівнює енергії кванта (за вирахуванням невеликої величини - енергії зв'язку До-Електрона), то електрону при комптонівському розсіянні і парі електрон-позитрон в ефекті утворення пар передається лише частина енергії кванта. При комптон-ефекті залежно від кута розсіювання γ-кванта енергія електрона може змінюватися в широких межах (рис. 5.8), а при ефекті утворення пар - кінетична енергія пари на 1,02 МеВ менше, ніж енергія кванта.

Мал. 5.8. Спрощена схема розподілу енергії вторинних

електронів у люмінофорі при: а – фотоефекті, б – комптонівському розсіюванні,

в – освіті пар; N – число імпульсів, Е – енергія вторинних електронів.

В результаті спектр енергії вторинних частинок, утворених в сцинтилятор монохроматичним пучком γ-квантів має складний вигляд. Поява додаткових ліній Е v = 0,51 МеВ та Е упри ефекті утворення пар обумовлено тим, що в ряді випадків один або навіть обидва γ-кванта з енергією 0,51 МеВ, що утворюються при анігіляції позитрона, поглинаються в сцинтиляторі в результаті фотоефекту і спалах від цих фотоелектродів зливається зі спалахом від первинної пари . Максимальна енергія комптонівського електрона

. (5.17)

Реальний амплітудне розподіл імпульсів на виході ФЕУ розпливчастіше, ніж спектр електронів на рис. 5.8 через статистичний характер процесів у фосфорі та ФЕУ. Воно не дискретне, а безперервне. Типовий апаратурний спектр ізотопу 24 Na (Е Y = 1,38 і 2,76 МеВ) наведено на рис.5.9.

Для лінії 1,38 МеВ внесок ефекту утворення пар нікчемний і відповідні піки майже непомітні, утворюється лише пік 1,38 МеВ, обумовлений фотоефектом, а також менш чіткий комптонівський пік з енергією 1,17 МеВ. Для лінії 2,76 МеВ спостерігаються три піки з енергіями 1,74, 2,25 та 2,76 МеВ. Два перших піку зобов'язані ефекту утворення пар, а останній пік (2,76 МеВ) трьом процесам: фотоефекту, ефекту утворення пар, що супроводжується поглинанням обох квантів анігіляції; комптон-ефект, коли розсіяний квант також поглинається фосфором в результаті фотоефекту. У всіх трьох процесах на світлову енергію перетворюється вся енергія кванта. Тому цей пік називають піком повного поглинання.

Форма піку повного поглинання близька до кривої гауса. Ставлення μ=ΔЕ/Епівширини піку ΔЕ на половині його висоти до середньої енергії Еназивають амплітудним дозволомлічильника. Чим менше μ, тим краще спектрометр. Значення μ зазвичай зростає зі зменшенням енергії та для хороших сцинтиляційних спектрометрів при Е v= l,33 МеВ (60 З) становить 6%.

Сцинтиляційні лічильники забезпечують набагато більшу ефективність реєстрації γ-квантів (до 30-50 % і більше), ніж газорозрядні, і дають можливість вивчення спектрального випромінювання. До переваг сцинтиляційних лічильників належить також нижчий рівень їхнього власного та космічного фону.

Мал. 5.9. Апаратурний спектр γ-випромінювання, що містить лінії

з енергією 1,38 та 2,76 МеВ.

Однак сцинтиляційні лічильники складніші і вимагають більш кваліфікованого обслуговування, ніж розрядні. Це зумовлено великим впливом температури на світловихід фосфорів, незрівнянно вищими вимогами до стабілізації джерела живлення, а також сильнішою зміною характеристик сцинтиляційних лічильників у часі.

Лабораторна робота 3

ВИВЧЕННЯ ПРИНЦИПУ ДІЇ СЦИНТИЛЯЦІЙНОГО ДЕТЕКТОРА

Мета роботи: вивчити основи сцинтиляційного методу реєстрації випромінювання; вивчити пристрій сцинтиляційного детектора та визначити ефективність реєстрації гамма – випромінювання Cs – 137.

ПРИСТРІЙ СЦИНТИЛЯЦІЙНОГО ДЕТЕКТОРА

Вступ

Сцинтиляційний метод реєстрації частинок – один із найстаріших методів реєстрації. Ще в 1919 р. у дослідах з розсіяння заряджених частинок на ядрах Е. Резерфорд із співробітниками реєстрували a-частки, візуально спостерігаючи спалахи світла в ZnS(Ag). Однак широкий розвиток сцинтиляційний метод реєстрації частинок отримав лише після винаходу фотоелектронних помножувачів – приладів, які мають здатність реєструвати слабкі спалахи світла.

Один із перших фотомножників був побудований в СРСР на початку 40-х років ХХ ст. І з 1947 р. почався інтенсивний розвиток сцинтиляційного методу реєстрації. Завдяки своїй високій ефективності сцинтиляційні детектори та спектрометри отримали застосування в ядерній фізиці, біології, геології, медицині та інших галузях науки і техніки.

Основними елементами сцинтиляційного детектора є сцинтилятор, фотоелектронний помножувач(ФЕУ), оптична системадля зчленування сцинтилятора та ФЕУ.

При взаємодії з речовиною сцинтилятора заряджені частинки втрачають свою енергію на збудження та іонізацію атомів середовища. Гамма-випромінювання, як випромінювання побічно іонізуюче, саме іонізацію і збудження не виробляє: іонізують і збуджують атоми речовини сцинтилятора електрони, утворені при взаємодії γ-випромінювання з речовиною сцинтилятора. Випромінювання, що виникає при знятті збудження атомів, виходить з середовища у вигляді світлових спалахів-сцинтиляцій, число фотонів в яких залежить як від властивості і розмірів сцинтилятора, так і від виду частинок і енергії, що передається сцинтилятору цими частинками.

Для реєстрації цих сцинтиляцій використовується ФЕУ, що перетворює світлові спалахи на електричні імпульси напруги, що надходять далі у вимірювальний блок.

Основні характеристики сцинтиляторів

Сцинтиляторами зазвичай називають такі речовини, які під дією іонізуючого випромінювання випромінюють фотони у видимій або ультрафіолетовій частині спектра. Причому за наявності великої ймовірності випромінювання фотонів атомами і молекулами в збуджених станах ймовірність поглинання цих випромінюваних фотонів самим сцинтилюючим речовиною повинна бути мала: тобто спектр випромінювання електромагнітного випромінювання повинен бути зрушений щодо спектру поглинання.

Усі сцинтиляційні речовини можна поділити на три класи: на основі тих чи інших органічних сполук, неорганічні кристали та гази.

З органічних сполук найчастіше застосовуються рідкі та тверді розчини ароматичних сполук або монокристали антрацену, стильбену, толана та ін.

Найбільш поширеними сцинтиляторами з неорганічних кристалів є йодити лужних металів, активовані талієм, і сульфід цинку, активований сріблом: NaJ(Tl), CsJ(Tl), ZnS(Ag). Чисті неактивовані кристали при кімнатній температурі не мають сцинтилюючих властивостей.

З точки зору реєстрації випромінювань всі сцинтилятори, і органічні та неорганічні, повинні задовольняти деяким вимогам як загального характеру, так і спеціальним, обумовленим природою частинок, що реєструються.

Насамперед речовина має володіти високим світловим виходомc, що визначається як відношення середньої кількості фотонів , що виникають у процесі однієї сцинтиляції, до енергії , втраченої реєстрованої частинкою в сцинтиляторі:

Так як практичний інтерес представляє число фотонів, що виходять із сцинтилятора, доцільно ввести поняття зовнішнього світлового виходу:

де – коефіцієнт виходу фотонів із сцинтилятора. Необхідно відзначити, що зовнішній світловий вихід залежить від величини зсуву спектрів випромінювання та поглинання, тобто від прозорості сцинтилятора по відношенню до власного випромінювання, а також від товщини сцинтилятора, кількості домішок, що зменшують його прозорість, стану його поверхонь і т.п. .В ідеальних, абсолютно прозорих для власного випромінювання сцинтиляторах =.

Крім світлового виходу можна ввести поняття енергетичного виходу x, що виражає відношення енергії фотонів, що виникають у процесі однієї сцинтиляції, до енергії Е, втраченою реєстрованою частинкою в сцинтиляторі:

x = ,

де – середня енергія фотонів сцинтиляції.

Процес висвічування сцинтиляції займає кінцевий час. Так як час наростання сцинтиляції значно менше часу спаду (загасання сцинтиляції), то у всіх практичних випадках тривалість сцинтиляції в цілому можна характеризувати лише постійною часом t згасання процесу:

Величина t – час, протягом якого інтенсивність висвічування Jпадає в еразів. В експериментах, де потрібна висока тимчасова роздільна здатність, сцинтилятори вибираються з досить малим часом висвічування.

Сцинтилюючі неорганічні кристали (NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Sn), LiJ(Tl), ZnS(Ag)) ) ) характеризуються великим світловим виходом та часом висвічування (порядку 10–4 – 10–7 с). Органічні кристали (стильбен, антрацен та інші) характеризуються як меншим світловим виходом, ніж неорганічні, а й меншим часом висвічування (порядку 10–8 – 10–9 з). З органічних сцинтилюючих розчинів зазвичай застосовуються паратерфеніл у ксилолі.

Процеси, що відбуваються у фотомножниках,

та основні їх характеристики

Імпульс світла, що виникає в сцинтилятор при проходженні іонізуючої частинки, за допомогою фотоелектронного помножувача перетворюється на електричний імпульс.

Фотоелектронний помножувач – це фотоелемент із багаторазовим посиленням, що ґрунтується на явищі вторинної електронної емісії. Він складається з фотокатода 4 , фокусуючого пристрою 5 , кількох дінодів 6 та анода 8 (Рис. 1). Усі електроди ФЕУ поміщені у балон із високим вакуумом. Фотокатод виконаний у вигляді тонкого напівпрозорого шару та знаходиться на внутрішній стороні торцевої стінки скляного балона ФЕУ. Для збільшення коефіцієнта вторинної емісії диноди покриті тонкою плівкою речовини з малою роботою виходу для електронів.

Працюючи ФЭУ всім його електродам докладено певні різниці потенціалів. Проникаючи крізь прозоре скло, кванти світла виривають із світлочутливого шару фотокатода кілька електронів. Фотоелектрони, що виходять з різними швидкостями та під різними кутами до поверхні катода, прискорюються електричним полем у вакуумі та за допомогою фокусуючої системи збираються на першому діноді помножувача.

При ударах електронів про перший динод відбувається вторинна електронна емісія. Електрони, вибиті з першого динода, знову прискорюються наступного міжелектродному проміжку і, потрапляючи на другий динод, викликають у свою чергу вторинну електронну емісію з другого диноду. Для характеристики електронної емісії вводиться величина, звана коефіцієнтом вторинної емісії s, що є числом вторинних електронів, вибитих одним первинним електроном. Описаний процес відбувається послідовно всіх динодах, й у залежність від властивостей і числа динодів при s > 1 число електронів останніх динодах може перевищити початкове число фотоелектронів кілька порядків. Електрони з останнього диноду збираються на аноді фотоумножувача.

Фізичні явища, що лежать в основі роботи ФЕУ – фотоелектричний ефект та вторинна електронна емісія, мають статистичний характер. Тому параметри ФЕУ також мають статистичну природу і, говорячи про них, маємо на увазі середні значення цих параметрів.

Характеристики фотокатода утворюють групу параметрів ФЕУ. З них найважливіше значення мають квантовий вихід, спектральна характеристика, інтегральна чутливість.

Квантовий вихідфотокатода e є ймовірністю виривання одного фотоелектрона фотоном, що потрапив на фотокатод. При цьому мається на увазі, що світло, що падає на фотокатод, близьке до монохроматичного. Квантовий вихід залежить від довжини хвилі падаючого світла, матеріалу фотокатода та його товщини. Чисельно він зазвичай виявляється у відсотках.

Залежність e від довжини хвилі l падаючого світла зветься спектральної характеристикифотокатода і позначається e(l).

Практично суттєво не тільки число фотонів, що випускаються сцинтилятором, а й ступінь перекриття зовнішнього оптичного спектру сцинтиляції зі спектральною характеристикою e(n) даного ФЕУ, що визначається коефіцієнтом узгодження:

.

Інтегральна чутливістьфотокатода являє собою відношення фотоструму до світлового потоку, що падає на фотокатод, при освітленні фотокатода джерелом білого світла з певною колірною температурою.

Збір фотоелектронів на перший динод характеризується коефіцієнтом збору l, який може набувати значення від 0 до 100 %.

Помножувальна система ФЕУ характеризується коефіцієнтом посилення М. Останній визначається як відношення величини струму на виході ФЕУ до його величини на вході системи помноження. Коефіцієнт посилення ФЕУ дорівнює: де a - Коефіцієнт, що визначає частку електронів, що потрапляють з одного динода на інший; - Коефіцієнт вторинної емісії i-го диноду.

Необхідно відзначити, що коефіцієнт вторинної емісії s залежить не тільки від матеріалу та стану поверхні динода, але і від енергії первинних електронів, тобто від прискорюючої різниці потенціалів, доданої до двох сусідніх динодів: зі збільшенням енергії електронів s спочатку зростає, а потім вище енергії 100 - 1000 еВ (залежно від матеріалу) падає. Фізично таку поведінку можна пояснити такою. Первинні електрони, потрапляючи у матеріал динода, у результаті пружних і непружних зіткнень передають свою енергію багатьом електронам середовища. Чим вище енергія первинного електрона, тим більшій кількості електронів він передає свою енергію. Але що вища енергія первинного електрона, тим більшу глибину він проникає і, отже, тим більшої глибини у матеріалі набувають енергію вторинні електрони. Останні можуть залишити матеріал динода тільки в тому випадку, якщо вони утворилися на глибині, яка менша за довжину свого пробігу в даному матеріалі.

Залежність коефіцієнта посилення Мвід напруги живлення наведено на рис. 2 (літературні дані).

Мал. 2.Залежність коефіцієнта посилення ФЕУ

від різниці потенціалів між динодами для числа дінодів n= 10 та σmax = 10

При високих значеннях миттєвих струмів, обумовлених чи дуже великим коефіцієнтом посилення М, або дуже великою інтенсивністю спалаху, позначається вплив об'ємного заряду, що спотворює поле області анода і останніх динодов (пунктирна лінія) . Для деяких ФЕУ цей ефект помітний при струмах на аноді ~1 мА.

Добуток коефіцієнта посилення ФЕУ на коефіцієнт збору на перший динод і на інтегральну чутливість фотокатода називається загальною чутливістюФЕУ.

Якщо навіть на фотокатод ФЕУ не падає світловий потік, на виході ФЕУ спостерігається певний струм, званий темновим. Причиною цього є термоелектронна емісія з поверхні фотокатода та перших динодів, автоелектронна холодна емісія, радіоактивність матеріалу, з якого виготовлений ФЕУ, та низка інших причин.

РОБОТА СЦИНТИЛЯЦІЙНОГО ДЕТЕКТОРА

Складання сцинтиляційного детектора полягає в раціональному зчленуванні сцинтилятора і фотопомножувача, яке забезпечило б при найбільшому відношенні амплітуд імпульсів, викликаних радіоактивним джерелом і темновим струмом, найкращу роздільну здатність детектора як за амплітудами, так і за часом. Сцинтилятор, який зазвичай має форму циліндра, встановлюється перед фотокатодом помножувача (див. рис. 1). Оскільки коефіцієнт заломлення світла більшості сцинтиляторів досить великий, значна частина світла, що у сцинтиляторі, відчуває з його поверхні повне внутрішнє відбиток. Тому для забезпечення хорошого оптичного контакту (і, отже, підвищення світлозбору) між сцинтилятором і фотокатодом вводиться тонкий шар речовини з меншим показником заломлення (силіконове або вазелінове масло).

Радіоактивне випромінювання, що падає на сцинтилятор, викликає спалахи - сцинтиляції. Світлові кванти, потрапляючи на фотокатод ФЕУ, вибивають фотоелектрони, що дають початок лавині. У момент приходу електронної лавини на анод ФЕУ на вихідному опорі навантаження виникає імпульс напруги.

Межлектродні різниці потенціалів задаються зазвичай за допомогою дільника напруги від високовольтного джерела живлення. Змінюючи напругу, що живить дільник, можна варіювати в широких межах коефіцієнт посилення ФЕУ. Зі збільшенням напруги на дільнику ФЕУ коефіцієнт посилення швидко зростає. Причиною є збільшення коефіцієнта вторинної емісії, а також деяке поліпшення фокусування.

При вимірі числа частинок дуже важливим є параметр, який характеризує ймовірність створення на виході детектора електричного імпульсу при попаданні частки в детектор. Такий параметр має назву ефективностіреєстрації детектора h, що визначається як відношення числа електричних імпульсів, зареєстрованих на виході детектора в одиницю часу, до частинок, що потрапили в детектор за той же час . Ефективність реєстрації є функцією як енергії та виду досліджуваного випромінювання, так і розмірів та типу детектора. Основною вимогою до сцинтиляційних детекторів, як і всіх детекторів взагалі, є висока ефективність реєстрації. Як відомо, перерізи фотоефекту та комптон-ефекту тим вище, чим більше Zречовини.

Перевагою сцинтиляційних детекторів є той факт, що їхня ефективність реєстрації для опосередковано іонізуючих випромінювань (g-випромінювання, рентгенівське випромінювання) завдяки великому Zсцинтиляторів на порядок перевищує ефективність реєстрації газорозрядних лічильників. У літературі вказується, що у разі γ-випромінювання для кристалів NaJ(Tl) невеликих розмірів вона становить приблизно 17%.

Однією з основних вимог до детекторів є мале час дозволу(Воно визначає той мінімальний часовий інтервал між двома послідовними частинками, які детектор може зафіксувати окремо). У сцинтиляційному детекторі при використанні неорганічних кристалів, час висвічування яких порівняно великий і становить десяті частки мікросекунди і більше, тимчасові властивості фотопомножувача практично не відіграють ніякої ролі, і час дозволу всього сцинтиляційного детектора визначатиметься часом висвічування кристала . При роботі з органічними сцинтиляторами (і особливо з рідкими і твердими розчинами), де час висвічування дуже мало, час дозволу фотопомножувача може бути порівнянним з часом висвічування сцинтилятора і при розрахунку роздільної здатності детектора по часу повинно бути враховано.

Перевагою сцинтиляційного детектора є те, що його час дозволу на кілька порядків менший за час дозволу газорозрядних детекторів. Застосування сцинтиляційних детекторів у схемах збігів з високою роздільною здатністю відкрило нові перспективи при дослідженні різноманітних одночасних процесів.

Крім того, слід зазначити, що оскільки коефіцієнт вторинної емісії не залежить від кількості падаючих електронів, то ФЕУ є лінійний прилад, Т. е. заряд на аноді пропорційний числу первинних фотоелектронів і відповідно інтенсивності світлового спалаху, що потрапив на катод. Оскільки зазвичай енергія, втрачена часткою в кристалі, пропорційна інтенсивності світлового спалаху, то амплітуда імпульсу на виході ФЭУ пропорційна втраченої енергії частки. Це дозволяє створювати на основі сцинтиляційного детектора різні прилади для вимірювання енергії радіоактивного випромінювання, що неможливо при використанні лічильників гейгерів. І тільки коли імпульси на виході ФЕУ досить великі, лінійність може порушуватися, як було зазначено вище, за рахунок спотворення поля просторовим зарядом в області анода і останніх динодів.

Важливим моментом перед тим, як розпочинати вимірювання, є правильний підбір напруги живлення ФЕУ . У радіометричних вимірах, коли виробляється рахунок імпульсів, з цією метою найчастіше використовується лічильна характеристика , тобто залежність швидкості рахунку імпульсів на виході детектора nвід напруги живлення ФЕУ U(Рис. 3).

Як видно із рис. 3, зі зростанням напруги живлення Uвеличина nспочатку зростає, а далі стає постійною . Це тим, що з малих величинах Uзначення коефіцієнта посилення ФЕУ Мтакож мало. В результаті амплітуда імпульсів на виході ФЕУ незначна за величиною і може виявитися нижчою за поріг чутливості реєструючого пристрою. У такому разі імпульси не будуть зареєстровані. Зі збільшенням напруги Uзростає коефіцієнт посилення Мі амплітуда імпульсів збільшується настільки, що може перевищити поріг чутливості реєструючого пристрою. У цей момент на перерахунковому пристрої починається рахунок імпульсів .

Мал. 3.Рахункова характеристика

При подальшому збільшенні Uще більша частка імпульсів матиме амплітуду, що перевищує поріг чутливості, що дасть ще більше збільшення швидкості рахунку n.

Подальше підвищення напруги живлення може призвести до того, що швидкість рахунку імпульсів nстане майже постійною і не залежатиме від величини UОскільки амплітуди багатьох імпульсів, що надходять з детектора, перевищують поріг чутливості і майже всі імпульси реєструються.

При дуже великих напругах Uшвидкість рахунку nможе різко зрости через те, що амплітуда шумових імпульсів ФЕУ теж стає дуже великою.

Виділена на рис. 3 область плато, де величина nслабо залежить від напруги живлення Uвикористовується для підбору напруги живлення; зазвичай робочу напругу вибирають на середині плато.

Критерієм оптимальної робочої напруги в спектрометричних вимірахє висока енергетична роздільна здатність. Відомо, що енергетичний дозвіл детектора тим вищий, що вищий коефіцієнт посилення ФЕУ. М, тобто чим більша величина напруги живлення U.

РЕЄСТРАЦІЯg-КВАНТІВ

СЦИНТИЛЯЦІЙНИМ ДЕТЕКТОРОМ

При роботі зі сцинтиляційним детектором, призначеним для вирішення того чи іншого фізичного завдання, слід врахувати одну дуже важливу специфічну обставину: оскільки властивості випромінювань, що підлягають реєстрації, у тому чи іншому випадку можуть бути різко різними, особливу увагу необхідно приділити раціональному вибору сцинтилятора, конкретні властивості якого повинні найкраще відповідати поставленому завданню. До фотопомножувача особливих вимог, пов'язаних зі специфікою самого випромінювання, зазвичай не пред'являється.

При реєстрації g-випромінювання вибір сцинтилятора визначається вимогою високої ефективності, оскільки g-випромінювання – проникаюче випромінювання. Для вузького паралельного моноенергетичного пучка g-квантів, що падають нормально на сцинтилятор завтовшки х, ефективність реєстрації η визначається як відношення числа зареєстрованих частинок до падаючих на детектор частинок:

де t – коефіцієнт поглинання g-квантів у речовині сцинтилятора, що залежить від енергії випромінювання та середнього ефективного заряду речовини сцинтилятора Z.

Зі збільшенням величина t (і, отже, η) падає; зі збільшенням значень Zкоефіцієнт поглинання g-квантів t (і, отже, ефективність реєстрації η ) зростає. Тому в сцинтиляційних детекторах для реєстрації g-квантів використовуються переважно неорганічні кристали з великим атомним номером. Z .

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

Порядок проведення експерименту

На рис. 4 наведена схема радіоактивного розпаду ізотопу Сs-137, що використовується в даній лабораторній роботі.

Рис.4.Схема радіоактивного розпаду ізотопу Cs-137

Амплітудні спектри, виміряні під час експерименту з використанням ізотопу Cs-137, мають вигляд, зображений на рис. 5.

При неправильному виборі режиму роботи спектрометра форма цих спектрів може бути перекручена, тому важливо ретельно підбирати рівень харчування ФЕУ. U, коефіцієнт посилення підсилювача K,верхній та нижній пороги дискримінатора ДВУ та ДНУ.

При зміні напруги живлення ФЕУ Uзмінюється його коефіцієнт посилення М. В результаті змінюється величина амплітуди вихідного сигналу Аі, отже, становище максимуму піку повного поглинання. Тому вивчення залежності величини амплітуди імпульсу на виході детектора Авід величини напруги живлення ФЕУ можна звести до вивчення залежності положення максимуму піку повного поглинання від напруги живлення.

Мал. 5.Амплітудний спектр імпульсів на виході детектора

Увімкнути комп'ютер. Увімкнути блок спектрометра; відкрити програму "Спектр".

Після реєстрації увійти в режим спектрометра та задати на його панелі робочий режим.

Встановити час накопичення спектра t= 150 с. Набрати амплітудні спектри вихідних імпульсів за різних величин напруги живлення ФЕУ.

Спектри записати у файли.

Результати вимірювань запишуться на диску D. Шлях, яким можна знайти записані дані, наступний : Диск D® папка "3 курс"® папка «Дані»® папка «Студенти»® папка з прізвищем студента® номер лабораторної роботи® номер завдання® номер спектру.

Обробка результатів

Вивчення залежності амплітуди

вихідних імпульсів детектора

від величини напруги живлення ФЕУ

Завдання 1. Ввести Mathcad файли даних зі спектрами S 001–S 010. Присвоїти назву векторної змінної, що описує спектр; визначити номер каналу як ранжовану змінну k, Що змінюється від 0 до 1023. Побудувати амплітудні спектри.

Завдання 2. Виділити у отриманих спектрах піки повного поглинання; за допомогою операції Trace провести грубі оцінки положення максимуму піку повного поглинання на шкалі амплітуд, дисперсії, лівої та правої меж піку. Оцінити площу під піком.

Завдання 3. Апроксимувати пік повного поглинання функцією Гауса; знайти точні значення номера каналу , що відповідає положенню максимуму піку повного поглинання.

Завдання 4. Побудувати залежність від величини напруги живлення ФЕУ U(Див. рис. 6); пояснити хід залежно від величини напруги живлення. Порівняти з літературними даними. Вибрати робочу напругу ФЕУ для подальшої роботи.

Мал. 6.Залежність положення максимуму піку повного поглинання k 0

від величини напруги живлення U

Визначенняефективності реєстрації детектора γ-випромінювання

Завдання 5. Використовуючи спектр, виміряний, наприклад, за рівня живлення ФЕУ U= 550 В та коефіцієнт посилення K= 1, обчислити площу під усім спектром Рта знайти число імпульсів, зареєстрованих детектором за 1 с: n = P/150.

Завдання 6. Знаючи активність використовуваного радіоактивного ізотопу Cs-137, визначити ефективність реєстрації γ-випромінювання Cs-137:

де - Число γ-квантів, що падають на поверхню сцинтилятора за 1с;

Число 0,85 – вводиться як виправлення на схему розпаду (див. схему розпаду, наведену на рис. 5). – активність радіоактивного джерела; = 120 кБк. Ω – відносний тілесний кут, під яким детектор опромінюється джерелом. Цей кут залежить від радіусу сцинтилятора sі від відстані між джерелом та сцинтилятором h.

.

Дати оцінку отриманому результату; порівняти із літературними даними.

Визначення фоточастини та фотоефективності реєстрації

Завдання 7. Виділити пік повного поглинання в амплітудному спектрі, що використовується в завданні 5, обчислити його площу. Визначити фоточастину як відношення площі під фотопиком до площі під усім спектром Р(значення Рвзяти із завдання 5).

Завдання 8. Визначити фотоефективність реєстрації γ-випромінювання як добуток ефективності реєстрації, помноженої на фоточастину:

.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Пояснити процеси, що відбуваються в сцинтиляторі, та перерахувати основні параметри сцинтилятора.

2. На яких двох фізичних явищах ґрунтується робота фотоелектронного помножувача?

3. Перелічити основні параметри фотоелектричних помножувачів.

4. Що таке ефективність реєстрації детектора? Від яких параметрів детектора та випромінювання вона залежить? Що таке фоточастина та фотоефективність?

5. Охарактеризувати особливості реєстрації γ-випромінювання.

Метод реєстрації заряджених частинок за допомогою підрахунку спалахів світла, що виникають при попаданні цих частинок на екран із сірчистого цинку (ZnS) вважається одним із перших методів реєстрації ядерних випромінювань.

Цей метод ось у чому.

Сцинтиляціями спалахами називають окремі короткочасні спалахи світла, які можна помітити, спостерігаючи через збільшувальне сікло за поверхнею екрана із сірчистого цинку, що опромінюється a-частинками. Окремою a-часткою, що потрапляє на екран, створюється кожна з цих сцентиляцій. Ці явища вперше було виявлено ще 1903 р. Круксом та інші. Для можливості підрахунку a-часток Крукс винайшов прилад, названий спінтаріскопом Крукса.

Надалі візуальний метод сцинтиляцій був використаний в основному для реєстрації a-частинок та протонів з енергією в кілька мільйонів електронвольт реєструвати не вдалося. Так як окремі швидкі електрони викликають дуже слабкі сцинтиляції, їх зареєструвати не вдалося.

Те, що гамма-промені ніяких спалахів на екрані не викликають, створюючи лише загальне світіння, дозволило реєструвати a-частинки у присутності сильного g-випромінювання.

Лише коли на той самий кристалик сірчистого цинку потрапляло одночасно досить велике число електронів, при опроміненні електронами сірчано-цинкового екрану вдавалося спостерігати спалахи.

Метод сцинтиляцій є суб'єктивним, і результати тією чи іншою мірою залежать від індивідуальних якостей експериментатора, але дозволяє реєструвати дуже невелике число частинок в одиницю часу. Найкращі умови для рахунку сцинтиляцій виходять тоді, коли їхня кількість лежить між 20 і 40 за хвилину.

За допомогою візуального методу сцинтиляцій Резерфорд реєстрував a-частки при їхньому розсіюванні на атомах, ці досліди привели Резерфорда до відкриття ядра. Вперше візуальний метод дозволив виявити швидкі протони, що вибиваються з ядер азоту під час бомбардування їх a-частинками, тобто. перше штучне розщеплення ядра. Таким чином, незважаючи на недоліки, візуальний метод сцинтиляцій відіграв величезну роль у розвитку ядерної та атомної фізики і мав велике значення аж до тридцятих років, доки поява нових методів реєстрації ядерних випромінювань не дослідників змусила на деякий час забути його.

Наприкінці сорокових років XX ст. сцинтиляційний метод реєстрації відродився на новій основі. На цей час були розроблені фотоелектронні помножувачі (ФЕУ), що дозволяють реєструвати дуже слабкі спалахи світла. Були створені сцинтиляційні лічильники, за допомогою яких можна збільшити швидкість рахунку в 10 8 і навіть більше разів порівняно з візуальним методом, а також можна реєструвати та аналізувати енергії як заряджені частинки, так і нейтрони і g-промені.

Поєднання сцинтилятора (фосфору) та фотоелектронного помножувача (ФЕУ), джерела електричного живлення ФЕУ та радіотехнічної апаратури, що забезпечує посилення та реєстрацію імпульсів ФЕУ, називають сцинтиляційним лічильником. Іноді поєднання фосфору з ФЕУ здійснюється через спеціальну оптичну систему (світлопровід).

Як сцетиляційні лічильники використовуються:

• рідкі органічні сцинтилятори,
• тверді пластмасові сцинтилятори,
• органічні кристали,
• газові сцинтилятори.

Розглянемо принцип роботи сцинтиляційного лічильника.

Потрапляючи в сцинтилятор, заряджена частка виробляє іонізацію та збудження його молекул. Через дуже короткий час (10-6 - 10 -9 сек ) ці молекули переходять у стабільний стан, випромінюючи фотони – виникає спалах світла (сцинтиляція). Деяка частина фотонів потрапляє на фотокатод ФЕУ та вибиває з нього фотоелектрони, які під дією прикладеної до ФЕУ напруги, фокусуються та прямують на перший електрод (динод) електронного помножувача. В результаті вторинної електронної емісії число електронів лавиноподібно збільшується, і на виході ФЕУ з'являється імпульс напруги, який посилюється та реєструється радіотехнічною апаратурою.

Властивості як сцинтилятора і ФЕУ визначаються амплітуда і тривалість імпульсу на виході.

Необхідно, щоб спектр фотонів, що виходять із сцинтилятора, збігався чи хоча б частково перекривався зі спектральною характеристикою ФЕУ.

Ступінь перекриття зовнішнього спектру сцинтиляції із спектральною характеристикою. даного ФЕУ визначається коефіцієнтом узгодження

де - Зовнішній спектр сцинтилятора або спектр фотонів, що виходять назовні із сцинтилятора.

4) Сцинтиляційна ефективність.

При порівнянні сцинтиляторів, що поєднуються з даними ФЕУ, вводять поняття сцинтиляційної ефективності, яка враховує кількість фотонів, що випускаються сцинтилятором на одиницю поглиненої енергії та чутливість даного ФЕУ до цих фотонів і визначається наступним виразом:

На практиці сцинтиляційну ефективність даного сцинтилятора визначають шляхом порівняння зі сцинтиляційною ефективністю сцинтилятора прийнятого за еталон.

5) Інтенсивність сцинтиляції.

Інтенсивність сцинтиляції змінюється згодом за експоненційним законом

де I 0 – максимальне значення інтенсивності сцинтиляції; t 0 -постійна часу згасання, що визначається як час, протягом якого інтенсивність сцинтиляції зменшується в еразів.

Число фотонів світла n,випущених за час tпісля влучення реєстрованої частки, виражається формулою

де - повне число фотонів, випущених у процесі сцинтиляції.

p align="justify"> Процеси люмінесценції (висвічування) фосфору ділять на два види: флуоресценції (висвічування відбувається безпосередньо під час збудження або протягом проміжку часу порядку 10 -8 сік,інтервал 10 -8 сікобраний тому, що він по порядку величини дорівнює часу життя атома у збудженому стані для так званих дозволених переходів) та фосфоресценції (люмінесценції, яка продовжується значний час після припинення збудження).

При рекомбінації електронів і дірок, що виникли при збудженні, виникає фосфоресценція кристалофосфорів. У деяких кристалах можливе затягування післясвічення за рахунок того, що електрони та дірки захоплюються “пастками”, з яких вони можуть звільнитися лише отримавши додаткову необхідну енергію. Звідси очевидна залежність тривалості фосфоресценції від температури. У разі складних органічних молекул фосфоресценція пов'язана з перебуванням їх у метастабільному стані, можливість переходу з якого в основний стан може бути малою. І в цьому випадку спостерігатиметься залежність швидкості загасання фосфоресценції від температури.

Тривалість флуоресценції не залежить від виду порушення, вихід флуоресценції істотно залежить від нього. Так при збудженні кристала a-частинками вихід флуоресценції майже на порядок менший, ніж при фотозбудженні.

Для реєстрації g-кванту або нейтрону необхідно, щоб вони відреагували з речовиною детектора; при цьому вторинна заряджена частка, що виникла, повинна бути зареєстрована детектором. Очевидно, що чим більше знаходиться речовини на шляху g-променів або нейтронів, тим більшою буде ймовірність їх поглинання, тим більшою буде ефективність їх реєстрації. В даний час при використанні великих сцинтиляторів домагаються ефективності реєстрації g-променів у кілька десятків відсотків. Ефективність реєстрації нейтронів сцинтиляторами із спеціально введеними речовинами (10 В, 6 Li та ін) також набагато перевищує ефективність реєстрації їх за допомогою газорозрядних лічильників.

Тривалість імпульсу в залежності від використовуваних сцинтиляторів тягнеться від 10 -6 до 10 -9 сік,тобто. на кілька порядків менше, ніж у лічильників із самостійним розрядом, що дозволяє здійснювати набагато більші швидкості рахунку. Іншою важливою часовою характеристикою сцинтиляційних лічильників є мала величина запізнення імпульсу після проходження частки, що реєструється через фосфор (10 -9 -10 -8 сек).Це дозволяє використовувати схеми збігів з малим дозвільним часом (<10 -8 сек)і, отже, проводити вимірювання збігів при багато великих навантажень по окремих каналах при малій кількості випадкових збігів.

Це означає можливість реєстрації та енергетичного аналізу частинок дуже великих енергій (космічні промені), а також частинок, що слабо взаємодіють з речовиною (нейтрино).

Для реєстрації повільних нейтронів використовують фосфори LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаємодії повільних нейтронів з 6 Li йде реакція 6 Li(n,a) 3 Н, у якій виділяється енергія 4,8 Мев.

Насправді, для легких заряджених частинок (електрони) інтенсивність спалаху в сцинтиляторі пропорційна енергії, втраченій частинкою в цьому сцинтиляторі.

За допомогою сцинтиляційних лічильників, приєднаних до амплітудних аналізаторів, можна вивчати спектри електронів та g-променів. Дещо гірша справа з вивченням спектрів важких заряджених частинок (a-частки та ін), що створюють у сцинтиляторі велику питому іонізацію. У цих випадках пропорційність інтенсивності спалаху втраченої енергії спостерігається не при будь-яких енергіях частинок і проявляється тільки при значеннях енергії, більших за деяку величину. Нелінійний зв'язок амплітуд імпульсів з енергією частинки різна для різних фосфорів та різних типів частинок. Це ілюструється графіками на рис.1 та 2.

Для реєстрації ядерних випромінювань найбільшого поширення набули такі органічні кристали: антрацен, стильбен, нафталін. Антрацен має досить великий світловий вихід (~4%) і малий час висвічування (3 10 -8 сек).Але при реєстрації важких заряджених частинок лінійна залежність інтенсивності сцинтиляції спостерігається лише за досить високих енергіях частинок. Стильбен хоч і має дещо менший світловий вихід, ніж антрацен, зате тривалість сцинтиляції в нього значно менше (7 10 -9 сек),ніж у антрацену, що дозволяє використовувати його у тих експериментах, де потрібна реєстрація дуже інтенсивного випромінювання.

Оскільки в порівнянні з силами, що діють в неорганічних кристалах молекулярні сили зв'язку в органічних кристалах малі, молекули, що взаємодіють, практично не обурюють енергетичні електронні рівні один у одного і процес люмінесценції органічного кристала є процесом, характерним для окремих молекул.

В основному електронному стані молекула має кілька коливальних рівнів. Під впливом випромінювання, що реєструється, молекула переходить у збуджений електронний стан, якому також відповідає кілька коливальних рівнів. Також можливі іонізація та дисоціація молекул. В результаті рекомбінації іонізованої молекули, вона, як правило, утворюється у збудженому стані. Спочатку збуджена молекула може бути на високих рівнях збудження і через короткий час (~10 -11 сек)випускає фотон високої енергії, який поглинається іншою молекулою, причому частина енергії збудження цієї молекули може бути витрачена на тепловий рух і випущений згодом фотон матиме вже меншу енергію в порівнянні з попереднім. Після декількох циклів випромінювання та поглинання утворюються молекули, що знаходяться на першому збудженому рівні, які випромінюють фотони, енергія яких може виявитися недостатньою для збудження інших молекул і, таким чином, кристал буде прозорим для випромінювання.

На рис. 2 наведено графіки залежності світлового виходу c (у довільних одиницях) від енергії електронів 1, протонів 2 , дейтонів 3 та a-часток 4 .

Мал. 2. Залежність світлового виходу

антрацену від енергії для різних частинок.

Завдяки тому, що більшість енергії збудження витрачається на тепловий рух, світловий вихід (конверсійна ефективність) кристала порівняно невеликий і становить кілька відсотків.

Неорганічні сцинтилятори – кристали неорганічних солей.

Практичне застосування в сцинтиляційної техніки мають головним чином галоїдні сполуки деяких лужних металів.

Уявимо процес виникнення сцинтиляції за допомогою зонної теорії твердого тіла.

У невзаємодіє з іншими окремому атомі, електрони знаходяться на цілком певних дискретних енергетичних рівнях. У твердому тілі атоми знаходяться на близьких відстанях, та їх взаємодія є досить сильною. Завдяки цій взаємодії рівні зовнішніх електронних оболонок розщеплюються та утворюють зони, відокремлені одна від одної забороненими зонами. Валентна зона є зовнішньою дозволеною зоною, заповненою електронами. Вище за неї розташовується вільна зона - зона провідності. Між валентною зоною та зоною провідності знаходиться заборонена зона, енергетична ширина якої становить кілька електронвольт.

У випадку, якщо кристал має дефекти, порушення решітки або домішкові атоми, можлива поява енергетичних електронних рівнів, розташованих у забороненій зоні. Електрони можуть переходити з валентної зони в зону провідності при зовнішній дії, наприклад, при проходженні через кристал швидкої зарядженої частинки, тоді у валентній зоні залишаться вільні місця, що володіють властивостями позитивно заряджених частинок з одиничним зарядом і звані дірками. Ми описали процес збудження кристала.

Шляхом зворотного переходу електронів із зони провідності у валентну зону, відбувається рекомендація електронів та дірок, збудження знімається. У багатьох кристалах перехід електрона із зони провідності у валентну відбувається через проміжні люмінесцентні центри, рівні яких перебувають у забороненій зоні. Зазначені центри обумовлюються наявністю в кристалі дефектів чи домішкових атомів. При переході електронів на дві стадії випускаються фотони з енергією, меншої ширини забороненої зони. Для таких фотонів ймовірність поглинання в кристалі мала і тому світловий вихід для нього набагато більше, ніж для чистого, безпримесного кристала.

Для збільшення світлового виходу неорганічних сцинтиляторів вводяться спеціальні домішки інших елементів, які називають активаторами. Так, наприклад, кристал йодистого натрію в якості активатора вводиться талій.

Сцинтилятор, побудований на основі кристала NaJ(Tl), має великий світловий вихід і має значні переваги в порівнянні з газонаповненими лічильниками: велику ефективність реєстрації g-променів (з великими кристалами ефективність реєстрації може досягати десятків відсотків), малу тривалість сцинтиляції (2,5 10 -7 сек) і лінійний зв'язок між амплітудою імпульсу та величиною енергії, втраченою зарядженою частинкою.

Світловий вихід сцинтилятора залежить від питомих втрат енергії зарядженої частки.

Мал. 1. Залежність світлового виходу

кристала NaJ(T1) від енергії частинок.

Значні порушення кристалічних ґрат сцинтилятора, можливі при дуже великих величинах, призводять до виникнення локальних центрів гасіння. Це може спричинити відносне зменшення світлового виходу. Експериментальні факти свідчать про те, що для важких частинок вихід нелінійний, а лінійна залежність починає виявлятися тільки з енергії в кілька мільйонів електронвольт. На рис.1 наведено криві залежності c від Е:крива 1 для електронів, крива 2 для частинок.

Крім зазначених лужно-галоїдних сцинтиляторів, іноді використовуються інші неорганічні кристали: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4 , CdWO 4 та ін.

Пластмасові сцинтилятори є твердими розчинами флуоресціюючих органічних сполук у відповідній прозорій речовині (розчини антрацену або стильбену в полістиролі, або плексигласі). Концентрації розчиненого флуоресцирующего речовини зазвичай малі і становлять кілька десятих часток відсотка чи кілька відсотків, тому, оскільки розчинника набагато більше, ніж розчиненого сцин-тилятора, то, природно, реєстрована частка виробляє переважно збудження молекул розчинника. Надалі енергія збудження передається молекулам сцинтилятора. Розчин виявляється практично прозорим для випромінювання сцинтилятора, тому що концентрація сцинтилятора мала.

Найбільший світловий вихід мають пластмасові сцинтилятори, приготовані розчиненням антрацену в полістиролі. Добрі властивості має також розчин стильбена в полістиролі.

Спектр випромінювання розчинника повинен бути жорсткішим, ніж спектр поглинання розчиненої речовини або збігатися з ним.

Експериментальні факти показують, що енергія збудження розчинника передається молекулам сцинтилятора за рахунок фотонного механізму, тобто молекули розчинника випускають фотони, які потім поглинаються молекулами розчиненої речовини.

Порівняно з органічними кристалічними сцинтиляторами, пластмасові сцинтилятори мають значні переваги:

• можливість використання пластмасових сцинтиляторів у вакуумі;

• можливість введення в сцинтилятор змішувачів спектру для досягнення кращого узгодження спектру люмінесценції зі спектральною характеристикою фотокатода;
• можливість виготовлення сцинтиляторів великих розмірів;

• можливість введення в сцинтилятор різних речовин, необхідних спеціальних експериментах (наприклад, при дослідженні нейтронів);

Рідкі органічні сцинтилятори – це розчини органічних сцинтилюючих речовин у деяких рідких органічних розчинниках. Механізм флуоресценції у рідких сцинтиляторах аналогічний механізму, що відбувається у твердих розчинах-сцинтиляторах.

З рідких речовин найбільш підходящими розчинниками виявилися ксилол, толуол і фенілциклогексан, а сцинтилюючими речовинами р-терфеніл, дифенілоксазол і тетрафенілбутадієн. Виготовлений при розчиненні р-терфенілу в ксилолі при концентрації розчиненої речовини 5 г/лсцинтилятор має найбільший світловий вихід .

Основні переваги рідких сцинтиляторів:

• мала тривалість спалаху (~3 10 -9 сек).
• можливість виготовлення більших обсягів;
• можливість введення в сцинтилятор речовин, необхідних спеціальних експериментах;

Поява сцинтиляцій спостерігалося під час проходження заряджених частинок через різні гази. Газові сцинтилятори мають малу чутливість до g-випромінювання. Найбільшим світловим - виходом мають важкі благородні гази (ксенон та криптон), а також суміш ксенону та гелію. Присутність у гелії 10% ксенону забезпечує світловий вихід навіть більший, ніж у чистого ксенону (рис. 3). Незначні домішки інших газів різко зменшують інтенсивність сцинтиляцій у шляхетних газах.

Мал. 3. Залежність світлового виходу газового

сцинтилятора від співвідношення суміші гелію та ксенону.

Тривалість спалахів у благородних газах мала (10 -9 -10 -8 сек),а інтенсивність спалахів у широкому діапазоні пропорційна втраченій енергії реєстрованих частинок і не залежить від їхньої маси та заряду.

Для приведення у відповідність до спектральної чутливості ФЕУ використовуються світлоперетворювачі, тому що основна частина спектру люмінесценції лежить в області далекого ультрафіолету. Світлоперетворювачі повинні володіти високим коефіцієнтом конверсії, оптичною прозорістю в тонких шарах, низькою пружністю насиченої пари, а також механічною та хімічною стійкістю. Як матеріали для світлоперетворювачів в основному використовуються різні органічні сполуки, наприклад: дифенілстильбен (ефективність перетворення близько 1), P 1 p’-кватерфеніл (~1), антрацен (0,34) та ін. Світлоперетворювач наноситься тонким шаром на фотокатод ФЕУ. Важливим параметром світлоперетворювача є час висвітлення. Щодо цього органічні перетворювачі є цілком задовільними (10 -9 сікабо кілька одиниць на 10 -9 сек).Для збільшення світлозбору внутрішні стінки камери сцинтилятора зазвичай покриваються світловідбивачами (MgO, емаль на основі окису титану, фторопласт, оксид алюмінію та ін.).

Фотокатод, система фокусування, помножувальна система (диноди), анод (колектор) - основні елементи ФЕУ. Всі ці елементи розташовуються у скляному балоні, відкачаному до високого вакууму (10 -6 мм рт.ст.).

Фотокатод зазвичай розташовується на внутрішній поверхні плоскої торцевої частини балона ФЕУ з метою спектрометрії ядерних випромінювань. Як матеріал фотокатода вибирається речовина досить чутлива до світла, що випускається сцинтиляторами. Найбільшого поширення набули сурм'яно-цезієві фотокатоди, максимум спектральної чутливості яких лежить при l = 39004200 А, що відповідає, максимумам спектрів люмінесценції багатьох сцинтиляторів.

Мал. 4. Принципова схема ФЕУ.

Властивості фотокатода характеризуються також інтегральною чутливістю, що є відношенням фотоструму. (мка) досвітловому потоку, що падає на фотокатод (Лм).

Квантовий вихід катода, тобто ймовірність виривання фотоелектрона фотоном, що потрапив на фотокатод, також є однією з його характеристик. Розмір e може досягати 10-20%.

Фотокатод наноситься на скло у вигляді тонкого напівпрозорого шару. Товщина цього шару має значення. З одного боку, для великого поглинання світла вона повинна бути значною, з іншого боку, фотоелектрони, що виникають, володіючи дуже малою енергією не зможуть виходити з товстого шару і ефективний квантовий вихід може виявитися малим, тому підбирається оптимальна товщина фотокатода. Також важливо забезпечити рівномірну товщину фотокатода, щоб його чутливість була однакова по всій площі.

У сцинтиляційній g-спектрометрії часто необхідно використовувати тверді сцинтилятори великих розмірів, як за товщиною, так і діаметром, тому виникає необхідність виготовляти ФЕУ з великими діаметрами фотокатодів.

Фотокатоди у вітчизняних ФЕУ робляться з діаметром від кількох сантиметрів до 15¸20 див.фотоелектрони, що вибиті з фотокатода, повинні бути сфокусовані на перший помножувальний електрод. Для цього використовується система електростатичних лінз, які є рядом фокусуючих діафрагм. Для отримання хороших тимчасових характеристик ФЕУ важливо створити таку систему, що фокусує, щоб електрони потрапляли на перший динод з мінімальним тимчасовим розкидом.

Важливою характеристикою ФЕУ є коефіцієнт множення М.Якщо значення s для всіх динодів однакове (при повному збиранні електронів на динодах), а число динодів дорівнює n,то

A та B постійні, u – енергія електронів. Коефіцієнт множення Мне дорівнює коефіцієнту посилення М", який характеризує відношення струму на виході ФЕУ до струму, що виходить із катода

М" = СМ,

де З<1 - Коефіцієнт збору електронів, що характеризує ефективність збору фотоелектронів на перший динод.

Дуже важливою є сталість коефіцієнта посилення М"ФЕУ як у часі, так і за зміни числа електронів, що виходять з фото катода. Остання обставина дозволяє використовувати сцинтиляційні лічильники як спектрометри ядерних випромінювань.

Помножують електроди звуться динодів. Диноди виготовляються з матеріалів, коефіцієнт вторинної емісії яких більше одиниці (s>1). У вітчизняних ФЕУ діноди виготовляються або у вигляді коритоподібної форми (рис. 4), або у вигляді жалюзі. В обох випадках диноди розташовуються в лінію. Можливе також і кільцеподібне розташування динодів. ФЕУ з кільцеподібною системою динодів мають кращі часові характеристики. Емітуючим шаром динодів є шар із сурми та цезію або шар із спеціальних сплавів.

Сфокусовані на перший динод, фотоелектрони вибивають із нього вторинні електрони. Число електронів, що залишають перший динод, у кілька разів більше за кількість фотоелектронів. Всі вони прямують на другий динод, де також вибивають вторинні електрони і т. д., від диноду до диноду, число електронів збільшується в разів. При проходженні всієї системи динодів потік електронів зростає на 5-7 порядків і потрапляє на анод - електрод ФЕУ, що збирає. Якщо ФЕУ працює у струмовому режимі, то ланцюг анода включаються прилади, що підсилюють і вимірюють струм. При реєстрації ядерних випромінювань зазвичай необхідно вимірювати кількість імпульсів, що виникають під впливом іонізуючих частинок, а також амплітуду цих імпульсів. У цих випадках ланцюг анода включається опір, на якому і виникає імпульс напруги.

На рис.4 наведено схематичне пристрій фотоелектронного помножувача. Висока напруга, що живить ФЕУ, негативним полюсом приєднується до катода і розподіляється між усіма електродами. Різниця потенціалів між катодом і діафрагмою забезпечує фокусування фотоелектронів на перший електрод, що множить.

Досить хорошим коефіцієнтом вторинної емісії є s = 5. Максимальне значення s для сурм'яно-цезієвих емітерів досягається при енергії електронів 350 400 ев,а для сплавних емітерів - при 500...550 ев.У першому випадку s=1214, у другому s=710. У робочих режимах ФЕУ значення s дещо менше.

До конструкцій сцинтиляційних лічильників висуваються такі вимоги:

• рівномірний розподіл світла по фотокатоду;
• відсутність впливу магнітних полів;
• найкращий збір світла сцинтиляцій на фотокатоді;
• затемнення від світла сторонніх джерел;
• стабільність коефіцієнта посилення ФЕУ

При використанні сцинтиляційних лічильників завжди необхідно домагатися найбільшого відношення амплітуди імпульсів сигналу до амплітуди шумових імпульсів, що змушує оптимально використовувати інтенсивність спалахів, що виникають у сцинтиляторі.

Живлення ФЕУ проводиться за допомогою дільника напруги, що дозволяє подавати на кожен електрод відповідний потенціал. Негативний полюс джерела живлення підключається до фотокатода і одного з кінців дільника. Позитивний полюс та інший кінець дільника заземлюються. Опір дільника підбираються таким чином, щоб було здійснено оптимальний режим роботи ФЕУ. Для більшої стабільності струм через дільник повинен перевищувати електронні струми, що йдуть через ФЕУ.

Мал. 6. Зчленування ФЕУ з рідким сцинтилятором.

1-рідкий сцинтилятор;

3-світлозахисний кожух.

p align="justify"> При роботі сцинтиляційного лічильника в імпульсному режимі на виході ФЕУ виникають короткі (~10 -8 сек)імпульси, амплітуда яких може становити кілька одиниць чи кілька десятків вольт. При цьому потенціали на останніх динодах можуть зазнавати різких змін, так як струм через дільник не встигає заповнити заряд, що носить каскад електронами. Щоб уникнути таких коливань потенціалів, кілька останніх опорів дільника шунтуються ємностями. За рахунок підбору потенціалів на динодах створюються сприятливі умови для збирання електронів цих динодах, тобто. здійснюється певна електроннооптична система, що відповідає оптимальному режиму.

В електроннооптичній системі траєкторія електрона не залежить від пропорційної зміни потенціалів на всіх електродах, що утворюють цю електроннооптичну систему. Так і в помножувачі при зміні напруги живлення змінюється лише коефіцієнт посилення його, але електронно-оптичні властивості залишаються незмінними.

При непропорційній зміні потенціалів на динодах ФЕУ, умови фокусування електронів на ділянці, де порушена пропорційність, змінюються. Ця обставина використовується для самостабілізації коефіцієнта посилення ФЕУ. З цією метою потенціал

Мал. 7. Частина схеми дільника.

одного з динодів по відношенню до потенціалу попереднього динода задається постійним або за допомогою додаткової батареї, або за допомогою додатково стабілізованого дільника. На рис.7 наведено частину схеми дільника, де між динодами D 5 і D 6 включена додаткова батарея ( U б = 90 в).Для найкращого ефекту самостабілізації необхідно підібрати величину опору R".Зазвичай R"більше Rв 3-4 рази.

Навіть за відсутності зовнішнього опромінення в сцинтиляційних лічильниках можлива поява великої кількості імпульсів на виході ФЕУ. Ці імпульси зазвичай мають невеликі амплітуди і звуться шумових.

Найбільше шумових імпульсів обумовлюється появою термоелектронів з фотокатода і навіть із перших динодов. Для зменшення шумів ФЕУ часто використовується його охолодження. При реєстрації випромінювань, що створюють великі за амплітудою імпульси, в схему, що реєструє, включається дискримінатор, що не пропускає шумові імпульси.

Мал. 5. Схема придушення шумів ФЭУ.

Розглянемо наступний приклад:

Для реєстрації імпульсів з амплітуд, порівнянної з шумовими імпульсами, раціонально використовувати один сцинтилятор із двома ФЕУ, включеними до схеми збігів (рис. 5).

Тоді відбувається тимчасова селекція імпульсів, що виникли від частки, що реєструється - спалах світла, що виник у сцинтиляторі від частки, що реєструється, потрапить одночасно на фтокатоди обох ФЕУ, і на їх виході одночасно з'являться імпульси, що змушують спрацювати схему збігів. Частка буде зареєстрована. Шумові імпульси в кожному з ФЕУ з'являються незалежно один від одного і найчастіше не будуть зареєстровані схемою збігів. Такий спосіб дозволяє зменшувати власне тло ФЕУ на 2-3 порядки.

Число шумових імпульсів залежить від величини прикладеної напруги, і ратет з його зростанням спочатку досить повільно, потім зростання різко збільшується. Причиною цього різкого зростання фону є автоелектронна емісія з гострих країв електродів та виникнення зворотного іонного зв'язку між останніми динодами та фотокатодом ФЕУ.

Виникнення свічення як залишкового газу, і конструктивних матеріалів можливе у районі анода. Слабке світіння, що виникло, а також зворотний іонний зв'язок зумовлюють появу так званих супроводжуючих імпульсів, віддалених за часом від основних на 10 -8 10 -7 сек.

Сцинтилятор не може бути поміщений безпосередньо на фотокатод ФЕУ в деяких експериментах, наприклад при вимірюваннях у вакуумі, магнітних полях, сильних полях іонізуючих випромінювань, тоді для передачі світла від сцинтилятора на фотокатод використовується світлопровід. Як світлопроводи застосовуються поліровані стрижні з прозорих матеріалів - таких, як люсіт, плексиглас, полістирол, а також металеві або плексигласові трубки, заповнені прозорою рідиною. Втрати світла у світлопроводі залежать від його геометричних розмірів та від матеріалу. У деяких експериментах необхідно використати вигнуті світлопроводи. Найкраще застосовувати світлопроводи з великим радіусом кривизни. Світлопроводи дозволяють також зчленовувати сцинтилятори та ФЕУ різних діаметрів. При цьому використовуються конусоподібні світлопроводи. Зчленування ФЕУ з рідким сцинтилятором проводиться через світлопровід, або безпосереднім контактом з рідиною. На рис.6 наведено приклад зчленування ФЕУ з рідким сцинтилятором. У різних режимах роботи на ФЕУ подається напруга від 1000 до 2500 в.Так як коефіцієнт посилення ФЕУ дуже різко залежить від напруги, то джерело струму повинен бути добре стабілізований. Крім того, можливе здійснення самостабілізації.

Зазвичай сцинтилятор пакують у металевий контейнер, що закривається з одного кінця плоским склом. Між контейнером і сцинтилятором розміщується шар матеріалу, що відображає світло і сприяє повному його виходу. Найбільшу відбивну здатність мають окис магнію (0,96), двоокис титану (0,95), гіпс (0,85-0,90), використовується також алюміній (0,55-0,85).

На ретельну упаковку гігроскопічних сцинтиляторів має бути звернена особлива увага. Так, наприклад, фосфор NaJ (Tl), що найчастіше використовується, дуже гігроскопічний і при проникненні в нього вологи жовтіє і втрачає свої сцинтиляційні властивості. Пластмасові сцинтилятори не потрібно упаковувати в герметичні контейнери, але для збільшення світлозбору можна оточити сцинтилятор відбивачем. Всі тверді сцинтилятори повинні мати на одному з торців вихідне вікно, яке зчленовується з фотокатодом ФЕУ. У місці зчленування можуть бути значні втрати інтенсивності світла сцинтиляції. Для уникнення цих втрат між сцинтилятором та ФЕУ вводиться канадський бальзам, мінеральні або силіконові олії та створюється оптичний контакт.

Вперше фотографування слідів іонізуючих частинок у люмінесцентних речовинах за допомогою чутливих електроннооптичних перетворювачів (ЕОП) було здійснено у 1952 р. радянськими фізиками Завойським. Перші досліди були зроблені з використанням кристала CsJ (Tl).

Цей метод реєстрації частинок, названий люмінесцентною камерою, має високу роздільну здатність за часом.

Сьогодні для виготовлення люмінесцентної камери використовують пластмасові сцинтилятори у вигляді довгих тонких стриженьків (ниток), які укладаються у вигляді стопки рядами так, що нитки у двох сусідніх рядах розташовані під прямим кутом один до одного. Цим забезпечується можливість стереоскопічного спостереження відтворення просторової траєкторії частинок. Зображення від кожної із двох груп взаємно перпендикулярних ниток спрямовуються на окремі електроннооптичні перетворювачі. Нитки відіграють також роль світлопроводів. Світло дають ті нитки, які перетинає частка. Це світло виходить через торці відповідних ниток, що фотографуються. Виготовляються системи з діаметром окремих ниток від 0,5 до 1,0 мм.

Вивчення квантових показників збуджених станів ядер одна із головних завдань ядерної фізики. Ядра, що утворюються при радіоактивному розпаді або в різних ядерних реакціях, часто опиняються в збудженому стані. Дуже важливою характеристикою збудженого стану ядра є час його життя t.Знання цієї величини дозволяє отримувати багато відомостей про структуру ядра.

Атомні ядра можуть у збудженому стані різні часи. Для виміру цих часів існують різні методи. Дуже зручними для вимірювання часів життя рівнів ядер від кількох секунд до дуже малих часток виявилися сцинтиляційні лічильники.

Розглянемо приклад використання сцинтиляційних лічильників для вимірювання часу життя збуджених станів ядер метод затриманих збігів.

Нехай ядро ​​A (див. рис.10) шляхом b-розпаду перетворюється на ядро Уу збудженому стані, яке надлишок своєї енергії віддає на послідовне випромінювання двох g-квантів (g 1, g 2). Потрібно визначити час життя збудженого стану I.

Препарат, що містить ізотоп A, встановлюється між двома лічильниками кристалами NaJ(Tl) (рис.8). Імпульси, що виникли на виході ФЕУ, подаються на схему швидких збігів з роздільною здатністю ~10 -8 -10 -7 сек.Крім того, імпульси подаються на лінійні підсилювачі і далі на амплітудні аналізатори. Останні налаштовуються в такий спосіб, що вони пропускають імпульси певної амплітуди. Для нашої мети, тобто. для мети вимірювання часу життя рівня I(див. рис. 10), амплітудний аналізатор AAIповинен пропускати тільки імпульси, що відповідають енергії квантів g 1 а аналізатор AAII - g 2 .

Рис.8. Принципова схема визначення

часу життя збуджених станів ядер.

Далі імпульси з аналізаторів, а також швидкої схеми збігів подаються на повільну (t~10 -6 сік)схему потрійних збігів. В експерименті вивчаються залежність числа потрійних збігів від величини тимчасової затримки імпульсу, включеної перший канал схеми швидких збігів. Зазвичай затримка імпульсу здійснюється з допомогою так званої змінної лінії затримки ЛЗ (рис.8). Лінія затримки повинна включатися саме в той канал, в якому реєструється квант g 1 так як він випускається раніше кванта g 2 . В результаті експерименту будується напівлогарифмічний графік залежності кількості потрійних збігів від часу затримки (рис.9), і вже по ньому визначається час життя збудженого рівня I(Так само, як це робиться при визначенні періоду напіврозпаду за допомогою одиночного детектора).

Використовуючи сцинтиляційні лічильники з кристалом NaJ(Tl) та розглянуту схему швидко-повільних збігів, можна вимірювати часи життя 10 -7 -10 -9 сек.Якщо ж використовувати швидші органічні сцинтилятори, можна вимірювати і менші часи життя збуджених станів (до 10 -11 сік).

Рис.9. Залежність кількості збігів від величини затримки.

Практично всі властивості нейтрино - найзагадковіша з елементарних частинок отримані з непрямих даних.

Нейтрино може долати величезні товщі речовини, не взаємодіючи з нею. При радіоактивному розпаді ядер випускаються два сорти нейтрино. Так, при позитронному розпаді ядро ​​випускає позитрон (античастка) та нейтрино (n-частка). При електронному розпаді випромінюється електрон (частка) та антинейтрино (`n-античастинка).

Деякі експерименти дозволяють стверджувати, що. Сучасна теорія b-розпаду передбачає, що маса нейтрино mn дорівнює нулю. Спин нейтрино дорівнює 1/2, магнітний момент<10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю.

Надію виявлення антинейтрино вселило створення ядерних реакторів, у яких утворюється дуже багато ядер з надлишком нейтронів. Усі нейтроннонадлишкові ядра розпадаються з випромінюванням електронів, отже, і антинейтрино. Поблизу ядерного реактора потужністю кілька сотень тисяч кіловат потік антинейтрино становить 10 13 см -2 сек -1 -потік величезної густини, і при виборі відповідного детектора антинейтрино можна було спробувати їх виявити. Така спроба була здійснена Рейнесом та Коуеном у 1954 р. Автори використали наступну реакцію:

n+ p ® n + e + (1)

цієї реакції частинками-продуктами є позитрон та нейтрон, які можуть бути зареєстровані.

Рідкий сцинтилятор об'ємом ~1 м 3 ,з високим вмістом водню, насичений кадмієм, служив детектором і водневою мішенню. Позитрони, що виникають у реакції (1), анігілювали у два g-кванти з енергією 511 кевкожен і зумовлювали появу першого спалаху сцинтилятора. Нейтрон протягом кількох мікросекунд сповільнювався та захоплювався кадмієм. При цьому захопленні кадмієм випускалося кілька g-квантів із сумарною енергією близько 9 Мев.В результаті в сцинтиляторі виник другий спалах. Вимірювалися збігові збіги двох імпульсів. Для реєстрації спалахів рідкий сцинтилятор оточувався великою кількістю ФЕУ.

Швидкість рахунку запізнюваних збігів складала три відліки на годину. З цих даних було отримано, що переріз реакції (рис. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10 -43 см 2що близько до розрахункової величини.

Сцинтиляційні лічильники дуже великих розмірів сьогодні використовуються в багатьох експериментах, зокрема в експериментах щодо вимірювання потоків g-випромінювань, що випускаються людиною та іншими живими організмами.

Газові сцинтиляційні лічильники виявилися дуже зручними для реєстрації уламків поділу виявилися зручними. Дуже важливою властивістю газового сцинтиляційного лічильника є його низька чутливість до g-променів, оскільки часто поява важких заряджених частинок супроводжується інтенсивним потоком g-променів.

Експеримент з вивчення перерізу поділу відбувається таким чином: шар елемента, що вивчається, наноситься на якусь підкладку і опромінюється потоком нейтронів. Звичайно, чим більше буде використовуватися речовини, що ділиться, тим більше відбуватиметься актів поділу. Але так як речовини, що зазвичай діляться (наприклад, трансуранові елементи) є a-випромінювачами, то використання їх у значних кількостях стає скрутним через великий фон від a-часток. І якщо акти поділу вивчаються за допомогою імпульсних іонізаційних камер, то можливе накладення імпульсів від a-часток на імпульси, що виникли від уламків поділу.

Тільки прилад, що володіє кращою тимчасовою роздільною здатністю, дозволить використовувати великі кількості речовини, що ділиться без накладання імпульсів один на одного. У цьому відношенні газові сцинтиляційні лічильники мають значну перевагу в порівнянні з імпульсними іонізаційними камерами, оскільки тривалість імпульсів у останніх на 2-3 порядки більша, ніж у газових лічильників сцинтиляційних.

Амплітуди імпульсів від уламків поділу набагато більше, ніж від a-частинок і тому можуть бути легко відокремлені за допомогою амплітудного аналізатора.

Все частіше в техніці для виявлення дефектів у трубах, рейках та інших великих металевих блоках застосовуються ядерні випромінювання, що мають велику проникаючу здатність.

Для цих цілей використовується джерело g-випромінювання та детектор g-променів. Найкращим детектором у цьому випадку є сцинтиляційний лічильник, що має велику ефективність реєстрації.

Такого виду експерименти наводяться в такий спосіб. Джерело випромінювання міститься в свинцевий контейнер, з якого через коліматорний отвір виходить вузький пучок g-променів, що висвітлює трубу, з протилежного боку якої встановлюється сцинтиляційний лічильник. Джерело та лічильник поміщаються на рухомий механізм, що дозволяє пересувати їх уздовж труби, а також повертати біля її осі. Проходячи через матеріал труби, пучок g-променів частково поглинатиметься; якщо труба однорідна, поглинання буде всюди однаковим, і лічильник завжди реєструватиме одне і те ж число (в середньому) g-квантів в одиницю часу, якщо ж в якомусь місці труби є раковина, то g-промені в цьому місці будуть поглинатися менше, швидкість рахунку збільшиться. Розташування раковини буде виявлено.

Крім перерахованих вище, можна навести багато прикладів подібного використання сцинтиляційних лічильників.

Література:

1. Дж.Біркс. Сцинтиляційні лічильники. М., ІЛ, 1955.
2. В.О.Вяземський, І.І. Ломоносов, В.А. Рузин. Сцинтиляційний метод у радіометрії. М., Госатоміздат, 1961.
3. Ю.А. Єгоров. Стинціляційний метод спектрометрії гамма випромінювання та швидких нейтронів. М., Атоміздат, 1963.
4. П.А. Тишкін. Експерементальні методи ядерної фізики (детектори ядерних випромінювань).

Видавництво Ленінградського університету, 1970.

5 Г.С. Ландсберг. Елементарний підручник фізики (том 3). М., Наука, 1971

1.1 Принцип роботи сцинтиляційного лічильника

Сцинтиляційний лічильник є поєднанням сцинтилятора (фосфору) і фотоелектронного помножувача (ФЕУ). У комплект лічильника входять також джерело електричного живлення ФЕУ та радіотехнічна апаратура, що забезпечує посилення та реєстрацію імпульсів ФЕУ. Іноді поєднання фосфору з ФЕУ здійснюється через спеціальну оптичну систему (світлопровід).

p align="justify"> Принцип дії сцинтиляційного лічильника полягає в наступному: заряджена частка, проходячи через сцинтилятор, поряд з іонізацією атомів і молекул збуджує їх. Повертаючись у незбуджений (основний) стан, атоми випускають фотони. Випромінене світло збирається – у спектральному діапазоні сцинтилятора – на фотоприймач. Як останній часто служить фотоелектронний помножувач

Фотоелектронний помножувач є скляним циліндром, відкачений до залишкового тиску не вище 10-6 мм рт. ст., в торці якого розташоване прозоре плоске вікно, на поверхню якого з боку об'єму, що евакуюється, нанесений тонкий шар речовини з малою роботою виходу електронів (фотокатод), зазвичай на основі сурми і цезію. Далі в евакуйованому просторі розташовується серія електродів - дінодів, на які за допомогою дільника напруги від джерела електроживлення подається різниця потенціалів, що послідовно зростає. Диноди ФЕУ виготовляються з речовини також із малою роботою виходу електронів. Вони здатні при бомбардуванні їх електронами випускати вторинні електрони у кількостях, що перевищують число первинних у кілька разів. Останній динод є анодом ФЕУ. Основним параметром ФЕУ є коефіцієнт посилення за певного режиму харчування. Зазвичай ФЕУ містить дев'ять і більше динодів і посилення первинного струму досягає різних помножувачів величин 105 – 1010 разів, що дозволяє отримувати електричні сигнали амплітудою від вольт до десятків вольт.

Мал. 1. Блок-схема сцинтиляційного лічильника.

Фотони, потрапляючи на фотокатод ФЕУ, в результаті фотоефекту вибивають електрони, внаслідок чого на аноді ФЕУ виникає електричний імпульс, який посилюється динодної системи за рахунок механізму вторинної електронної емісії. Анодний струмовий сигнал ФЕУ – через підсилювач чи безпосередньо – подається на вхід вимірювального приладу – лічильника імпульсів, осцилографа, аналогоцифрового перетворювача тощо. Амплітуда та тривалість імпульсу на виході визначаються властивостями як сцинтилятора, так і ФЕУ.

У ряді випадків на виході підсилювача спостерігається велика кількість імпульсів (зазвичай малих за амплітудою), не пов'язаних із реєстрацією ядерних частинок, а саме, імпульсів власних шумів ФЕУ та прискорювача. Для усунення шумів між підсилювачем і лічильником імпульсів включається інтегральний амплітудний дискримінатор, що пропускає ті імпульси, амплітуди яких більше деякого значення порогової напруги.

Детектування нейтральних частинок (нейтронів, -квантів) відбувається за вторинними зарядженими частинками, що утворюються при взаємодії нейтронів і -квантів з атомами сцинтилятора.

Сцинтиляційний лічильник складається з двох складових, як сцинтилятор (фосфор) і помножувач фотоелектронного типу. У базовій комплектації до цього лічильника виробники додали джерело для електричного живлення та радіотехнічну апаратуру, що забезпечує посилення та реєстрацію імпульсів ФЕУ. Часто поєднання всіх елементів даної системи здійснюється за допомогою оптичної системи - світлопроводу. Далі у статті розглянемо принцип дії сцинтиляційного лічильника.

Особливості роботи

Пристрій сцинтиляційного лічильника досить складний, тому цій темі потрібно приділити більше уваги. Суть роботи даного апарату ось у чому.

У прилад надходить заряджена частка, внаслідок цього відбувається збудження всіх молекул. Дані об'єкти через певний проміжок часу заспокоюються, й у процесі вони випускають звані фотони. Весь цей процес необхідний для того, щоб відбулися певні фотони проходять на фотокатод. Цей процес необхідний появи фотоелектронів.

Фотоелектрони фокусуються та надходять на початковий електрод. Ця дія відбувається через роботу так званого ФЕУ. У наступному дії число цих електронів збільшується у кілька разів, чому сприяє електронна емісія. Внаслідок цього з'являється напруга. Далі воно лише збільшує свою безпосередню дію. Тривалість імпульсу та його амплітуда при виході визначаються характерними властивостями.

Що застосовується замість фосфору?

У цьому апараті придумали заміщення такого елемента, як фосфор. Як правило, виробники використовують:

• кристали органічного типу;
• сцинтилятори з рідини, які також мають бути органічного типу;
• тверді сцинтилятори, які виготовлені з пластмаси;
• сцинтилятори із газу.

Поглянувши на дані заміщення фосфору, можна побачити, що виробники здебільшого використовують виключно органічні речовини.

Головна характеристика

Настав час поговорити про головну характеристику сцинтиляційних лічильників. Насамперед необхідно відзначити вихід світла, випромінювання, його так званий спектральний склад і тривалість сцинтиляції.

У процесі проходження через сцинтилятор різних заряджених частинок виробляється кілька фотонів, які несуть тут чи іншу енергію. Досить велика частина вироблених фотонів буде поглинена і знищена в самому резервуарі. Замість фотонів, які були поглинені, виготовляються інші види частинок, які становитимуть енергію дещо меншого характеру. В результаті цієї дії будуть з'являтися фотони, властивості яких характерні виключно для сцинтилятора.

Світловий вихід

Далі розглянемо сцинтиляційний лічильник та принцип його дії. Тепер приділимо увагу виходу світла. Цей процес також має назву ефективність конверсійного типу. Вихід світла - це так зване відношення енергії, яка виходить назовні, до величини енергії зарядженої частки, втраченої в сцинтиляторі.

У цій дії середня кількість фотонів виходить виключно назовні. Це також називається енергією середнього характеру фотонів. Кожна із присутніх у приладі частинок виводить назовні не моноенергетику, а лише спектр суцільною смугою. Адже саме він є характерним для такого типу роботи.

Необхідно приділити увагу найважливішому, адже даний спектр фотонів самостійно виходить із відомого нам сцинтилятора. Важливо, щоб він збігався чи хоча б частково перекривався зі спектральною характеристикою ФЕУ. Це перекриття елементів сцинтилятора з іншою характеристикою визначається виключно за рахунок узгодженого виробниками коефіцієнта.

У цьому коефіцієнті спектр зовнішнього типу або спектр наших фотонів виходить у зовнішнє середовище даного приладу. На сьогоднішній день існує таке поняття, як сцинтиляційна ефективність. Вона є порівнянням приладу з іншими даними ФЕУ.

Дане поняття поєднує у собі кілька аспектів:

• Ефективність бере до уваги кількість наших фотонів, що випускаються сцинтилятором на одиницю поглиненої енергії. Також цим показником враховується чутливість приладу до фотонів.
• Ефективність даної роботи, як правило, оцінюється за рахунок порівняння зі сцинтиляційною ефективністю сцинтилятора, прийнятого за зразок.

Різні зміни сцинтиляції

Принцип дії сцинтиляційного лічильника також складається з такого важливого аспекту. Сцинтиляція може бути піддана тим чи іншим змінам. Вони розраховуються за спеціальним законом.

У ньому I 0 позначає максимальний показник інтенсивності сцинтиляції, що розглядається нами. Що ж до показника t 0 - це постійна величина і означає вона час так званого згасання. Це згасання показує час, протягом якого інтенсивність зменшується у своєму показнику у певні (е) рази.

Також необхідно приділити увагу числу так званих фотонів. Воно у законі позначається буквою n.

Повна кількість фотонів, випущених у процесі сцинтиляції. Ці фотони випускаються у певний час і реєструються у приладі.

Процеси роботи фосфору

Як ми писали раніше, сцинтиляційні лічильники діють з урахуванням роботи такого елемента, як фосфор. У цьому елементі здійснюється процес так званої люмінесценції. І він поділяється на кілька видів:

• Перший вид є флуоресценцією.
• Другий вид – це фосфоресценція.

Ці два види відрізняються насамперед за рахунок часу. Коли так зване висвічування відбувається у злитті з іншим процесом або протягом часу близько 10 -8 сек - це перший вид процесу. Що ж до другого типу, то тут інтервал часу дещо більший за попередній тип. Ця розбіжність у часі виникає з тієї причини, що цей інтервал відповідає життю атома в неспокійному стані.

Загалом тривалість першого процесу зовсім не залежить від показника неспокійності того чи іншого атома, але щодо виходу даного процесу, то на це впливає саме збудливість даного елемента. Варто також наголосити на тому факті, що у випадку з неспокійністю певних кристалів швидкість так званого виходу дещо менша, ніж при фотозбудженні.

Що таке фосфоресценція?

Переваги сцинтиляційного лічильника включають процес фосфоресценції. Під цим поняттям більшість людей розуміють лише люмінесценцію. Тому розглянемо ці особливості на основі цього процесу. Цей процес - це так зване продовження процесу після завершення того чи іншого типу роботи. Фосфоресценція кристалофосфорів виникає при рекомбінації електронів і дірок, що виникли при збудженні. У певних об'єктах фосфору неможливо здійснити уповільнення процесу, оскільки електрони та його дірки потрапляють у звані пастки. З цих пасток вони можуть звільнитися самостійно, але для цього їм, як і іншим речовинам, необхідно отримати додатковий запас енергії.

У зв'язку з цим тривалість процесу має залежність від тієї чи іншої температури. Якщо в процесі беруть участь інші молекули органічного характеру, то процес фосфоресценції відбувається лише у разі перебування їх у метастабільному стані. А перейти у нормальний стан ці молекули не можуть. Лише в такому випадку ми можемо побачити залежність цього процесу від швидкості та від самої температури.

Особливості лічильників

Має сцинтиляційний лічильник гідності та недоліки, які ми розглянемо у цьому розділі. Насамперед опишемо переваги приладу, адже їх досить багато.

Фахівці виділяють досить високий показник тимчасової здатності. За часом один імпульс, який видає цей прилад, не перевищує десяти секунд. Але це у тому випадку, якщо використовуються певні прилади. Цей лічильник має цей показник у кілька разів менший, ніж інші його аналоги з розрядом самостійного характеру. Це чудово сприяє його застосуванню, адже швидкість рахунку збільшується у кілька разів.

Наступною позитивною якістю даних є досить дрібний показник спізнювального імпульсу. Але такий процес здійснюється лише після того, як частки пройдуть період реєстрації. Це також дозволяє заощадити час подачі імпульсу даного виду приладу.

Також сцинтиляційні лічильники мають досить високий рівень реєстрації тих чи інших частинок, до яких належать нейрони та їх промені. Для того, щоб збільшити рівень реєстрації, обов'язково необхідно, щоб саме ці частки вступили в реакцію з так званими детекторами.

Виготовлення апаратів

Хто винайшов сцинтиляційний лічильник? Зробив це німецький фізик Кальман Хартмут Пауль у 1947 році, а 1948-го вчений винайшов нейтронну радіографію.Принцип роботи сцинтиляційного лічильника дозволяє випускати його досить великого розміру. Це сприяє тому, що можна здійснювати так званий герметичний аналіз досить великого потоку енергії, до якої належать ультрафіолетові промені.

Також можна ввести до складу приладу певні речовини, із якими досить добре можуть взаємодіяти нейтрони. Що, безумовно, має свої безпосередні позитивні якості у виготовленні та майбутньому застосуванні лічильника даного характеру.

Вид конструкції

Частинки сцинтиляційного лічильника забезпечують його якісну роботу. Споживачі висувають такі вимоги до роботи пристрою:

• на так званому фотокатоді йде найкращий показник збирання світла;
• цим фотокатодом йде розподіл світла виключно рівномірного типу;
• непотрібні частинки в приладі зазнають затемнення;
• магнітні поля не несуть абсолютно ніякого впливу на весь процес, що несе;
• коефіцієнт у разі є стабільним.

Недоліки сцинтиляційний лічильник має мінімальні. При здійсненні роботи необхідно обов'язково домогтися, щоб амплітуда сигнальних типів імпульсів відповідала іншим видам амплітуд.

Упаковка лічильника

Найчастіше сцинтиляційний лічильник пакують у металевий контейнер, у якому з одного боку є скло. Крім того, м їжу самим контейнером та сцинтилятором розміщується шар спеціального матеріалу, який не дає надходити ультрафіолетовим променям та теплу. Пластмасові сцинтилятори немає необхідності упаковувати в герметичні контейнери, проте в всі тверді сцинтилятори повинні мати на одному з торців вихідне вікно.Дуже важливо приділяти увагу упаковці приладу.

Переваги лічильників

Переваги сцинтиляційного лічильника полягають у таких аспектах:

• Чутливість даного приладу завжди на найвищому рівні, а від цього залежить і його безпосередня ефективність.
• Здібності приладу включають широкий спектр послуг.
• Здібності з відмінності тих чи інших частинок використовують лише інформацію про їхню енергію.

Саме за рахунок вищенаведених показників даний вид лічильника обійшов усіх своїх конкурентів і по праву став найкращим приладом свого роду.

До його недоліків належить чутливе сприйняття зміни тієї чи іншої температури, а також умов навколишнього середовища.