Сцинтилляционные детекторы излучения. Сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляционный детектор, не являющийся лавинным прибором, имеет перед счетчиками Гейгера ряд важных преимуществ

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.

1 – радиоактивный источник; 2 – сцинтиллятор; 3 – светопровод; 4 – фотокатод ФЭУ; 5 – фокусирующие электроды; 6 – диноды; 7 – фотоэлектроны; 8 – анод; 9 – делитель ФЭУ; 10 – сопротивление нагрузки.

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.

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

Сцинтилля́торы - вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов , электронов , альфа-частиц и т. д. ). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений - основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя - ФЭУ , значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.

Характеристики сцинтилляторов [ | ]

Световыход [ | ]

Световыход - количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ ). Большим световыходом считается величина 50-70 тыс. фотонов на МэВ. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца).

Спектр высвечивания [ | ]

Спектр высвечивания должен быть оптимально согласован со светочувствительностью используемого фотоприёмника, чтобы не терять лишний свет. Несогласованный с чувствительностью приёмника спектр высвечивания негативно сказывается на энергетическом разрешении.

Энергетическое разрешение [ | ]

Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано 1) со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления, 2) с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора, 3) с разбросом высвечиваемого числа фотонов. В результате в набранном спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, её часто можно представить в виде гауссианы с дисперсией σ 2 . В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используются сигма (квадратный корень из дисперсии) и, чаще, полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum ; иногда называется полушириной), отнесённые к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в 2 2 ln ⁡ 2 ≈ 2 , 355 {\displaystyle 2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2,355} раза больше σ . Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально E −1/2), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 (661.7 кэВ ).

Время высвечивания [ | ]

Типичная кривая высвечивания неорганического сцинтиллятора, возбуждённого поглощением быстрой заряженной частицы. После кратковременной яркой вспышки свечение относительно медленно затухает.

Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе, возбуждённого прохождением быстрой заряженной частицы энергия преобразуется в световое излучение, называют временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или, в общем случае, как сумма нескольких убывающих экспонент:

I ∼ ∑ i A i exp ⁡ (− t / τ i) {\displaystyle \displaystyle I\sim \sum _{i}A_{i}\exp(-t/\tau _{i})}

Слагаемое в формуле с наибольшей амплитудой A i {\displaystyle \displaystyle A_{i}} и постоянной времени τ i {\displaystyle \tau _{i}} характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Почти все сцинтилляторы после быстрого высвечивании имеют медленно спадающий «хвост» послесвечения, что зачастую является недостатком, с точки зрения временного разрешения, скорости счёта регистрируемых частиц.

Обычно сумму многих экспонент в приведённой формуле с достаточной для практики точностью можно представить в виде суммы двух экспонент:

I = A exp ⁡ (− t τ f) + B exp ⁡ (− t τ s) {\displaystyle I=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right)}

где τ f {\displaystyle \tau _{f}} постоянная времени «быстрого» высвечивания, τ s {\displaystyle \tau _{s}} постоянная времени «медленного» высвечивания, A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} - амплитуды свечения и послесвечения соответственно.

Амплитуды свечения и послесвечения зависят от энергии, поглощённой в сцинтилляторе, ионизирующей способности быстрых частиц и гамма-квантов. Например, в сцинтилляторах изготовленных из легированного фторида бария амплитуда свечения, вызванного поглощением гамма-кванта существенно превышает амплитуду свечения, вызванного поглощением альфа-частицы , при поглощении которой наоборот, превалирует амплитуда послесвечения. Это явление позволяет различать природу ионизирующего излучения.

Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов - от сотен наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

Радиационная прочность [ | ]

Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.

Квенчинг-фактор [ | ]

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны , альфа-частицы, тяжёлые ионы , осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы , мюоны или рентген . Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching - «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β -отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.

Неорганические сцинтилляторы [ | ]

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода в кристалл вводят так называемый активатор (или допант). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными .

Сцинтилляторы

	Время высвечивания, мкс	Максимум спектра высвечивания, нм	Коэффициент эффективности (по отношению к антрацену)	Примечание
NaI ()	0,25	410	2,0	гигроскопичен
CsI ()	0,5	560	0,6	фосфоресценция
LiI ()	1,2	450	0,2	очень гигроскопичен
LiI ()				очень гигроскопичен
ZnS ()	1,0	450	2,0	порошок
CdS ()	1,0	760	2,0	небольшие монокристаллы

Неорганические керамические сцинтилляторы [ | ]

Прозрачные керамические сцинтилляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов Al 2 O 3 (Лукалокс), Y 2 O 3 (Иттралокс) и производных оксидов Y 3 Al 5 O 12 и YAlO 3 , а также MgO, BeO.

Органические сцинтилляторы [ | ]

Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух- − трёхкомпонентные смеси. Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт потери энергии налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Длина поглощения этого ультрафиолета, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.

Вывод света осуществляется добавлением к сцинтиллятору второго компонента, поглощающего первично излученный свет и переизлучающего его изотропно с большими длинами волн (так называемого сместителя спектра, или шифтера).

Две активных компоненты в органических сцинтилляторах или растворяются в органической жидкости или смешиваются с органическим материалом так, чтобы образовать полимерную структуру. При такой технологии можно производить жидкий или пластиковый сцинтиллятор любой геометрической формы. В большинстве случаев изготавливаются листы сцинтиллятора толщиной от 1 до 30 мм.

Органические сцинтилляторы имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц - десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший:

Также существуют другие органические сцинтилляторы, например американской компании. Сцинтилляторы Bicron BC 400…416 производятся на основе.

Газовые сцинтилляторы [ | ]

Газовые сцинтилляционные счетчики используют свет, излученный атомами, которые возбуждаются в процессе взаимодействия с ними заряженных частиц и затем возвращаются в основное состояние. Времена жизни возбужденных уровней лежат в наносекундном диапазоне. Световыход в газовых сцинтилляторах в силу их низких плотностей сравнительно невысок. Однако в качестве газовых сцинтилляторов могут также применяться сжиженные инертные газы.

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.

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

- детектор частиц, действие к-рого основано на регистрации световых вспышек в видимой или УФ-области, возникающих при прохождении заряж. частиц через сцинтиллятор. Доля энергии, конвертированная в световую вспышку от полной энергии (), потерянной частицей в сцинтиллято-ре, наз. к о н в е р с и о н н о й э ф ф е к т и в н о с т ь ю. Она является осн. параметром С. д. Иногда вместо конверсионной эффективности используют уд. световой выход (свето-выход) - число образованных частицей фотонов на единицу потерянной энергии , или ср. энергию, расходуемую на образование одного фотона, w ф =w/ С к.

Здесь -ср. энергия фотонов световой вспышки ( 3 эВ).

Для наиб. эфф. сцинтилляторов значение С к достигает 0,1-0,3. Конверсионная эффективность зависит от типа регистрируемой частицы и от её уд. потерь энергии. Для данного сцинтиллятора С к может зависеть от темп-ры T , наличия примесей и соотношения разл. компонент в сцинтилляторе.

С. д. обладает спектроскопич. свойствами, т. е. интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в широкой области энергии. Только в области малых энергий, где резко возрастает уд. потеря энергии, световыход падает и пропорциональность нарушается.

Механизмы преобразования энергии частицы в световую вспышку различны для разных сцинтилляторов. В большинстве случаев они могут быть сведены к след. (упрощённой) схеме: 1) ионизация и возбуждение атомов и молекул, образование радикалов; 2) перенос энергии возбуждения к центрам свечения (радиационный, резонансный, экситон-ный, электронно-дырочный); 3) возбуждение и высвечивание центров свечения. Нейтральные частицы регистрируются благодаря передаче энергии заряженным: g-кванты- по электронам и позитронам (см. Гамма-излучение), нейтроны - по протонам отдачи (при упругом рассеянии) или по заряж. частицам, возникающим в ядерных реакциях нейтронов с веществом сцинтиллятора.

Рис. 1. Схема сцинтилляционного детектора: Сц- сцинтиллятор, Св-светопровод, Ф - фотокатод, Д - диноды, А - анод.

Осн. элементы С. д. (рис. 1) - сцинтиллятор и соединённый с ним оптически фоторегистратор, преобразующий энергию световой вспышки в электрич. импульс. В качестве фоторегистратора обычно используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Световые фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают из него электроны, к-рые фокусируются на 1-й динод, размножаются динодной системой в результате процесса вторичной электронной эмиссии и окончательно собираются на аноде ФЭУ, создавая в его цепи электрич. импульс.

Спектрометрич. и амплитудные характеристики С. д. определяются числом электронов, попавших на 1-й динод ФЭУ, к-рое можно рассчитать по ф-ле N 1 = ab g/w ф . Здесь а- доля фотонов, попадающих на фотокатод, g-квантовый выход фотокатода (для лучших мультищелоч-ных катодов g = 0,15-0,2), b 0,5-0,8 - доля электронов, собранных на 1-й динод. Макс. амплитуда импульса напряжения на сопротивлении в анодной цепи ФЭУ: A макс = N 1 Me / С , где М- коэф. усиления ФЭУ, С- ёмкость анода; М может достигать значения ~10 8 , что позволяет регистрировать события, в результате к-рых на 1-й динод приходит всего 1 электрон. Иногда между сцинтиллятором и ФЭУ устанавливается световод (для улучшения равномерности светового сбора, выноса ФЭУ из области эл.-магн. поля и др.).

Помимо ФЭУ в качестве фоторегистратора могут использоваться вакуумный (в интегральном режиме) или полупроводниковый фотоэлементы. В первых экспериментах при регистрации a-частиц с помощью ZnS световые вспышки регистрировались непосредственно глазом.

Для оптимальной регистрации световой вспышки её спектр и спектральная чувствительность фотокатода долж-

ны быть близки, а сцинтиллятор должен быть прозрачен для излучения. Прозрачность сцинтиллятора характеризуется расстоянием, на к-ром интенсивность его светового излучения уменьшается в результате поглощения в е раз. Для увеличения числа фотонов, падающих на фотокатод ФЭУ, и улучшения равномерности светосбора по объёму сцинтиллятора поверхность последнего покрывают отражателем (MgO, TiO 2 , тефлон) или используют полное внутр. отражение от полиров. граней кристалла.

Интенсивность световой вспышки в зависимости от времени меняется по закону I=I 0 ехр(-t /t), где t - время, за к-рое интенсивность уменьшается в е раз, называемое временем высвечивания сцинтиллятора; t определяет временные характеристики С. д. Время высвечивания определяется процессами преобразования энергии частицы в световую вспышку, и часто из-за неск. процессов возникает неск. компонент с разл. t. Соотношение интенсивностей разл. компонент высвечивания отличается для лёгких (электронов) и тяжёлых (протонов, a-частиц и т. д.) частиц, особенно для органич. сцинтилляторов (см. ниже), что приводит к разл. форме импульса для этих частиц. Это позволяет при регистрации по форме импульса разделять частицы разной природы при одинаковой амплитуде импульса.

Зависимость световыхода от типа регистрируемых частиц характеризуют отношением a/b-отношением световыхода a-частицы и электрона при одинаковых энергиях. Отношение a/b различно для разных типов сцинтилляторов и зависит от энергии частиц.

С. д. применяются как в виде самостоят. детекторов, так и в качестве составных компонентов комбинированных систем детекторов при исследовании разл. процессов с энергиями >= неск. КэВ.

Неорганические сцинтилляторы - монокристаллы с добавкой активатора. Они обладают высокими эффективностью Z, плотностью r и достаточно большой длительностью высвечивания t (табл. 1).

Табл. 1.- Характеристика неорганических сцинтилляторов

Наиб. световыходом обладают кристаллы ZnS(Ag), но они существуют только в виде мелкокристаллич. порошка (кристаллы больших размеров получить не удаётся), прозрачность к-рых для собств. излучения мала. Одним из лучших неорганич. сцинтилляторов является NaI (Tl). Он имеет наибольший после ZnS (Ag) световыход и прозрачен для собств. излучения. Монокристаллы NaI(Tl) могут быть выращены больших размеров (до 500 мм); их недостаток-гигроскопичность, требующая герметизации. Сцинтиллятор CsI(Tl) имеет световыход ниже, но не гигроскопичен. Помимо этих универсально используемых неорганич. сцинтилляторов существует ряд других, применение к-рых диктуется условиями эксперимента - присутствием определ. элементов, большим или, наоборот, малым сечением захвата тепловых нейтронов (см. Нейтронные детекторы )и др. Перспективны сцинтилляторы на основе BaF 2 и Bi 4 Ge 3 O 12 (гигроскопичны, могут быть выращены размерами до неск. десятков см), неактивированные кристаллы галлоидов щелочных металлов при Т -200° С. Напр., кристаллы NaI имеют тот же световыход, что и NaI (Tl) при Т= 300 К, но t на порядок меньше. Механизм высвечивания неорганич. сцинтилляторов иллюстрирует зонная диаграмма ионных кристаллов (рис. 2). Внутри запрещённой энергетич. зоны (см. Зонная теория ) могут быть дискретные уровни энергии ионов активатора (напр., Тl для NaI), а также других неизбежных примесей и дефектов кристаллич. решётки. При прохождении заряж. частицы электроны могут получать энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в экситонную зону и зону проводимости. Обратные переходы электронов в зону валентности с промежуточным захватом на дискретных уровнях запрещённой зоны приводят к испусканию оптич. фотонов. Поскольку их энергия меньше ширины запрещённой зоны , а плотность дискретных уровней мала, кристалл оказывается для них прозрачным. Световыход зависит от концентрации активатора В (рис. 3). Уменьшение световыхода при больших концентрациях связано с ростом вероятности поглощения фотонов на активаторных уровнях. Время высвечивания t с ростом концентрации активатора до 3 10 -3 уменьшается от 0,35 до 0,22 мкс.

Рис. 2. Зонная диаграмма ионного кристалла.

Рис. 3. Зависимость световыхода С к кристалла NaI от концентрации Тl.

Рис. 4. Спектр импульсов от NaI(Tl) для =661 КэВ.

Большая плотность р и высокий атомный номер Z обусловливают осн. применение С. д. на основе неорганич. сцинтилляторов для регистрации и спектрометрии g-из-лучения (рис. 4). Спектр монохроматич. g-излучения состоит из т. н. пика полного поглощения (полное поглощение g-кванта) и комптоновского распределения (см. Комптона эффект), соотношение к-рых зависит от размера кристалла. Энергетич. разрешение пика полного поглощения складывается из флуктуации числа электронов, собранных на 1-й динод ФЭУ, дисперсии ФЭУ и т. для энергии g-квантов от 137 Cs ( =661 КэВ) для лучших кристаллов порядка 7%. С изменением регистрируемой энергии разрешение меняется по закону . Пропорциональность между интенсивностью световой вспышки и "потерянной" энергией при регистрации электронов и у-квантов в NaI (Тl) имеет место при > 100 КэВ. При меньших энергиях световыход сложным образом зависит от уд. потерь энергии.

Органические сцинтилляторы. К ним относятся органич. кристаллы, жидкие и твёрдые растворы сцинтиллирующих веществ в органич. растворителях и полимерах, а также органич. газы (см. Органические проводники).

Табл. 2.- Характеристика органических сцинтилляторов

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. смеситель 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. изотопы или при регистрации тепловых нейтронов Li, В, Gd, Cd.

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.

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 нейтрино. 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 молекулы. 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. поле. 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.

- разновидность сцинтилляционного детектора, особенностью к-рого является регулярная система параллельно расположенных волокон из сцинтиллятора. Часть света от заряж...
Физическая энциклопедия
- детектор ядерных ч-ц, осн. элементами к-рого являются в-во, люминесцирующее под действием заряж. ч-ц, и фотоэлектронный умножитель...
Физическая энциклопедия
- дете́ктор преобразователь электрических сигналов для выделения заложенной в них информации для последующей передачи...
Энциклопедия техники
- прибор для преобразования поступающих в приемник модулированных колебаний высокой частоты, слухом не воспринимаемых, в колебания низкой частоты, слышимые в телефон...
Морской словарь
- демодулятор, прибор для преобразования поступающих в приемник колебаний высокой частоты, не воспринимаемых слухом, в колебания низкой частоты, слышимые в телефон...
Технический железнодорожный словарь
- прибор для регистрации и спектрометрии частиц. Действие основано на регистрации световых вспышек, возникающих при прохождении ионизирующих излучений через сцинтиллятор...
Естествознание. Энциклопедический словарь
- прибор для графической регистрации изменений яркости рентгеновского экрана в области размещаемого на нем фотодатчика...
Большой медицинский словарь
- прибор, предназначенный для изучения полей радиоактивных излучений при геол. исследованиях. В качестве приемника излучений используется сцинтиллирующее вещество в сочетании с фотоэлектронным умножителем...
Геологическая энциклопедия
- 1) электрич. цепь, чаще с ПП или электровакуумным диодом, транзистором, служащая для разл. рода преобразований электрич...
Большой энциклопедический политехнический словарь
- прибор для регистрации ядерного излучения и элементарных частиц, основными элементами которого является вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц, и фотоэлектронный умножитель...
Энциклопедический словарь по металлургии
- прибор для измерения характеристик ядерных излучений и элементарных частиц, основным элементом которого является Сцинтилляционный счётчик...
- прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц, основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц, и Фотоэлектронный умножитель...
Большая Советская энциклопедия
- прибор для регистрации и спектрометрии частиц. Действие основано на возбуждении заряженными частицами в ряде веществ световых вспышек, которые регистрируются фотоэлектронными умножителями...
Большой энциклопедический словарь
- ...
Орфографический словарь русского языка
- сцинтилляци"...
Русский орфографический словарь
- сцинтилляцио́нный счетчик прибор для регистрации ионизирующих излучений, действие которого основано на явлении сцинтилляции, состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного...
Словарь иностранных слов русского языка

"СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР" в книгах

Как работает детектор лжи?

автора

Как работает детектор лжи?

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий Павлович

Как работает детектор лжи? Детектором лжи называют прибор, измеряющий во время допроса человека частоту его пульса, дыхания, давление крови и электрическое сопротивление кожи (интенсивность потоотделения). Когда человек лжет, первые три показателя повышаются, а

Детектор ошибок

Из книги Магия мозга и лабиринты жизни автора Бехтерева Наталья Петровна

Детектор ошибок Очень важное направление работы института – исследование высших функций мозга: внимания, памяти, мышления, речи, эмоций. Этими проблемами занимаются несколько лабораторий, в том числе та, которой руковожу я, лаборатория академика Н.П. Бехтеревой,

Детектор лжи

Из книги Практичная русская идея автора Мухин Юрий Игнатьевич

Детектор лжи Понятно, что среди действующих Президента и депутатов союзников в нашей борьбе нет и быть не может. Также ясно, почему у нас нет союзников в правой части политического спектра, среди либералов и демократов всех мастей. Эти люди недостатков в существующей

Детектор лжи

Из книги Энциклопедия юриста автора Автор неизвестен

Детектор лжи ДЕТЕКТОР ЛЖИ (полиграф) - прибор, который непрерывно измеряет изменения кровяного давления, частоты пульса, влажности кожи, частоту дыхания (физиологические переменные) и др. При внутреннем напряжении, например при ответах на неприятные вопросы или ложном

Из книги Большая Советская Энциклопедия (СЦ) автора БСЭ

ДЕТЕКТОР ЛЖИ

Из книги Заяц, стань тигром! автора Вагин Игорь Олегович

ДЕТЕКТОР ЛЖИ Сколько хитроумных, сверхчувствительных приборов выдумано учеными, чтобы с их помощью установить истину: лжет человек или говорит правду. Но лично вы можете ими воспользоваться при необходимости? А необходимость эта возникает каждый день, каждый

Детектор лжи

Из книги Я хочу рассказать вам о... автора Букай Хорхе

Детектор лжи - Мне надоело! - пожаловался я.- Что, Демиан?- Что мне лгут! Мне надоело, что мне лгут!- А почему тебя так злит ложь? - Словно я жаловался, что дождь мокрый…- Как это почему? Потому что это ужасно! Меня раздражают те, кто меня обманывает, надувает, впутывает

Детектор лжи

Из книги Как распознать лжеца по языку жестов. Практическое руководство для тех, кто не хочет быть обманутым автора Малышкина Мария Викторовна

Детектор лжи Детектор лжи (полиграф) является наиболее распространенным прибором для измерения физиологических реакций организма человека, вызванных эмоциями. Его применяют, в частности, для проверки правдивости показаний подозреваемых в ходе расследования

Ваш детектор лжи

Из книги Перезагрузка. Как переписать свою историю и начать жить на полную мощность автора Лоэр Джим

Ваш детектор лжи Когда Эрнеста Хемингуэя спросили, что нужно, чтобы стать великим писателем, он ответил: «Встроенный противоударный детектор дерьма».Детектор дерьма, или детектор лжи, есть у каждого из нас: у кого-то он лучше, чем у остальных; у кого-то он точно попадает в

«Детектор лжи»

Из книги Зачетная книжка жизни. Учимся любить автора Некрасов Анатолий Александрович

«Детектор лжи» На Первом канале появилась новая программа с ведущим Андреем Малаховым «Детектор лжи». Это очередной американский шоу-проект, которых много было в последнее время использовано и на нашем телевидении. Все подобные проекты решают одну задачу – привлечь как

Детектор лжи

Из книги Развитие памяти по методикам спецслужб автора Букин Денис С.

Детектор лжи Детектором лжи обычно называют полиграф – прибор, который регистрирует информацию о физиологическом состоянии человека: частоту пульса, артериальное давление, частоту и глубину дыхания, кожно-гальваническую реакцию (выделение пота на коже), мышечное