Сцинтиляційний лічильник
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Сцинтиляційний лічильник

Сцинтиляційний лічильник, прилад для реєстрації ядерних випромінювань і елементарних часток (протонів, нейтронів, електронів, g-квантів, мезонів і т. д.), основними елементами якого є речовина, люмінесцирующєє під дією заряджених часток (сцинтилятор), і фотоелектронний помножувач (ФЕУ). Візуальні спостереження світлових спалахів (сцинтиляцій) під дією іонізуючих часток (а-часток, уламків ділення ядер) були основним методом ядерної фізики на початку 20 ст (див. Спінтарископ ) . Пізніше С. с. був повністю витиснений іонізаційними камерами і пропорційними лічильниками . Його повернення в ядерну фізикові сталося в кінці 40-х рр., коли для реєстрації сцинтиляцій були використані багатокаскадні ФЕУ з великим коефіцієнтом посилення, здатні зареєструвати надзвичайно слабкі світлові спалахи.

загрузка...

  Принцип дії С. с. полягає в наступному: заряджена частка, проходячи через сцинтилятор, поряд з іонізацією атомів і молекул збуджує їх. Повертаючись в незбуджений (основне) стан, атоми випускають фотони (див. Люмінесценція ) . Фотони, потрапляючи на катод ФЕУ, вибивають електрони (див. Фотоелектронна емісія ) , внаслідок чого на аноді ФЕУ виникає електричний імпульс, який далі посилюється і реєструється (див. мал. ). Детектування нейтральних часток (нейтронів, g-квантів) відбувається по вторинних заряджених часткам, що утворюються при взаємодії нейтронів і g-квантів з атомами сцинтилятора.

  Як сцинтилятори використовуються різні речовини (тверді, рідкі, газоподібні). Великого поширення набули пластики, які легко виготовляються, механічно обробляються і дають інтенсивне свічення. Важливою характеристикою сцинтилятора є доля енергії реєстрованої частки, яка перетворюється на світлову енергію (конверсійна ефективність h). Найбільшими значеннями hобладают кристалічні сцинтилятори: NAI, активований Tl [NAI (Tl)], антрацен і ZNS. Ін.(Древн) важливою характеристикою є час висвічення t, яке визначається часом життя на збуджених рівнях. Інтенсивність свічення після проходження частки змінюється експоненціально: , де I 0 початкова інтенсивність. Для більшості сцинтиляторів t лежить в інтервалі 10 –9 — 10 –5 сек. Короткими часом свічення володіють пластики (таблиця. 1). Чим менше t, тим більше швидкодіючим може бути зроблений С. с.

  Для того, щоб світловий спалах був зареєстрований ФЕУ, необхідно, щоб спектр випромінювання сцинтилятора збігався із спектральною областю чутливості фотокатода ФЕУ, а матеріал сцинтилятора був прозорий для власного випромінювання. Для реєстрації повільних нейтронів в сцинтилятор додають Li або В. Для реєстрації швидких нейтронів використовуються водородсодержащие сцинтилятори (див. Нейтронні детектори ) . Для спектрометрії g-квантів і електронів високої енергії використовують Nal (Tl), що володіє великою щільністю і високим ефективним атомним номером (див. Гамма-випромінювання ) .

  С. с. виготовляють з сцинтиляторами різних розмірів — об'ємом від 1—2 мм 3 до 1—2 м-код 3 . Щоб не «втратити» світло, що випромінює, необхідний хороший контакт ФЕУ з сцинтилятором. У С. с. невеликих розмірів сцинтилятор безпосередньо приклеюється до фотокатода ФЕУ. Всі інші його сторони покриваються шаром светоотражающего речовини (наприклад, MGO, Tio 2 ). У С. с. великого розміру використовують світлопроводи (зазвичай з полірованого органічного скла).

  ФЕУ, призначені для С. с., повинні володіти високою ефективністю фотокатода (до 2,5%), високим коефіцієнтом посилення (10 8 —10 8 ), малим часом збирання електронів (~ 10 –8 сік ) при високій стабільності цього часу. Останнє дозволяє досягти роздільної здатності за часом С. с. £10 –9 сек. Високий коефіцієнт посилення ФЕУ поряд з малим рівнем власних шумів робить можливою реєстрацію окремих електронів, вибитих з фотокатода. Сигнал на аноді ФЕУ може досягати 100 ст

  Таблиці. 1. — Характеристики деяких твердих і рідких сцинтиляторів,

вживаних в сцинтиляційних лічильниках

Речовина

Плотность, г/см 3

Час висвічення, t,

10 -9 сек.

Довжина хвилі в максимумі спектру,

Конверсійна ефективність h %   (для електронів)

Кристали

 

 

 

 

  Антрацен C 14 H 10

1,25

30

4450

4

  Стильбен C 14 H 12

1,16

6

4100

3

  NAI (Tl)

3,67

250

4100

6

  ZNS (Ag)

4,09

11

4500

10

  Csl (Tl)

4,5

700

5600

2

Рідини

 

 

 

 

  Розчин р -терфеніла в ксилолі (5 г/л) з додаванням РОРОР 1 (0,1 г/л)

0,86

2

3500

2

  Розчин р -терфеніла в толуолі (4 г/л) з додаванням РОРОР (0,1г/л)

0,86

2,7

4300

2,5

Пластики

 

 

 

 

  Полістирол з додаванням р -терфеніла (0,9%) і a-npo 2 (0,05 вагових %)

1,06

2,2

4000

1,6

  Полівінілтолуол з додаванням 3,4% р -терфеніла і 0,1 вагових % РОРОР

1,1

3

4300

2

  1 РОРОР — 1,4-ді-[2-(5-фенілоксазоліл)]-бензол.   2 NPO — 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол.

  Достоїнства С. с.: висока ефективність реєстрації різних часток (практично 100%); швидкодія; можливість виготовлення сцинтиляторів різних розмірів і конфігурацій; висока надійність і відносно невисока вартість. Завдяки цим якостям С. с. широко застосовується в ядерній фізиці, фізиці елементарних часток і космічних променів, в промисловості (радіаційний контроль), дозиметрії, радіометрії, геології, медицині і т. д. Недоліки С. с.: мала чутливість до часток низьких енергій (£ 1 кев ), невисока роздільна здатність по енергії (див. Сцинтиляційний спектрометр ) .

  Для дослідження заряджених часток малих енергій (< 0,1 Мев ) і уламків ділення ядер як сцинтилятори застосовуються гази (таблиця. 2). Гази володіють лінійною залежністю величини сигналу від енергії частки в широкому діапазоні енергій, швидкодією і можливістю міняти гальмівну здатність зміною тиску. Крім того, джерело може бути введений в об'єм газового сцинтилятора. Проте газові сцинтилятори вимагають високої чистоти газу і спеціального ФЕУ з кварцевими вікнами (значна частина випромінюваного світу лежить в ультрафіолетової області).

  Таблиця. 2. — Характеристики деяких газів, вживаних як

сцинтиляторів в сцинтиляційних лічильниках (при тиску 740 мм

рт. ст., для а-часток з енергією 4,7 Мев )

Газ

Час висвічення t,

сік

Довжина хвилі в максимумі спектру,

Конверсійна ефективність n %

Ксенон

10 –8

3250

14

Криптон

10 –8

3180

8,7

Аргон

10 –8

2500

3

Азот

3×10 –9

3900

2

 

 

  Літ.: Бірке Дж., Сцинтиляційні лічильники, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1955; Калашникова Ст І., Козодаєв М. С., Детектори елементарних часток, в кн.: Експериментальні методи ядерної фізики, М., 1966; Рітсон Д., Експериментальні методи у фізиці високих енергій, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964.

  Ст С. Каптанів.

Схема сцинтиляційного лічильника: кванти світла (фотони) «вибивають» електрони з фотокатода; рухаючись від диноду до диноду, електронна лавина розмножується.