Сцинтилляционные счетчики

Оглавление. Методы регистрации ядерных излучений.Визуальный метод сцинтилляций * Сцинтилляционный счетчик. * Принцип работы. * Основные характеристики. * Виды процессов люминесценции (высвечивания) фосфора. * Основные свойства сцинтилляторов. * Высокая эффективность регистрации g -лучей и нейтронов. * Высокая разрешающая способность по времени. * Возможность изготовления сцинтилляторов очень больших геометрических размеров. * Возможность введения в состав сцинтилляторов веществ, с которыми с большим сечением взаимодействуют нейтроны. * Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения. * Виды сцинтилляторов. * Органические кристаллические сцинтилляторы. * Неорганические сцинтилляторы. * Пластмассовые сцинтилляторы. * Жидкие органические сцинтилляторы. * Газовые сцинтилляторы. * Светопреобразователи. * Фотоэлектронные умножители. * Фотокатод.

Основные характеристики. * Диноды. * Конструкции сцинтилляционных счетчиков * Питание ФЭУ. * Помехи в фотоумножителях и их ликвидация. * Использование светопроводов. * Упаковывание сцинтилляторов. * Использование сцинтилляторов. * Люминесцентная камера. * Измерение времен жизни возбужденных состояний ядер. * Экспериментальное обнаружение нейтрино. * Регистрация осколков деления. * Гамма-дефектоскопия. * Методы регистрации ядерных излучений.

Визуальный метод сцинтилляций Метод регистрации заряженных частиц с помощью подсчета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS) считается одним из первых методов регистрации ядерных излучений.

Этот метод заключается в следующем. Сцинтилляциями вспышками называют отдельные кратковременные вспышки света, которые можно заметить, наблюдая через увеличительное секло за поверхностью экрана из сернистого цинка, облучаемого a -частицами. Отдельной a -частицей, попадающей на экран создаётся каждая из этих сцентилляций. Эти явления впервые были обнаружены ещё в 1903 г. Круксом и другими.Для возможности подсчёта a -частиц Крукс изобрёл прибор, названный спинтарископом Крукса.

В дальнейшем визуальный метод сцинтилляций был использован в основном для регистрации a -частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электронвольт регистрировать не удалось.Так как отдельные быстрые электроны вызывают очень слабые сцинтилляции, их зарегистрировать не удалось. То, что гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение, позволило регистрировать a -частицы в присутствии сильного g -излучения.

Лишь когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов, при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки. Метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальных качеств экспериментатора, но он позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени.Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту.

С помощью визуального метода сцинтилляций Резерфорд регистрировал a -частицы при их рассеянии на атомах, эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их a -частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра. Таким образом, несмотря на недостатки, визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики и имел большое значение вплоть до тридцатых годов, до тех пор, пока появление новых методов регистрации ядерных излучений не исследователей заставило на некоторое время забыть его. В конце сороковых годов XX века сцинтилляционный метод регистрации возродился на новой основе.

К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света.Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 10 8 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализировать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и g -лучи. Сцинтилляционный счетчик.

Сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), источника электрического питания ФЭУ и радиотехнической аппаратуры, обеспечивающей усиление и регистрацию импульсов ФЭУ, называют сцинтилляционным счетчиком.Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод). В качестве в сцетилляционных счётчиках используются: • жидкие органические сцинтилляторы, • твердые пластмассовые сцинтилляторы, • органические кристаллы, • газовые сцинтилляторы.

Принцип работы. Рассмотрим принцип работы сцинтилляционного счетчика. Попадая в сцинтиллятор, заряженная частица производит ионизацию и возбуждение его молекул.Через очень короткое время (10 -6 — 10 -9 сек ) эти молекулы переходят в стабильное состояние, испуская фотоны - возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны, которые под действием приложенного к ФЭУ напряжения, фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. В результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой.

Свойствами как сцинтиллятора и ФЭУ определяются амплитуда и длительность импульса на выходе.

Основные характеристики. 1. Спектральный состав излучения. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией, часть которых будет поглощена в объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора. 2. Световой выход.Световым выходом или конверсионной эффективностью сцинтиллятора c называется отношение энергии световой вспышки , выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе, где — среднее число фотонов, выходящих наружу, — средняя энергия фотонов.

Каждый сцинтиллятор испускает не моноэнергетические кванты, а сплошной спектр, характерный для данного сцинтиллятора. 3. Длительность сцинтилляций.Необходимо, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ. Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой . данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования где — внешний спектр сцинтиллятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора. 4) Сцинтилляционная эффективность.

При сравнении сцинтилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводят понятие сцинтилляционной эффективности, которая учитывает число фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энергии и чувствительность данного ФЭУ к этим фотонам и определяется следующим выражением: На практике сцинтилляционную эффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, принятого за эталон. 5) Интенсивность сцинтилляции.

Интенсивность сцинтилляции изменяется со временем по экспоненциальному закону где I 0 — максимальное значение интенсивности сцинтилляции; t 0 — постоянная времени затухания, определяемая как время, в течение которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз. Число фотонов света n, испущенных за время t после попадания регистрируемой частицы, выражается формулой где — полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции.

Виды процессов люминесценции (высвечивания) фосфора.Процессы люминесценции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции (высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек, интервал 10 -8 сек выбран потому, что он по.