Скачать

Сцинцилляционные счетчики

­Содержание

• Принцип работы сцинтилляционного счетчика
• Сцинтилляторы

• Фотоэлектронные умножители

• Конструкции сцинтилляционных счетчиков

• Свойства сцинтилляционных счетчиков

• Примеры использования сцинтилляционных счетчиков
• Список использованной литературы

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ

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

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

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

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

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

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

Визуальный метод сцинтилляций имел большое значение вплоть до тридцатых годов, когда появление новых методов регистрации ядерных излучений заставило на некоторое время забыть его. Сцинтилляционный метод регистрации возродился в конце сороковых годов XX века на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 108 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализи­ровать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и γ-лучи.

§ 1. Принцип работы сцинтилляционного счетчика

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

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

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

В качестве фосфоров используются:

• органические кристаллы,

• жидкие органические сцинтилляторы,

• твердые пластмассовые сцинтилляторы,

• газовые сцинтилляторы.

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

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

Световым выходом или конверсионной эффективностью сцин­тиллятора χ называется отношение энергии световой вспышки , выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе,

где — среднее число фотонов, выходящих наружу, — сред­няя энергия фотонов. Каждый сцинтиллятор испускает не моно­энергетические кванты, а сплошной спектр, характерный для данного сцинтиллятора.

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

Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спек­тральной характеристикой . данного ФЭУ определяется коэф­фициентом согласования

где — внешний спектр сцинтиллятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора. На практике при сравне­нии сцинтилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводят понятие сцинтилляционной эффективности, которая определяется следу­ющим выражением:

Сцинтилляционная эффективность учитывает как число фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энер­гии, так и чувствительность данного ФЭУ к этим фотонам.

Обычно сцинтилляционную эффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения со сцинтилляционной эффек­тивностью сцинтиллятора, принятого за эталон.

Интенсивность сцинтилляции изменяется со временем по экспоненциальному закону

где I0 — максимальное значение интенсивности сцинтилляции; t0 — постоянная времени затухания, определяемая как время, в течение которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз.

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

где — полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтил­ляции.

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

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

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

§ 2. Сцинтилляторы

Неорганические сцинтилляторы. Неорга­нические сцинтилляторы представляют собой кристаллы неорга­нических солей. Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов.

Процесс возникновения сцинтилляций можно представить при помощи зонной теории твердого тела. В отдельном атоме, не взаи­модействующем с другими, электроны находятся на вполне опре­деленных дискретных энергетических уровнях. В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях, и их взаимодействие достаточно сильно. Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Самой внешней разрешенной зоной, заполненной электронами, является валент­ная зона. Выше ее располагается свободная зона — зона прово­димости. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, энергетическая ширина которой составляет несколько электронвольт.

Если в кристалле имеются какие-либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, то в этом случае возможно появле­ние энергетических электронных уровней, расположенных в за­прещенной зоне. При внешнем воздействии, например при про­хождении через кристалл быстрой заряженной частицы, электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. В ва­лентной зоне останутся свободные места, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и назы­ваемые дырками.

Описанный процесс и является процессом возбуждения кри­сталла. Возбуждение снимается путем обратного перехода элек­тронов из зоны проводимости в валентную зону, происходит рекомендация электронов и дырок. Во многих кристаллах пере­ход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанные центры обусловли­ваются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энер­гией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому све­товой выход для него много больше, чем для чистого, беспримес­ного кристалла.

На практике, для увеличения светового выхода неорганиче­ских сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами. Так, например, в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий. Сцинтиллятор, построенный на основе кристалла NaJ(Tl), обладает большим световым выходом. Сцинтиллятор NaJ(Тl) имеет значильтельные преимущества по сравнению с газонаполненными счет­чиками:

большую эффективность регистрации γ-лучей (с большими кристаллами эффективность регистрации может достигать десят­ков процентов);

малую длительность сцинтилляции (2,5 •10-7 сек);

линейную связь между амплитудой импульса и величиной энергии, потерянной заряженной частицей.

Последнее свойство требует пояснений. Световой выход сцинтиллятора имеет некоторую зависимость от удельных потерь энергии заряженной частицы .

Рис. 1. Зависимость светового выхода

кристалла NaJ (T1) от энергии частиц.

При очень больших ве­личинах возможны зна­чительные нарушения кристал­лической решетки сцинтилля­тора, которые приводят к воз­никновению локальных центров тушения. Это обстоятельство может привести к относитель­ному уменьшению светового вы­хода. Действительно, экспери­ментальные факты свидетельствуют о том, что для тяжелых частиц выход нелинеен, а линейная зависимость начинает проявляться только с энергии в несколько миллионов электронвольт. На рис. 1 приведены кривые зависи­мости χ от Е: кривая 1 для электронов, кривая 2 для α частиц.

Кроме указанных щелочно-галоидных сцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4 и др.

Органические кристаллические сцинтилляторы. Молекулярные силы связи в органических кристаллах малы по сравнению с силами, действующими в не­органических кристаллах. Поэтому взаимодействующие моле­кулы практически не возмущают энергетические электронные уровни друг у друга и процесс люминесценции органического кристалла является процессом, характерным для отдельных молекул. В основном электронном состоянии молекула имеет несколько колебательных уровней. Под воздействием регистрируе­мого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние, которому также соответствует несколько колебатель­ных уровней. Возможны также ионизация и диссоциация молекул. В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, как правило, образуется в возбужденном состоянии. Первоначально возбужденная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время (~10-11 сек) испускает фотон высокой энергии. Этот фотон поглощается другой молекулой, причем часть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движение и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией по сравнению с пре­дыдущим. После нескольких циклов испускания и поглощения образуются молекулы, находящиеся на первом возбужденном уровне; они испускают фотоны, энергия которых может оказаться уже недостаточной для возбужде­ния других молекул и, таким обра­зом, кристалл будет прозрачным для возникающего излучения.

Рис. 2. Зависимость светового выхода

антрацена от энергии для различных частиц.

Благодаря тому, что большая часть энергии возбуждения расхо­дуется на тепловое движение, све­товой выход (конверсионная эффек­тивность) кристалла сравнительно невелик и составляет несколько процентов.

Для регистрации ядерных излу­чений наибольшее распростране­ние получили следующие органи­ческие кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладает достаточно большим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3•10-8 сек). Но при регистрации тяжелых заря­женных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтил­ляции наблюдается лишь при довольно больших энергиях час­тиц.

На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода χ (в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2, дейтонов 3 и α-частиц 4.

Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым вы­ходом, чем антрацен, но зато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (7•10-9 сек), чем у антрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения.

Пластмассовые сцинтилляторы. Пластмас­совые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем проз­рачном веществе. Например, растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе. Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов.

Так как растворителя много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя. Энергия возбуж­дения в дальнейшем передается молекулам сцинтиллятора. Оче­видно, что спектр испускания растворителя должен быть более жестким, чем спектр поглощения растворенного вещества, или по крайней мере совпадать с ним. Экспериментальные факты пока­зывают, что энергия возбуждения растворителя передается моле­кулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма, т. е. моле­кулы растворителя испускают фотоны, которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества. Возможен и другой меха­низм передачи энергии. Так как концентрация сцинтиллятора мала, то раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора.

Пластмассовые сцинтилляторы имеют значительные преиму­щества по сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами:

• возможность изготовления сцинтилляторов очень больших раз­меров;

• возможность введения в сцинтиллятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода;

• возможность введения в сцинтиллятор различных веществ, необходимых в специальных экспериментах (например, при иссле­довании нейтронов);

• возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме;

малое время высвечивания (~3•10-9 сек). Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцин­тилляторы, приготовленные растворением антрацена в полисти­роле. Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле.

Жидкие органические сцинтилляторы. Жидкие органические сцинтилляторы представляют собой рас­творы органических сцинтиллирующих веществ в некоторых жидких органических растворителях.

Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах анало­гичен механизму, происходящему в твердых растворах—сцинтил­ляторах.

Наиболее подходящими растворителями оказались ксилол, толуол и фенилциклогексан, а сцинтиллирующими веществами р-терфенил, дифенилоксазол и тетрафенилбутадиен. Наибольшим световым выходом обладает сцинтиллятор, изго­товленный при растворении

р-терфенила в ксилоле при концен­трации растворенного вещества 5 г/л.

Основные достоинства жидких сцинтилляторов:

• возможность изготовления больших объемов;

• возможность введения в сцинтиллятор веществ, необходимых в специальных экспериментах;

• малая длительность вспышки (~3•10-9 сек).

Газовые сцинтилляторы. При прохождении за­ряженных частиц через различные газы в них наблюдалось появле­ние сцинтилляций. Наибольшим световым - выходом обладают тяжелые благородные газы (ксенон и криптон). Большим световым выходом обладает также смесь ксенона и гелия. Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход, даже больший, чем у чистого ксенона (рис. 3). Ничтожно малые примеси других газов резко уменьшают интен­сивность сцинтилляций в бла­городных газах.

Рис. 3. Зависимость светового вы­хода газового

сцинтиллятора от соот­ношения смеси гелия и ксенона.

Экспериментально было по­казано, что длительность вспы­шек в благородных газах мала (10-9-10-8 сек), а интенсив­ность вспышек в широком диапа­зоне пропорциональна потерян­ной энергии регистрируемых частиц и не зависит от их массы и заряда. Газовые сцинтилля­торы обладают малой чувстви­тельностью к γ-излучению.

Основная часть спектра лю­минесценции лежит в области далекого ультрафиолета, поэтому для приведения в соответствие со спектральной чувствительностью ФЭУ используются светопреобразователи. Последние должны обладать высоким коэффи­циентом конверсии, оптической прозрачностью в тонких слоях, низкой упругостью насыщенных паров, а также механической и химической устойчивостью. В качестве материалов для светопреобразователей в основном используются различные органиче­ские соединения, например:

дифенилстильбен (эффективность преобразования около 1);

P1p’-кватерфенил (~1);

антрацен (0,34) и др.

Светопреобразователь наносится тонким слоем на фотокатод ФЭУ. Важным параметром светопреобразователя является его время высвечивания. В этом отношении органические преобразо­ватели являются вполне удовлетворительными (10-9 сек или не­сколько единиц на 10-9 сек). Для увеличения светосбора внутрен­ние стенки камеры сцинтиллятора обычно покрываются светоотражателями (MgO, эмаль на основе окиси титана, фторопласт, окись алюминия и др.).

§ 3. Фотоэлектронные умножители

Основными элементами ФЭУ являются: фотокатод, фокуси­рующая система, умножительная система (диноды), анод (коллек­тор). Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаченном до высокого вакуума ( 10-6 мм рт.ст.).

Для целей спектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торце­вой части баллона ФЭУ. В качестве материала фотокатода выби­рается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при λ= 3900÷4200 А, что соответствует, максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов.

Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ.

Одной из характеристик фотокатода является его квантовый выход в, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. Величина ε может достигать 10-20%. Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чув­ствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).

Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрач­ного слоя. Существенна толщина этого слоя. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффектив­ный квантовый выход может оказаться малым. Поэтому подби­рается оптимальная толщина фотокатода. Существенно также обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувстви­тельность была одинакова на всей площади. В сцинтилляционной γ-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с боль­шими диаметрами фотокатодов. В отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15÷20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этой цели используется система электростатических линз, которые пред­ставляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом. На рис.4 при­ведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электро­дами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспе­чивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (σ>1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жалюзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное располо­жение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обла­дают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов. Максимальное значение σ для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350÷400 эв, а для сплавных эмиттеров — при 500÷550 эв. В первом случае σ= 12÷14, во втором σ=7÷10. В рабочих режимах ФЭУ значение σ несколько меньше. Достаточно хорошим коэф­фициентом вторичной эмиссии является σ= 5.

Фотоэлектроны, сфокусированные на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вто­ричные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в σ раз.

При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5—7 порядков и попадает на анод — собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает им­пульс напряжения.

Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умно­жения М. Если значение σ для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодов равно n, то

A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиле­ния М', который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току, выходящему из катода

М' = СМ,

где С<1 — коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.

Очень важным является постоянство коэффициента усиле­ния М' ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электро­нов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позво­ляет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектро­метров ядерных излучений.

О помехах в фотоум­ножителях. В сцинтилляционных счетчиках даже при отсутст­вии внешнего облучения возможно появление большого числа импуль­сов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют небольшие ампли­туды и носят название шумовых. Наибольшее число шумовых им­пульсов обусловливается появле­нием термоэлектронов из фотока­тода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации излучений, соз­дающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы.

Рис. 5. Схема для подавления шумов ФЭУ.

1. При регистрации импульсов, амплитуда которых сравнима с шумовыми, рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ, включенными в схему совпадений (рис. 5). В этом случае происходит временная селекция импульсов, возникших от регистрируемой частицы. В самом деле, вспышка света, возник­шая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одно­временно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в каж­дом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зарегистрированы схемой совпадений. Такой способ позволяет уменьшать собственный фон ФЭУ на 2—3 порядка.

Число шумовых импульсов растет с ростом приложенного напряжения, сначала довольно медленно, затем возрастание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона яв­ляется автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ.

В районе анода, где плотность тока наибольшая, возможно возникновение свечения как остаточного газа, так и конструктив­ных материалов. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопро­вождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10-8÷10-7 сек.

§ 4. Конструкции сцинтилляционных счетчиков

К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования:

• наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде;

• равномерное распределение света по фотокатоду;

• затемнение от света посторонних источников;

• отсутствие влияния магнитных полей;

• стабильность коэффициента усиления ФЭУ.

При работе со сцинтилляционными счетчиками всегда необ­ходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает опти­мально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцин­тилляторе. Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного конца плоским стеклом. Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой материала, отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу. Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85—0,90), используется также алюминий (0,55—0,85).

Особое внимание должно быть обращено на тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов. Так, например, наиболее часто используемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги желтеет и теряет свои сцинтилля­ционные свойства.

Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковы­вать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все твердые сцин­тилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилля­ции. Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт.

В некоторых экспериментах, например при измерениях в ва­кууме, в магнитных полях, в сильных полях ионизирующих излучений сцинтиллятор не может быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ. В таких случаях для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод. В качестве светопроводов применяются полированные стержни из прозрачных материалов — таких, как люсит, плексиглас, полистирол, а также металлические или плексигласовые трубки, заполненные прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых экспе­риментах необходимо использовать изогнутые светопроводы.

Лучше применять светопроводы с большим радиусом кривизны. Светопроводы позволяют также сочленять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров. При этом используются конусообразные све­топроводы. Сочленение ФЭУ с жид­ким сцинтиллятором производится либо через светопровод, либо непо­средственным контактом с жидко­стью. На рис.6 приведен пример сочленения ФЭУ с жидким сцин­тиллятором. В различных режимах работы на ФЭУ подается напря­жение от 1000 до 2500в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зависит от напряжения, то источник питающего тока должен быть хорошо стабилизирован. Кро­ме того, возможно осуществление самостабилизации.

Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения, который позволяет подавать на каждый электрод соответствующий потенциал. Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов делителя. Положительный полюс и другой конец делителя заземляются. Сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптималь­ный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи, иду­щие через ФЭУ.

Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором.

1—жидкий сцинтиллятор;

2—ФЭУ;

3—светозащитный кожух.

При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном ре­жиме на выходе ФЭУ возникают короткие (~10-8 сек) импульсы, амплитуда которых может составлять несколько единиц или несколько десятков вольт. При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие изменения, так как ток через делитель не успевает восполнить заряд, уносимый с каскада электронами. Чтобы избежать таких колебаний потенциалов, несколько последних сопротивлений делителя шунтируются ем­костями. За счет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная электроннооптическая си­стема, соответствующая оптимальному режиму.

В электроннооптической системе траектория электрона не зависит от пропорционального изменения потенциалов на всех электродах, образующих данную электроннооптическую систему. Так и в умножителе при изменении напряжения питания изме­няется лишь коэффициент усиления его, но электроннооптические свойства остаются неизменными.

При непропорциональном изме­нении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изме­няются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал

Рис. 7. Часть схемы делителя.

одного из динодов по отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным, либо с помощью дополнительной батареи, либо с помощью дополнительно стабилизированного делителя. На рис.7 приведена часть схемы делителя, где между динодами D5 и D6 включена дополнительная батарея (Uб = 90 в). Для полу­чения наилучшего эффекта самостабилизации необходимо подо­брать величину сопротивления R'. Обычно R' больше R в 3— 4 раза.

§ 5. Свойства сцинтилляционных счетчиков

Сцинтилляционные счетчики обладают следующими достоинствами.

Высокая разрешающая способность по времени. Длительность импульса в зависимости от исполь­зуемых сцинтилляторов простирается от 10-6 до 10-9 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самостоятель­ным разрядом, что позволяет осуществлять намного большие скорости счета. Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10-9—10-8 сек). Это позволяет использовать схемы совпа­дений с малым разрешающим временем (<10-8 сек) и, следова­тельно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

Высокая эффективность регистрации γ-лучей и нейтронов. Для регистрации γ-кванта или нейтрона необходимо, чтобы они прореагировали с веществом детектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества на пути γ-лучей или нейтронов, тем большей будет вероятность их поглощения, тем большей будет эффективность их регистрации. В настоящее время при исполь­зовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности реги­страции γ-лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенны­ми веществами (10В, 6Li и др.) также намного превышает эффектив­ность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков.

Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения. В самом деле, для легких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе.

С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным анализаторам, можно изучать спектры электронов и γ-лучей. Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (α-частицы и др.), создающих в сцин­тилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях про­порциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелиней­ная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц. Это иллюстрируется графиками на рис.1 и 2.

Возможность изготовления сцинтилля­торов очень больших геометрических размеров. Это означает возможность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших энергий (космические лучи), а также час­тиц, слабо взаимодействующих с веществом (нейтрино).

Возможность введения в состав сцин­тилляторов веществ, с которыми с боль­шим сечением взаимодействуют нейтроны. Для регистрации медленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленных нейтронов с 6Li идет реакция 6Li(n,α)3Н, в которой выделяется энергия в 4,8 Мэв.

§ 6. Примеры использования сцинтилляционных счетчиков

Измерение времен жизни возбужден­ных состояний ядер. При радиоактивном распаде или в различных ядерных реакциях образующиеся ядра часто оказываются в возбужденном состоянии. Изучение квантовых характеристик возбужденных состояний ядер является одной из главных задач ядерной физики. Очень важной характеристи­кой возбужденного состояния ядра является время его жизни t. Знание этой величины позволяет получать многие сведения о структуре ядра.

Атомные ядра могут находиться в возбужденном состоянии различные времена. Для измерения этих времен существуют различные методы. Сцинтилляционные счетчики оказались очень удобными для измерения времен жизни уровней ядер от несколь­ких секунд до очень малых долей секунды. В качестве примера использования сцинтилляционных счетчиков мы рассмотрим метод задержанных совпадений. Пусть ядро A (см. рис.10) путем β-распада превращается в ядро В в возбужденном состоянии, которое избыток своей энергии отдает на последовательное испу­скание двух γ-квантов (γ1,γ2). Требуется определить время жизни возбужденного состояния I. Препарат, содержащий изо­топ A, устанавливается между двумя счетчиками с кристаллами NaJ(Tl) (рис.8). Импульсы, возникшие на выходе ФЭУ, по­даются на схему быстрых совпадений с разрешающим временем ~10-8—10-7 сек. Кроме того, импульсы подаются на линейные усилители и далее на амплитудные анализаторы. Последние настраиваются таким образом, что они пропускают импульсы определенной амплитуды. Для нашей цели, т.е. для цели изме­рения времени жизни уровня I (см. рис. 10), амплитудный анализатор AAI должен пропускать только импульсы, соответ­ствующие энергии квантов γ1 а анализатор AAII — γ2.

Рис.8. Принципиальная схема для определения

вре­мени жизни возбужденных состояний ядер.

Далее импульсы с анализаторов, а также с быстрой схемы совпадений подаются на медленную (τ~10-6 сёк) схему тройных совпадений. В эксперименте изучаются зависимость числа тройных совпадений от величины временной задержки импульса, включенной в первый канал схемы быстрых совпадений. Обычно задержка импульса осуществляется с помощью так называемой переменной линии задержки ЛЗ (рис.8).

Линия задержки должна включаться именно в тот канал, в котором регистрируется квант γ1, так как он испускается раньше кванта γ2. В результате эксперимента строится полулогарифми­ческий график зависимости числа тройных совпадений от времени задержки (рис.9), и уже по нему определяется время жизни возбужденного уровня I (так же, как это делается при определе­нии периода полураспада с помощью одиночного детектора).

Используя сцинтилляционные счетчики с кристаллом NaJ(Tl) и рассмотренную схему быстро-медленных совпадений, можно измерять времена жизни 10-7—10-9 сек. Если же использовать более быстрые органические сцинтилляторы, то можно измерять и меньшие времена жизни возбужденных состояний (до 10-11 сек).

Рис.9. Зависимость числа совпа­дений от величины задержки.

Гамма-дефектоскопия. Ядерные излучения, обладающие большой проникающей способностью, все чаще применяются в тех­нике для обнаружения дефектов в трубах, рельсах и других боль­ших металлических блоках. Для этих целей используется источник γ-излучения и детектор γ-лучей. Наилучшим детектором в этом слу­чае является сцинтилляционный счетчик, обладающий большой эффективностью регистрации. Ис­точник излучения помещается в свинцовый контейнер, из которого через коллиматорное отвер­стие выходит узкий пучок γ-лучей, освещающий трубу. С противо­положной стороны трубы устанавливается сцинтилляционный счетчик. Источник и счетчик помещаются на подвижный механизм, позволяющий передвигать их вдоль трубы, а также поворачивать около ее оси. Проходя через материал трубы, пучок γ-лучей будет частично поглощаться; если труба однородна, поглощение будет всюду одинаковым, и счетчик будет всегда регистрировать одно и то же число (в среднем) γ-квантов в единицу времени, если же в каком-то месте трубы имеется раковина, то γ-лучи в этом месте будут поглощаться меньше, скорость счета увеличится. Местополо­жение раковины будет обнаружено. Примеров подобного исполь­зования сцинтилляционных счетчиков можно привести много.

Экспериментальное обнаружение ней­трино. Нейтрино — самая загадочная из элементарных частиц. Практически все свойства нейтрино получены из косвенных дан­ных. Современная теория β-распада предполагает, что масса ней­трино mν равна нулю. Некоторые эксперименты позволяют утверждать, что . Спин нейтрино равен 1/2, магнит­ный момент <10-9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (ν-частица). При электронном распаде испускается электрон (частица) и антинейтрино (-ν-античастйца).

Создание ядерных реакторов, в которых образуется очень большое количество ядер с избытком нейтронов, вселило надежду на обнаружение антинейтрино. Все нейтронноизбыточные ядра распадаются с испусканием электронов, а следова­тельно, и антинейтрино. Вблизи ядерного реактора мощностью в несколько сотен тысяч киловатт поток антинейтрино составляет 1013 см-2•сек-1 — поток огромной плотности, и при выборе подходящего детектора антинейтрино можно было попытаться их обнаружить. Такая попытка была осуществлена Рейнесом и Коуэном в 1954 г. Авторы использовали следующую реакцию:

ν + p → n + e+ (1)

этой реакции частицами-продуктами являются позитрон и нейтрон, которые могут быть зарегистрированы.

Детектором и одновременно водородной мишенью служил жидкий сцинтиллятор, объемом ~1м3, с высоким содержанием водорода, насыщенный кадмием. Позитроны, возникающие в реак­ции (1), аннигилировали в два γ-кванта с энергией 511 кэв каждый и обусловливали появление первой вспышки сцинтиллятора. Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедлялся и захватывался кадмием. При этом захвате кадмием испускалось несколько γ-квантов с суммарной энергией около 9 Мэв. В резуль­тате в сцинтилляторе возникала вторая вспышка. Измерялись запаздывающие совпадения двух импульсов. Для регистрации вспышек жидкий сцинтиллятор окружался большим количеством ФЭУ.

Скорость счета запаздывающих совпадений составляла три отсчета в час. Из этих данных было получено, что сечение реак­ции ( рис. 1) σ = (1,1 ± 0,4)10-43см2, что близко к расчетной величине.

В настоящее время жидкостные сцинтилляционные счетчики очень больших размеров используются во многих экспериментах, в частности в экспериментах по измерению потоков γ-излучений, испускаемых человеком и другими живыми организмами.

Регистрация осколков деления. Для ре­гистрации осколков деления оказались удобными газовые сцин­тилляционные счетчики.

Обычно эксперимент по изучению сечения деления ставится следующим образом: слой изучаемого элемента наносится на ка­кую-то подложку и облучается потоком нейтронов. Конечно, чем больше будет использоваться делящегося вещества, тем больше будет происходить актов деления. Но так как обычно делящиеся вещества (например, трансурановые элементы) являются α-излучателями, то использование их в значительных количествах ста­новится затруднительным из-за большого фона от α-частиц. И если акты деления изучаются с помощью импульсных иониза­ционных камер, то возможно наложение импульсов от α-частиц на импульсы, возникшие от осколков деления. Только прибор, обладающий лучшим временным разрешением, позволит исполь­зовать большие количества делящегося вещества без наложения импульсов друг на друга. В этом отношении газовые сцинтилляционные счетчики обладают значительным преимуществом по сравнению с импульсными ионизационными камерами, так как длительность импульсов у последних на 2—3 порядка больше, чем у газовых сцинтилляционных счетчиков. Амплитуды импуль­сов от осколков деления много больше, чем от α-частиц и поэтому могут быть легко отделены с помощью амплитудного анализатора.

Очень важным свойством газового сцинтилляционного счет­чика является его низкая чувствительность к γ-лучам, так как часто появление тяжелых заряженных частиц сопровождается интенсивным потоком γ-лучей.

Люминесцентная камера. В 1952 г. советскими физиками Завойским и другими впервые было произведено фото­графирование следов ионизирующих частиц в люминесцирующих веществах с помощью чувствительных электроннооптических преобразователей (ЭОП). Этот метод регистрации частиц, назван­ный люминесцентной камерой, имеет высокую разрешающую способность по времени. Первые опыты были произведены при использовании кристалла CsJ (Tl).

В дальнейшем для изготовления люминесцентной камеры стали использовать пластмассовые сцинтилляторы в виде длинных тонких стерженьков (нитей). Нити укладываются в виде стопки рядами так, что нити в двух соседних рядах расположены под прямым углом друг к другу. Этим обеспечивается возможность стереоскопического наблюдения для воссоздания пространствен­ной траектории частиц. Изображения от каждой из двух групп взаимно перпендикулярных нитей направляются на отдельные электроннооптические преобразователи. Нити играют также роль светопроводов. Свет дают только те нити, которые пересекает частица. Этот свет выходит через торцы соответствующих нитей, которые фотографируются. Изготовляются системы с диаметром отдельных нитей от 0,5 до 1,0 мм.

Литература:

1. Дж.Биркс. Сцинтилляционные счетчики. М., ИЛ, 1955.
2. В.О.Вяземский, И.И. Ломоносов, В.А. Рузин. Сцинтилляционный метод в радиометрии. М.,Госатомиздат, 1961.
3. Ю.А. Егоров. Стинцилляционный метод спектрометрии гамма излучения и быстрых нейтронов. М., Атомиздат, 1963.
4. П.А. Тишкин. Эксперементальные методы ядерной физики(детекторы ядерных излучений).

Издательство Ленинградского Университета, 1970.

5 Г.С. Ландсберга. Элементарный учебник физики ( том 3).М., Наука , 1971