Сцинтилляционный детектор неорганический сдн 64. Сцинтилляционный детектор

Лабораторная работа 3

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Цель работы : изучить основы сцинтилляционного метода регистрации излучения; изучить устройство сцинтилляционного детектора и определить эффективность регистрации гамма - излучения Cs - 137.

УСТРОЙСТВО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Введение

Сцинтилляционный метод регистрации частиц – один из наиболее старых методов регистрации. Еще в 1919 г. в опытах по рассеянию заряженных частиц на ядрах Э. Резерфорд с сотрудниками регистрировали a-частицы, визуально наблюдая вспышки света в ZnS(Ag). Однако широкое развитие сцинтилляционный метод регистрации частиц получил лишь после изобретения фотоэлектронных умножителей – приборов, обладающих способностью регистрировать слабые вспышки света.

Один из первых фотоумножителей был построен в СССР в начале 40-х годов ХХ в. И с 1947 г. началось интенсивное развитие сцинтилляционного метода регистрации. Благодаря своей высокой эффективности сцинтилляционные детекторы и спектрометры получили применение в ядерной физике, биологии, геологии, медицине и в других отраслях науки и техники.

Основными элементами сцинтилляционного детектора являются сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ ), оптическая система для сочленения сцинтиллятора и ФЭУ.

При взаимодействии с веществом сцинтиллятора заряженные частицы теряют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов cреды. Гамма-излучение, как излучение косвенно ионизирующее, само непосредственно ионизацию и возбуждение не производит: ионизируют и возбуждают атомы вещества сцинтиллятора электроны, образованные при взаимодействии γ-излучения с веществом сцинтиллятора. Возникающее при снятии возбуждения атомов излучение выходит из cреды в виде световых вспышек-сцинтилляций, число фотонов в которых зависит как от свойства и размеров сцинтиллятора, так и от вида частиц и энергии, передаваемой сцинтиллятору этими частицами.

Для регистрации этих сцинтилляций используется ФЭУ, преобразующий световые вспышки в электрические импульсы напряжения, поступающие далее в измерительный блок.

Основные характеристики сцинтилляторов

Сцинтилляторами обычно называют такие вещества, которые под действием ионизирующего излучения испускают фотоны в видимой или ультрафиолетовой части спектра. Причем при наличии большой вероятности испускания фотонов атомами и молекулами в возбужденных состояниях вероятность поглощения этих испущенных фотонов самим же сцинтиллирующим веществом должна быть мала: т. е. спектр испускания электромагнитного излучения должен быть сдвинут относительно спектра поглощения.

Все сцинтилляционные вещества можно разделить на три класса: на основе тех или иных органических соединений, неорганические кристаллы и газы.

Из органических соединений чаще всего применяются жидкие и твердые растворы ароматических соединений или монокристаллы антрацена, стильбена, толана и др.

Наиболее распространенными сцинтилляторами из неорганических кристаллов являются иодиты щелочных металлов, активированные таллием, и сульфид цинка, активированный серебром: NaJ(Tl), CsJ(Tl), ZnS(Ag). Чистые неактивированные криcталлы при комнатной температуре не обладают сцинтиллирующими свойствами.

С точки зрения регистрации излучений все сцинтилляторы, и органические и неорганические, должны удовлетворять некоторым требованиям как общего характера, так и специальным, обусловленным природой регистрируемых частиц.

Прежде всего вещество должно обладать высоким световым выходомc, определяемым как отношение среднего числа фотонов , возникающих в процессе одной сцинтилляции, к энергии , потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе:

Так как практический интерес представляет число фотонов, выходящих из сцинтиллятора , то целесообразно ввести понятие внешнего светового выхода :

где – коэффициент выхода фотонов из сцинтиллятора. Необходимо отметить, что внешний световой выход зависит от величины сдвига спектров испускания и поглощения, т. е. от прозрачности сцинтиллятора по отношению к собственному излучению, а также от толщины сцинтиллятора, количества примесей, уменьшающих его прозрачность, от состояния его поверхностей и т. п. В идеальных, абсолютно прозрачных для собственного излучения сцинтилляторах =.

Кроме светового выхода можно ввести понятие энергетического выхода x, выражающего отношение энергии фотонов, возникающих в процессе одной сцинтилляции, к энергии Е , потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе:

x = ,

где – средняя энергия фотонов сцинтилляции.

Процесс высвечивания сцинтилляции занимает конечное время. Так как время нарастания сцинтилляции значительно меньше времени спада (затухания сцинтилляции), то во всех практических случаях длительность сцинтилляции в целом можно характеризовать одной только постоянной времени t затухания процесса:

Величина t – время, в течение которого интенсивность высвечивания J падает в е раз. В экспериментах, где требуется высокое временное разрешение, сцинтилляторы выбираются с достаточно малым временем высвечивания.

Применяемые сцинтиллирующие неорганические кристаллы (NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Sn), LiJ(Tl), ZnS(Ag) ) характеризуются большим световым выходом и временем высвечивания (порядка 10–4 – 10–7 с). Органические кристаллы (стильбен, антрацен и другие) характеризуются не только меньшим световым выходом, чем неорганические, но и меньшим временем высвечивания (порядка 10–8 – 10–9 с). Из органических сцинтиллирующих растворов обычно применяются паратерфенил в ксилоле.

Процессы, происходящие в фотоумножителях,

и основные их характеристики

Импульс cвета, возникающий в сцинтилляторе при прохождении ионизирующей частицы, с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуется в электрический импульс.

Фотоэлектронный умножитель – это фотоэлемент с многократным усилением, которое основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Он состоит из фотокатода 4 , фокусирующего устройства 5 , нескольких динодов 6 и анода 8 (рис. 1). Все электроды ФЭУ помещены в баллон с высоким вакуумом . Фотокатод выполнен в виде тонкого полупрозрачного слоя и находится на внутренней стороне торцевой стенки стеклянного баллона ФЭУ. Для увеличения коэффициента вторичной эмиссии диноды покрыты тонкой пленкой вещества с малой работой выхода для электронов.

При работе ФЭУ ко всем его электродам приложены определенные разности потенциалов. Проникая сквозь прозрачное стекло, кванты света вырывают из светочувствительного слоя фотокатода некоторое количество электронов. Фотоэлектроны, выходящие с разными скоростями и под разными углами к поверхности катода, ускоряются электрическим полем в вакууме и с помощью фокусирующей системы собираются на первом диноде умножителя.

При ударах электронов о первый динод происходит вторичная электронная эмиссия. Электроны, выбитые из первого динода, вновь ускоряются в следующем межэлектродном промежутке и, попадая на второй динод, вызывают в свою очередь вторичную электронную эмиссию со второго динода. Для характеристики электронной эмиссии вводится величина, называемая коэффициентом вторичной эмиссии s, представляющим собой число вторичных электронов, выбитых одним первичным электроном. Описанный процесс происходит последовательно на всех динодах, и в зависимости от свойств и числа динодов при s > 1 число электронов на последних динодах может превысить первоначальное число фотоэлектронов на несколько порядков. Электроны с последнего динода собираются на аноде фотоумножителя.

Физические явления, лежащие в основе работы ФЭУ – фотоэлектрический эффект и вторичная электронная эмиссия, носят статистический характер. Поэтому параметры ФЭУ также имеют статистическую природу и, говоря о них, будем подразумевать средние значения этих параметров.

Характеристики фотокатода образуют группу параметров ФЭУ. Из них наиболее важное значение имеют квантовый выход, спектральная характеристика, интегральная чувствительность.

Квантовый выход фотокатода e представляет собой вероятность вырывания одного фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. При этом подразумевается, что падающий на фотокатод свет близок к монохроматическому. Квантовый выход зависит от длины волны падающего света, материала фотокатода и его толщины. Численно он обычно выражается в процентах.

Зависимость e от длины волны l падающего света носит название спектральной характеристики фотокатода и обозначается e(l).

Практически существенно не только число фотонов, испускаемых сцинтиллятором, но и степень перекрытия внешнего оптического спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой e(n) данного ФЭУ, определяемая коэффициентом согласования:

.

Интегральная чувствительность фотокатода представляет собой отношение фототока к падающему на фотокатод световому потоку при освещении фотокатода источником белого света с определенной цветовой температурой.

Сбор фотоэлектронов на первый динод характеризуется коэффициентом сбора l , который может принимать значения от 0 до 100 %.

Умножительная система ФЭУ характеризуется коэффициентом усиления М . Последний определяется как отношение величины тока на выходе ФЭУ к его величине на входе умножительной системы. Коэффициент усиления ФЭУ равен: где a – коэффициент, определяющий долю электронов, попадающих с одного динода на другой; – коэффициент вторичной эмиссии i -го динода.

Необходимо отметить, что коэффициент вторичной эмиссии s зависит не только от материала и состояния поверхности динода, но и от энергии первичных электронов, т. е. от ускоряющей разности потенциалов, приложенной к двум соседним динодам: с увеличением энергии электронов s вначале растет, а затем выше энергии 100 – 1000 эВ (в зависимости от материала) падает. Физически такое поведение можно объяснить следующим. Первичные электроны, попадая в материал динода, в результате упругих и неупругих соударений передают свою энергию многим электронам среды. Чем выше энергия первичного электрона, тем большему числу электронов он передает свою энергию. Но чем выше энергия первичного электрона, тем на большую глубину он проникает и, следовательно, тем на большей глубине в материале приобретают энергию вторичные электроны. Последние могут покинуть материал динода только в том случае, если они образовались на глубине, которая меньше длины своего пробега в данном материале.

Зависимость коэффициента усиления М от напряжения питания приведена на рис. 2 (литературные данные).

Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления ФЭУ

от разности потенциалов между динодами для числа динодов n = 10 и σmax = 10

При высоких значениях мгновенных токов, обусловленных или очень большим коэффициентом усиления М , или очень большой интенсивностью вспышки, сказывается влияние объемного заряда, искажающего поле в области анода и последних динодов (пунктирная линия). Для некоторых ФЭУ этот эффект заметен при токах на аноде ~ 1 мА.

Произведение коэффициента усиления ФЭУ на коэффициент сбора на первый динод и на интегральную чувствительность фотокатода называется общей чувствительностью ФЭУ.

Если даже на фотокатод ФЭУ не падает световой поток, на выходе ФЭУ все-таки наблюдается некоторый ток, называемый темновым. Причиной этого являются термоэлектронная эмиссия с поверхности фотокатода и первых динодов, автоэлектронная холодная эмиссия, радиоактивность материала , из которого изготовлен ФЭУ, и ряд других причин.

РАБОТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Сборка сцинтилляционного детектора заключается в рациональном сочленении сцинтиллятора и фотоумножителя, которое обеспечило бы при наибольшем отношении амплитуд импульсов, вызванных радиоактивным источником и темновым током, наилучшую разрешающую способность детектора как по амплитудам, так и по времени. Сцинтиллятор, имеющий обычно форму цилиндра, устанавливается перед фотокатодом умножителя (см. рис. 1). Так как коэффициент преломления света для большинства сцинтилляторов довольно велик, значительная часть света, возникающего в сцинтилляторе, испытывает на его поверхности полное внутреннее отражение. Поэтому для обеспечения хорошего оптического контакта (и, следовательно, для повышения светосбора) между сцинтиллятором и фотокатодом вводится тонкий слой вещества с меньшим показателем преломления (силиконовое или вазелиновое масло).

Радиоактивное излучение, падающее на сцинтиллятор, вызывает в нем вспышки – сцинтилляции. Световые кванты, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают фотоэлектроны, которые дают начало лавине. В момент прихода электронной лавины на анод ФЭУ на выходном нагрузочном сопротивлении возникает импульс напряжения.

Межэлектродные разности потенциалов задаются обычно с помощью делителя напряжения от высоковольтного источника питания. Изменяя напряжение, питающее делитель, можно варьировать в широких пределах коэффициент усиления ФЭУ. С увеличением напряжения на делителе ФЭУ коэффициент усиления быстро возрастает. Причиной этого является увеличение коэффициента вторичной эмиссии, а также некоторое улучшение фокусировки.

При измерении числа частиц очень важен параметр, который характеризует вероятность создания на выходе детектора электрического импульса при попадании частицы в детектор. Такой параметр носит название эффективности регистрации детектора h, определяющейся как отношение числа электрических импульсов, зарегистрированных на выходе детектора в единицу времени, к числу частиц, попавших в детектор за то же время. Эффективность регистрации является функцией как энергии и вида исследуемого излучения, так и размеров и типа детектора. Основным требованием к сцинтилляционным детекторам, как и ко всем детекторам вообще, является высокая эффективность регистрации. Как известно, сечения фотоэффекта и комптон-эффекта тем выше, чем больше Z вещества.

Достоинством сцинтилляционных детекторов является тот факт, что их эффективность регистрации для косвенно ионизирующих излучений (g-излучение, рентгеновское излучение) благодаря большому Z сцинтилляторов на целый порядок превосходит эффективность регистрации газоразрядных счетчиков. В литературе указывается, что в случае γ-излучения для кристаллов NaJ(Tl) небольших размеров она составляет приблизительно 17 %.

Одним из основных требований к детекторам является малое время разрешения (оно определяет тот минимальный временной интервал между двумя последовательными частицами, которые детектор может зафиксировать раздельно). В сцинтилляционном детекторе при использовании неорганических кристаллов, время высвечивания которых сравнительно велико и составляет десятые доли микросекунды и больше, временные свойства фотоумножителя практически не играют никакой роли, и время разрешения всего сцинтилляционного детектора будет определяться временем высвечивания кристалла. При работе же с органическими сцинтилляторами (и особенно с жидкими и твердыми растворами), где время высвечивания очень мало, время разрешения фотоумножителя может оказаться сравнимым со временем высвечивания сцинтиллятора и при расчете разрешающей способности детектора по времени должно быть учтено.

Достоинством сцинтилляционного детектора является то, что его время разрешения на несколько порядков меньше времени разрешения газоразрядных детекторов. Применение сцинтилляционных детекторов в схемах совпадений с высокой разрешающей способностью открыло новые перспективы при исследовании разного рода одновременных процессов.

Кроме того, нужно отметить, что поскольку коэффициент вторичной эмиссии не зависит от числа падающихэлектронов, то ФЭУ представляет собой линейный прибор , т. е. заряд на аноде пропорционален числу первичных фотоэлектронов и соответственно интенсивности световой вспышки, попавшей на катод. А так как обычно энергия, потерянная частицей в кристалле, пропорциональна интенсивности световой вспышки, то амплитуда импульса на выходе ФЭУ пропорциональна потерянной энергии частицы. Это позволяет создавать на основе сцинтилляционного детектора различные приборы для измерения энергии радиоактивного излучения, что невозможно при использовании гейгеровских счетчиков. И только, когда импульсы на выходе ФЭУ достаточно велики, линейность может нарушаться, как было указано выше, за счет искажения поля пространственнымзарядом в области анода и последних динодов.

Важным моментом перед тем, как начинать измерения, является правильный подбор напряжения питания ФЭУ. В радиометрических измерениях , когда производится счет импульсов, для этих целей чаще всего используется счетная характеристика, т. е. зависимость скорости счета импульсов на выходе детектора n от напряжения питания ФЭУ U (рис. 3).

Как видно из рис. 3, с ростом напряжения питания U величина n вначале растет, а далее становится постоянной. Это объясняется тем, что при малых величинах U значение коэффициента усиления ФЭУ М также мало. В результате амплитуда импульсов на выходе ФЭУ незначительна по величине и может оказаться ниже порога чувствительности регистрирующего устройства. В таком случае импульсы не будут зарегистрированы. С увеличением напряжения U растет коэффициент усиления М и амплитуда импульсов увеличивается настолько, что может превысить порог чувствительности регистрирующего устройства. В этот момент на пересчетном устройстве начинается счет импульсов.

Рис. 3. Счетная характеристика

При дальнейшем увеличении U еще бόльшая доля импульсов будет иметь амплитуду, превышающую порог чувствительности, что даст еще большее увеличение скорости счета n .

Дальнейшее повышение напряжения питания может привести к тому, что скорость счета импульсов n станет почти постоянной и не будет зависеть от величины U , так как амплитуды почти всех импульсов, поступающих с детектора, превышают порог чувствительности и почти все импульсы регистрируются.

При очень больших напряжениях U скорость счета n может резко возрасти из-за того, что амплитуда шумовых импульсов ФЭУ тоже становится очень большой.

Выделенная на рис. 3 область плато, где величина n слабо зависит от напряжения питания U , используется для подбора напряжения питания; обычно рабочее напряжение выбирают на середине плато.

Критерием же оптимального рабочего напряжения в спектрометрических измерениях является высокое энергетическое разрешение. Известно, что энергетическое разрешение детектора тем выше, чем выше коэффициент усиления ФЭУ М , т. е. чем больше величина напряжения питания U .

РЕГИСТРАЦИЯ g -КВАНТОВ

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫМ ДЕТЕКТОРОМ

При работе со сцинтилляционным детектором, предназначенным для решения той или иной физической задачи, следует учесть одно очень важное специфическое обстоятельство: поскольку свойства излучений, подлежащих регистрации, в том или ином случае могут быть резко различны, особое внимание необходимо уделить рациональному выбору сцинтиллятора, конкретные свойства которого должны наилучшим образом отвечать поставленной задаче. К фотоумножителю особых требований, связанных со спецификой самого регистрирующего излучения, обычно не предъявляется.

При регистрации g-излучения выбор сцинтиллятора определяется требованием высокой эффективности, так как g-излучение – излучение проникающее. Для узкого параллельного моноэнергетического пучка g-квантов, падающих нормально на сцинтиллятор толщиной х , эффективность регистрации η определяется как отношение числа зарегестрированных частиц к числу падающих на детектор частиц:

где t – коэффициент поглощения g-квантов в веществе сцинтиллятора, зависящий от энергии излучения и среднего эффективного заряда вещества сцинтиллятора Z .

С увеличением величина t (и, следовательно, η) падает; c увеличением значений Z коэффициент поглощения g-квантов t (и, следовательно, эффективность регистрации η) растет. Поэтому в сцинтилляционных детекторах для регистрации g-квантов используются в основном неорганические кристаллы с большим атомным номером Z .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Порядок проведения эксперимента

На рис. 4 приведена схема радиоактивного распада изотопа Сs-137, изпользуемого в данной лабораторной работе .

Рис.4. Схема радиоактивного распада изотопа Cs-137

Амплитудные спектры, измеренные во время эксперимента с использованием изотопа Cs-137, имеют вид, изображенный на рис. 5.

При неправильном выборе режима работы спектрометра форма этих спектров может быть значительно искажена, поэтому важно тщательно подбирать уровень питания ФЭУ U , коэффициент усиления усилителя K, верхний и нижний пороги дискриминатора ДВУ и ДНУ.

При изменении напряжения питания ФЭУ U изменяется его коэффициент усиления М . В результате изменяется величина амплитуды выходного сигнала А и, следовательно, положение максимума пика полного поглощения . Поэтому изучение зависимости величины амплитуды импульса на выходе детектора А от величины напряжения питания ФЭУ можно свести к изучению зависимости положения максимума пика полного поглощения от величины напряжения питания.

Рис. 5. Амплитудный спектр импульсов на выходе детектора

Включить компьютер. Включить блок спектрометра; открыть программу «Спектр».

После регистрации войти в режим спектрометра и задать на его панели рабочий режим.

Установить время накопления спектра t = 150 с. Набрать амплитудные спектры выходных импульсов при различных величинах напряжения питания ФЭУ.

Cпектры записать в файлы.

Результаты измерений запишутся на диске D. Путь, по которому можно найти записанные данные, следующий: Диск D ® папка «3 курс» ® папка «Данные» ® папка «Студенты» ® папка с фамилией студента ® номер лабораторной работы ® номер задания ® номер спектра.

Обработка результатов

Изучение зависимости амплитуды

выходных импульсов детектора

от величины напряжения питания ФЭУ

Задание 1. Ввести в Mathcad файлы данных со спектрами S 001–S 010. Присвоить название векторной переменной, описывающей спектр;определить номер канала как ранжированную переменную k , изменяющуюся от 0 до 1023. Построить амплитудные спектры.

Задание 2. Выделить в полученных спектрах пики полного поглощения; с помощью операции Trace провести грубые оценки положения максимума пика полного поглощения на шкале амплитуд, дисперсии , левой и правой границ пика. Оценить площадь под пиком.

Задание 3. Аппроксимировать пик полного поглощения функцией Гаусса; найти точные значения номера канала , соответствующего положению максимума пика полного поглощения.

Задание 4. Построить зависимость от величины напряжения питания ФЭУ U (см. рис. 6); объяснить ход зависимости от величины напряжения питания. Сравнить с литературными данными. Выбрать рабочее напряжение ФЭУ для дальнейшей работы.

Рис. 6. Зависимость положения максимума пика полного поглощения k 0

от величины напряжения питания U

Определение эффективности регистрации детектора γ-излучения

Задание 5. Используя спектр, измеренный, например, при уровне питания ФЭУ U = 550 В и коэффициент усиления K = 1, вычислить площадь под всем спектром Р и найти число импульсов, зарегистрированных детектором за 1 с: n = P /150.

Задание 6. Зная активность используемого радиоактивного изотопа Cs-137, определить эффективность регистрации γ-излучения Cs-137:

где – число γ-квантов, падающих на поверхность сцинтиллятора за 1с;

Число 0,85 – вводится как поправка на схему распада (см. схему распада, приведенную на рис. 5). – активность радиоактивного источника; = 120 кБк. Ω – относительный телесный угол, под которым детектор облучается источником. Это угол зависит от радиуса сцинтиллятора s и от расстояния между источником и сцинтиллятором h.

.

Дать оценку полученному результату; сравнить с литературными данными.

Определение фоточасти и фотоэффективности регистрации

Задание 7. Выделить пик полного поглощения в амплитудном спектре, используемом в задании 5, вычислить его площадь . Определить фоточасть как отношение площади под фотопиком к площади под всем спектром Р (значение Р взять из задания 5).

Задание 8. Определить фотоэффективность регистрации γ-излучения, как произведение эффективности регистрации, умноженной на фоточасть:

.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить процессы, происходящие в сцинтилляторе, и перечислить основные параметры сцинтиллятора.

2. На каких двух физических явлениях основана работа фотоэлектронного умножителя?

3. Перечислить основные параметры фотоэлектрических умножителей.

4. Что такое эффективность регистрации детектора? От каких параметров детектора и излучения она зависит? Что такое фоточасть и фотоэффективность?

5. Охарактеризовать особенности регистрации γ-излучения.

Дрейфовая камера.

Это аналог пропорциональной камеры, позволяющий с ещё большей точностью восстановить траекторию частиц.

Искровая, стриммерная, пропорциональная и дрейфовая камеры обладая многими преимуществами пузырьковых камер, позволяют запускать их от интересующего события, используя их на совпадения со сцинтилляционными детекторами.

Дрейфовая камера является координатным детектором. Это проволочный газонаполненный ионизационный детектор (как и пропорциональная камера), в котором координата частицы определяется по времени дрейфа электронов в газе от места ионизации (пролёта частицы) до сигнальных анодных проволочек. Расстояние между проволочками обычно несколько сантиметров. В отличие от пропорциональной камеры в дрейфовой камере создаётся однородное электрическое поле. Оно включается по стартовым сигналам внешних детекторов (чаще всего сцинтилляционных счётчиков), фиксирующих пролёт частицы через камеру. Далее появившиеся в объёме камеры свободные электроны дрейфуют в однородном и постоянном поле к ближайшим проволочкам. Напряжённость поля в дрейфовом промежутке 1 кВ/см. В непосредственной близости от анодных проволочек происходит образование лавин (газовое усиление достигает 10 6) и по времени задержки прихода лавин на анодные проволочки относительно стартового сигнала определяются координаты частицы. Пространственное разрешение дрейфовой камеры порядка 0.1-0.2 мм, временнoе - наносекунды.

Дрейфовые камеры могут быть плоскими, цилиндрическими и сферическими, Плоские дрейфовые камеры больших размеров используются в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так в ЦЕРНе разработана дрейфовая камера размером 2х4х5 м3.

Сцинтилляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтилляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей. Используются как кристаллические сцинтилляторы, например, NaI, BGO, так и пластиковые и жидкие. Кристаллические сцинтилляторы в основном используются для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения, пластиковые и жидкие - для регистрации нейтронов и временных измерений. Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также светодиоды.

Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. В качестве органических сцинтилляторов часто используются антрацен (C14H10), стильбен (C14H12), нафталин (C10H8). Жидкие сцинтилляторы обычно известны под фирменными именами (например NE213). Пластиковые и жидкие сцинтилляторы представляют из себя растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворителе. Например, твердый раствор антрацена в полистироле или жидкий раствор р-терфенила в ксилоле. Концентрация флуоресцирующего вещества обычно мала и регистрируемая частица возбуждает в основном молекулы растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества. В качестве неорганических кристаллических сцинтилляторов используются ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi4Ge3O12 (BGO) и др. В качестве газовых и жидких сцинтилляторов используют инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Рис.1. Сравнение двух сцинтилляторов

Так как в органических сцинтилляторах возбуждаются молекулярные уровни, которые излучают в ультрафиолетовой области для согласования со спектральной чувствительностью регистрирующих свет устройств (ФЭУ и фотодиодов) используются светопреобразователи, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и переизлучают видимый свет в области 400 нм.

Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~0.05 или 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У NaI световой выход ~0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 50-60%.

Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, поэтому сцинтилляционный детектор может использоваться в качестве спектрометра, т. е. прибора, определяющего энергию частицы.

С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и -лучей. Несколько хуже обстоит дело с измерением спектров тяжелых заряженных частиц (-частицы и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц.

Рис. 2. Сцинтиллятор и ФЭУ

Рис. 3. Устройство ФЭУ

Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по светопроводу достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод. ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под положительным увеличивающемся от динода к диноду электрическим потенциалом. В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 10 5 -10 6 , но может достигать и 10 9 , что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс. Временнoе разрешение ФЭУ составляет 10 -8 -10 -9 с.

Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ΔЕ/Е обычно не лучше нескольких процентов. Временнoе разрешение определяется главным образом длительностью световой вспышки (временем высвечивания люминофора) и меняется в пределах 10 -6 -10 -9 с.

Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

Сцинтилляционные детекторы позволяют решать обе основные задачи экспериментальной ядерной физики: задачу счета излучений и задачу спектрометрии излучений . В плане решения этих задач существенное значение имеют различные особенности сцинтилляционных детекторов, рассматриваемые ниже.

Весьма важным свойством любого детектора является эффективность регистрации (см. п. 5.1 «Введения в физпрактикум»). Так как процессы взаимодействия ядерных излучений с веществом носят вероятностный характер, то эффективность детектора, определяемая вероятностью для частицы, попавшей в объем детектора, быть зарегистрированной, оказывается, вообще то говоря, меньше единицы. Таким образом, интенсивность регистрации (скорость счета ) в принципе меньше интенсивности облучения детектора. Роста эффективности можно достичь соответствующим подбором вещества детектора с высоким содержанием многоэлектронных атомов и увеличением его размеров . Одновременно это приводит и к росту вероятности полной потери энергии регистрируемой частицы в объеме детектора, что определяет возможность и качество спектрометрических измерений. С этой точки зрения сцинтилляционные детекторы с твердыми сцлинтилляторами обладают существенным преимуществом, например, в сравнении со счетчиками Гейгера-Мюллера, особенно при регистрации  -излучения. Для кристаллов NaJ(Tl), имеющих большую плотность и содержащих многоэлектронные атомы йода, велико сечение фото- и комптон-эффекта, так что эффективность регистрации  -квантов такими сцинтилляторами достигает нескольких десятков процентов (для особо крупных кристаллов сцинтилляторов с полостью внутри, в которую можно поместить  -источники или другие радиоактивные образцы, эффективность регистрации приближается к 100%) .

Важнейшей особенностью сцинтилляционного детектора в сравнении, например, со счетчиком Гейгера-Мюллера является его способность решать не только задачу счета, но и задачу спектрометрии излучений. Как отмечалось выше, амплитуда импульса V на аноде ФЭУ пропорциональна энергии регистрируемой частицы E с коэффициентом пропорциональности K , т.е. V = K  E . Величина коэффициента пропорциональности K определяется свойствами самого детектора и питающими его напряжениями (с ростом высокого напряжения на ФЭУ растет вторичная электронная эмиссия и, соответственно, амплитуда выходного сигнала). Величина K при оптимальном рабочем напряжении питания ФЭУ может быть легко установлена сопоставлением амплитуды сигнала от излучения известной энергии. При известной величине K данного сцинтилляционнго детектора при его рабочем напряжении и измеряемой (например, по осциллографу) величине амплитуды сигнала детектора легко установить энергию частиц (квантов) регистрируемого излучения. Оценочная величина K для обычных сцинтилляционных детекторов, в т.ч. и для детектора данной лабораторной работы, порядка 10 –5 В/эВ.

Указанная пропорциональность или спектрометрические свойства детектора ограничены и для сцинтилляционного датчика и, вообще, для любого спектрометрического детектора, так называемым энергетическим разрешением , вследствие того, что процессы преобразования энергии частицы в выходной сигнал имеют вероятностный характер. Основной вклад в статистический характер коэффициента преобразования сцинтилляционного детектора K вносят флуктуации в образовании фотонов сцинтилляции и флуктуации числа фотоэлектронов, эмитируемых фотокатодом ФЭУ. Кроме того, большой вклад в разброс дают чисто практические причины типа неоднородностей состава и структуры сцинтиллятора и фотокатода, краевой эффект сцинтиллятора, в результате которого регистрируемые частицы или вторичные электроны выходят за пределы сцинтиллятора, потеряв в нем только часть энергии, изменения коэффициента усиления ФЭУ при колебаниях питающего напряжения и т.д. Таким образом, даже при регистрации моноэнергетического излучения, амплитуды импульсов на выходе детектора дают определенное (примерно гауссовское) распределение вокруг среднего значения, соответствующего энергии частиц излучения (см. рис. п. 5.4 «Введения в физпрактикум»). Указанное распределение характеризует энергетическое разрешение детектора, определяющее возможность различия частиц близкой энергии.

К числу недостатков спектрометрических свойств сцинтилляционных детекторов следует отнести относительно низкую, по сравнению, например, с полупроводниковыми детекторами разрешающую способность по энергии (≈ 10% при средних энергиях γ -квантов; для полупроводниковых детекторов порядка 1 – 2 %), а также сложность обработки спектров, полученных на сцинтяллиционном спектрометре. Даже в простейшем случае, когда нуклид излучаетγ -кванты одной энергии, спектр имеет довольно сложный вид (см. лаб. раб. №8 по гамма-спектрометрии). Однако для решения многих прикладных задач указанные недостатки не являются существенными.

Необходимо отметить, что сцинтилляционные детекторы вследствие большого усиления фототока фотоумножителем дают выходные сигналы не очень малой амплитуды (примерно от десятых долей вольта до единиц вольт), что упрощаетих обработку измерительной аппаратурой, но все-таки требуют определенного усиления.

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также фотодиоды.
Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. В качестве органических сцинтилляторов часто используются антрацен (C 14 H 10), стильбен (C 14 H 12), нафталин (C 10 H 8). Жидкие сцинтилляторы обычно известны под фирменными именами (например NE213). Пластиковые и жидкие сцинтилляторы представляют из себя растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворителе. Например, твердый раствор антрацена в полистироле или жидкий раствор р-терфенила в ксилоле. Концентрация флуоресцирующего вещества обычно мала и регистрируемая частица возбуждает в основном молекулы растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества. В качестве неорганических кристаллических сцинтилляторов используются ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi 4 Ge 3 O 12 ,
LaBr 3 (Ce), PbWO 4 и др. В качестве газовых и жидких сцинтилляторов используют инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Так как в органических сцинтилляторах возбуждаются молекулярные уровни, которые излучают в ультрафиолетовой области для согласования со спектральной чувствительностью регистрирующих свет устройств (ФЭУ и фотодиодов) используются светопреобразователи, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и переизлучают видимый свет в области 400 нм.
Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~0.05 или 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У NaI световой выход ~0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 50-60%.
Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, поэтому сцинтилляционный детектор может использоваться в качестве спектрометра, т. е. прибора, определяющего энергию частицы.
С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и γ -лучей. Для измерения спектров тяжелых заряженных частиц (α -частицы и др.) обычно используют CsI. По сравнению с NaI, он существенно менее гигроскопичен и не требует защитного кожуха, в котором заряженные частицы теряют свою энергию. Энергетическое разрешение CsI заметно хуже, чем у полупроводниковых детекторов, кроме того пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии у сцинтилляторов наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных люминофоров и для различных типов частиц. CsI применяется, когда требуются измерения энергий заряженных частиц довольно больших энергий, а энергетическое разрешение не играет существенной роли.
В физике высокой энергии нашли применение сцинтилляторы из вольфрамата свинца (PbWO 4). Небольшая радиационная длина (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) – радиус цилиндрав пределах которого поглощается 90% электромагнитного ливня – позволяет сделать детектор с таким сцинтиллятором компактным с хорошим пространственным разрешением. PbWO 4 в частности был использован для сильно секционированного (17920 каналов детектирования) калориметра – фотонного детектора PHOS детекторного комплекса ALICE на Большом адронном коллайдере.

Рис. 3. Устройство ФЭУ

Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по световоду достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод. ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под положительным увеличивающемся от динода к диноду электрическим потенциалом. В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 10 5 -10 6 , но может достигать и 10 9 , что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс.
Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ΔЕ/Е обычно не лучше нескольких процентов. Временное разрешение зависит от длительности световой вспышки (времени высвечивания люминофора), от длительности фронта световой вспышки, а также от количества фотоэлектронов (от энергии оставленной частицей в сцинтилляторе) и меняется в пределах 10 -6 -10 -11 с.
Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Табл. 2.- Характеристика органических сцинтилляторов

В органич. сцинтилляторах высвечивание фотонов связано с электронными переходами возбуждённых молекул. Органич. сцинтилляторы характеризуются малой эффективностью Z~6, сравнительно небольшой плотностью р и малой длительностью высвечивания т (табл. 2). Последнее делает их удобными для временных измерений. Наиб. световыход достигается на антрацене, значение к-рого при сравнении с др. органич. сцинтилляторами часто принимается за 1.

На основе пластич. и жидких сцинтилляторов создаются С. д. больших поверхности и объёма и требуемой формы. Как правило, они состоят из 2-3 компонент: прозрачной пластмассы (полистирол, поливинилтолуол, метилметак-рилат) или органич. растворителей (наиб. световыход у ксилола и толуола) и сцинтиллирующей добавки или активатора (p -терфенил, 2,5-дифенилоксазол, тетрафенил-бутадиен, стильбен, нафталин, бифенил) с концентрацией 1 -10 г/л; иногда добавляют т. н. спектра (5-фенил-2, оксазолил бензол - РОРОР) с концентрацией 0,01-0,5 г/л для согласования спектра световой вспышки со спектральной чувствительностью фотокатода.

Активатор и растворитель подбирают так, чтобы 1-й возбуждённый уровень растворителя был выше 1-го уровня активатора. Тогда возможна передача энергии возбуждения от молекул растворителя к молекулам активатора. При увеличении концентрации активатора световыход сначала возрастает, затем, пройдя через максимум, начинает уменьшаться, что связано с увеличением вероятности самопоглощения света молекулами активатора. В жидкие и пластич. сцинтилляторы можно добавлять (неск. %) др. вещества, напр. исследуемые радиоакт. или при регистрации тепловых нейтронов Li, В, Gd, Cd.

Световыход органич. сцинтилляторов различен для лёгких и тяжёлых частиц при энергиях < 10 МэВ, a/b0,1. Сцинтилляционный импульс в органич. сцинтилляторах обычно содержит 2 компоненты: быструю (t~10 с) и медленную (t~10 -7 -10 -5 с). Относит. интенсивности компонент зависят от природы частиц, что приводит к различию в форме импульса для тяжёлых и лёгких частиц (рис. 5). На этом различии основан метод регистрации быстрых нейтронов по протонам отдачи на фоне потока g-квантов.

Рис. 5. Форма импульса в органических сцинтилляторах для электронов, протонов и a-частиц.

Зависимость световыхода от уд. потерь энергии описывается ф-лой Биркса:

где А и В - постоянные.

Калибровка С. д. на основе органич. сцинтилляторов осуществляется в области малых энергий с помощью источников конверсионных электронов и g-источников, а в области высоких энергий - с помощью разл. процессов, связанных с релятивистскими частицами (распад остановившихся мюонов, прохождение релятивистскими частицами определ. линейного расстояния и др.).

Высокая прозрачность жидких сцинтилляторов позволяет создавать на их основе С. д. с размерами в неск. метров и массой вплоть до неск. сотен тонн, напр. в экспериментах по регистрации . В этом случае часто используется сцинтиллятор на основе уайт-спирита (очищенный керосин). Его прозрачность s = 20 м. На основе уайт-спирита созданы крупнейшие подземные С. д. для комплексного изучения космич. лучей и нейтринной астрофизики: баксан-ский Сцинтилляционный телескоп (330 т), 105-тонный подземный С. д., расположенный в подземном помещении вблизи г. Артёмовск; российско-итальянский С. д. в туннеле под Монбланом (90 т).

Газовые сцинтилляторы - инертные газы и их смеси в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Центрами свечения являются возбуждённые . Инертные газы характеризуются короткими временами высвечивания (t~10 -8 -10 -9 с) и высоким световыходом, так световыход Хе того же порядка, что и у Nal(Tl). Осн. доля излучения инертных газов лежит в области вакуумного ультрафиолета (l~200 нм), поэтому регистрация таких фотонов требует ФЭУ с кварцевым входным окном либо нанесения на входное окно смесителя спектра (дифенил-стильбен или кватерфенил). Осн. применение газовых С. д.- регистрация a-частиц и осколков деления (см. Деление ядер).

Другие типы С. д. Существ. влияние на световыход сцин-тиллятора оказывает электрич. . При приложении достаточно сильного поля возникающие при прохождении заряж. частицы электроны могут приобретать энергию, достаточную для возбуждения и ионизации атомов, что в конечном итоге приведёт к увеличению числа фотонов в световой вспышке. Этот принцип лежит в основе сцин-тилляционного пропорционального счётчика. Его преимущество- высокое энергетич. разрешение в области малых энергий.

При использовании электронно-оптического преобразователя возможно получение фотографии трека частицы в сцинтилляторе (л ю м и н е с ц е н т н а я к а м е р а). Распространены сцинтилляционные камеры, в к-рых в сочетании с электронно-оптич. преобразователем используется система сцинтилляционных волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях (см, Сцинтилляционный детектор на волокнах).

Лит.: Сцинтилляционный метод в радиометрии, М., 1961; Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С., Основы экспериментальных методов ядерной физики, 3 изд., М., 1985; Ляпидевский В. К., Методы детектирования излучений, М., 1987.

И. Р. Барабанов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .Большой Энциклопедический словарь

- (сцинтилляционный спектрометр), прибор для регистрации и спектрометрии частиц. Действие основано на регистрации световых вспышек (сцинтилляций), возникающих при прохождении ионизирующих излучений через сцинтиллятор. * * * СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ… … Энциклопедический словарь

сцинтилляционный детектор - blyksnių detektorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. scintillation detector vok. Szintillationsdetektor, m rus. детектор сцинтилляций, m; сцинтилляционный детектор, m pranc. détecteur de scintillations, m … Radioelektronikos terminų žodynas

сцинтилляционный детектор - blyksimasis detektorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Jonizuojančiosios spinduliuotės detektorius, kurio jutiklis – scintiliatorius. atitikmenys: angl. scintillation detector vok. Szintillationsdetektor, m;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

сцинтилляционный детектор - blyksimasis detektorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. scintillation detector vok. Szintillationsdetektor, m; Szintillationszähler, m rus. сцинтиллятор, m; сцинтилляционный детектор, m pranc. détecteur à scintillation, m … Fizikos terminų žodynas

- (сцинтилляционный спектрометр), прибор для регистрации и спектрометрии частиц. Действие основано на регистрации световых вспышек (сцинтилляций), возникающих при прохождении ионизирующих излучений через сцинтиллятор … Естествознание. Энциклопедический словарь

- (СДВ) разновидность сцинтилляционного детектора, особенностью к рого является регулярная система параллельно расположенных волокон из сцинтиллятора. Часть света от заряж. частицы захватывается волокном за счёт полного внутр. отражения на границе… … Физическая энциклопедия

воздухоэквивалентный сцинтилляционный детектор ионизирующего излучения - воздухоэквивалентный детектор Сцинтилляционный детектор ионизирующего излучения, эффективный атомный номер материалов которого равен или близок к эффективному атомному номеру воздуха (Zэфф≈7,7). [ГОСТ 23077 78] Тематики детекторы… …

гетерогенный сцинтилляционный детектор ионизирующего излучения - гетерогенный детектор Сцинтилляционный детектор ионизирующего излучения, состоящий из одного или нескольких сцинтилляторов и светопроводящей среды. [ГОСТ 23077 78] Тематики детекторы ионизирующих излучений Синонимы гетерогенный детектор EN… … Справочник технического переводчика

дисперсный сцинтилляционный детектор ионизирующего излучения - дисперсный детектор Гетерогенный сцинтилляционный детектор ионизирующего излучения, в котором сцинтиллирующее вещество диспергировано в прозрачной среде. [ГОСТ 23077 78] Тематики детекторы ионизирующих излучений Синонимы дисперсный детектор … Справочник технического переводчика