Сцинтилляционный детектор состоящий из кристалла. Детекторы ядерных излучений

«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

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

Наши задачи: познакомить с основными видами детекторов ядерных излучений.

Детекторы ядерных излучений - это приборы для регистрации альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Служат для определения состава излучения и измерения его интенсивности, измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц. В основе регистрации лежат процессы взаимодействия излучений с веществом .

Все детекторы ядерных излучений можно разделить на три группы: счетчики частиц, следовые детекторы и детекторы, у которых под действием излучений изменяются какие-либо измеряемые свойства.

Основными характеристиками детектора являются – эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании её в детектор), временное разрешение (минимальное время, в течение которого детектор фиксирует две частицы как отдельные) и мёртвое время или время восстановления (время, в течение которого детектор после регистрации частицы либо вообще теряет способность к регистрации следующей частицы, либо существенно ухудшает свои характеристики). Если детектор определяет энергию частицы и (или) её координаты, то он характеризуется также энергетическим разрешением (точностью определения энергии частицы) и пространственным разрешением (точностью определения координаты частицы).

Импульсная ионизационная камера

Зависимость тока в цепи от времени i(t) определяется расположением траектории частицы в камере. В простейшем случае, когда траектория параллельна пластинам камеры (как на рисунке), ток постоянен, пока ионы, образованные регистрируемой частицей, не достигнут электродов (рис.2). Решение уравнения (1) в этом случае

где t 0 время собирания носителей заряда. Форма импульса показана на рис.3 Обычно камеру наполняют инертным газом, в котором

Здесь ω - работа образования одной пары ионов (~25 эВ для аргона). Нет проблем с усилением и регистрацией импульсов такой амплитуды. Энергетическое разрешение (точность определения значения энергии зарегистрированной частицы) определяется разбросом амплитуд, которое в свою очередь зависит от числа образованных пар ионов N , которое является случайным, возможны флуктуации числа N порядка √N

и составляет примерно 1%. Импульсные ионизационные камеры используют для регистрации тяжелых заряженных частиц (протонов, α -частиц...), пробег которых невелик и может уложиться в объеме камеры.

Пропорциональный счетчик

Энергию электронов в ионизационной камере не измерить: энергия электрона должна быть мала, чтобы пробег укладывался в объеме камеры, но тогда амплитуда импульса составит микровольты. Применяют газовое усиление .

Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных

В пропорциональном счётчике обычно катодом служит цилиндр, а анодом - тонкая (10-100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (см. рис.4). Распределение напряженности поля E по радиусу выглядит следующим образом:

То есть условия для ударной ионизации выполняются только в узкой области около анода. В остальной, бо́льшей части объема электроны просто дрейфуют к аноду. Этим достигается независимость амплитуды импульса от траектории пролета в счетчике. Газовый разряд несамостоятельный, т.е. такой, что гаснет при прекращении внешней ионизации.

Пропорциональные счетчики используются в основном для измерения излучения малых энергий (порядка десятков килоэлектронвольт). Пропорциональный счетчик может быть использован и для регистрации нейтронов при наполнении, например, газом BF. Нейтроны регистрируются по продуктам реакции n + B → Li + He (с выделением энергии 2.8 МэВ), эффективное сечение которой очень велико.

Счетчик Гейгера-Мюллера

Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы ионизирующего излучения. Газовый разряд в них самостоятельный, т.е. такой, что, возникнув, будет существовать и без внешней ионизации, если не принять меры для его гашения. Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом (рис.4). К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный. Функционально счётчик Гейгера также в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией.

В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается только в части объёма газа. В ней частица производит первичную ионизацию, а затем и лавину электронов. С повышением напряжения (в счетчике Гейгера-Мюллера сотни вольт) критическая область расширяется. Возбужденные молекулы и ионы газа испускают фотоны, которые за счет фотоэффекта вырывают электроны из катода. Последние дают начало новым лавинам электронов в объёме счётчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Электроны могут выбиваться из катода и положительными ионами в процессе нейтрализации, так как энергия ионизации атомов всегда больше работы выхода из металла катода. Возникает самостоятельный разряд, для гашения которого нужно принимать дополнительные меры. Например, добавление в трубку многоатомных газов (пары этилового спирта). Пары спирта интенсивно поглощают фотоны с энергиями, достаточными для вырывания фотоэлектронов. При этом молекула возбуждается и диссоциирует, не испуская электронов. Ионы аргона, сталкиваясь с молекулами спирта, нейтрализуются. Получившийся ион спирта на катоде разваливается, не вырывая электрон.

В счетчиках Гейгера-Мюллера (с самостоятельным разрядом) амплитуда выходного импульса достигает десятков вольт и НЕ зависит от начальной ионизации. Такой прибор пригоден только для счета частиц. Разрешающее время у этих счетчиков довольно велико: 10 -3 - 10 -5 с.

Важной технической характеристикой счетчика Гейгера-Мюллера является счетная характеристика - зависимость числа отсчетов от приложенного напряжения (рис.5). Эта характеристика имеет вид кривой с очень широким почти горизонтальным участком, называемым плато. Счет начинается с некоторого напряжения U 1 , т.к. при меньших электрическое поле недостаточно для начала электрического разряда. Счетчик тем лучше, чем шире плато и меньше его наклон. Рабочее напряжени выбирают в пределах плато, чтобы уменьшить влияние нестабильности источника питания.

Сцинтилляционный детектор

Сцинтилляции - латинское слово - это вспышки видимого света, вызываемые в веществе заряженными частицами. Действие сцинтилляционного детектора основано на регистрации фотонов, испускаемых возбужденными атомами. 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 проведен опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра.

Не каждый прозрачный материал годится в качестве сцинтиллятора, он должен быть прозрачен для собственного излучения. К таким относятся NaJ(Tl) , CsI , органические: антрацен (C 14 H 10), стильбен(C 14 H 12), нафталин(C 10 H 8). Регистрируемая заряженная частица попадает в кристалл и

Для регистрации слабых световых вспышек используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) (рис.6). Создают оптический контакт между сцинтиллятором и торцом ФЭУ. Фотоны световой вспышки за счет фотоэффекта (см. лекцию) выбивают электроны из фотокатода (1), выполненного в виде тончайшей пленки на внутренней стороне колбы ФЭУ. Эти электроны фокусирующим электрическим полем направляются на промежуточный электрод (2), называемый динодом. Поверхность

где τ - время высвечивания сцинтиллятора. Для неорганических сцинтилляторов это время порядка 10 -7 с, для органических - 10 -8 с, для пластических доходит до 10 -9 с. Амплитуда импульса при потере в сцинтилляторе энергии ΔE примерно равна

где η - световой выход сцинтиллятора (доля энергии, высвечиваемой в виде световой, для антрацена 0.05), ε - квантовый выход фотокатода ФЭУ (среднее число фотоэлектронов, выбиваемых на 1 фотон, величина порядка 0.1), K - коэффициент усиления ФЭУ (10 5 и более), hυ - средняя энергия фотонов, образуемых в сцинтилляторе, C - емкость анода ФЭУ относительно земли (величина порядка 20 пФ), e - заряд электрона. Если взять типовые значения для перечисленных величин и энергию частицы, потерянной в детекторе, 5 МэВ, то амплитуда

Рис.8 Типичная форма спектра Cs-137

Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ΔE/E обычно не лучше нескольких процентов, так как на образование одного фотоэлектрона требуется энергия hν/(η·ε) , равная примерно 500 эВ (сравните с 30 эВ для ионизационной камеры).

Открытие протона в лаборатории Резерфорда (1919г.) произошло путем наблюдения сцинтилляций, вызванных частицами в ядерной реакции α + 14 N → p + 17 O . С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и γ -лучей (на рис.8 форма спектра для моноэнергетических γ -квантов). Они применяются для измерения мощности дозы β - и γ -излучений, а также нейтронов. Достоинства сцинтилляционных счетчиков: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность.

Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом (известен детектор с кристаллом NaJ(Tl) диаметром 0.75 м и длиной 1.5 м, просматриваемый большим числом ФЭУ). В знаменитом опыте Райнеса и Коэна по открытию нейтрино (1956) использовались три жидкостных сцинтиллятора объемом 1400 литров каждый.

Полупроводниковый детектор (ППД)

Полупроводниковый детектор работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния и германия. В кристалле за счет наличия областей с n - и p -проводимостями создается область, обедненная носителями (в ней электроны и дырки рекомбинируют). p -слой подсоединяется к отрицательному электроду, n -слой к положительному. Все носители оттягиваются от переходного слоя, диод заперт. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора. Заметим, что в действительности, положительно заряженные дырки не могут двигаться в кристаллическом твердом теле. На самом деле происходит следующее: дырки заполняются соседними электронами, которые движутся в противоположном направлении, оставляя позади новые дырки. Таким образом, кажется, что перемещаются дырки.

Энергия, затрачиваемая на образование пары электрон-дырка в полупроводниковом детекторе, меньше энергии образования пары электрон-ион в газах примерно в 10 раз. Следовательно, при полном торможении одной и той же частицы в импульсной камере и полупроводниковом детекторе амплитуда импульса в последнем примерно в 10 раз больше.

Подвижность электронов и дырок, а, значит, время собирания их на электродах детектора отличаются не более чем в 3 раза. Это позволяет осуществить полное собирание, как электронов, так и дырок. Время собирания электронов и дырок в ППД составляет 20-100 нс и значительно меньше времени собирания ионов в ИК. Поэтому ППД обладают хорошим быстродействием или малым разрешающим временем.

Благодаря малой энергии образования пары электрон-дырка ППД обладают очень хорошим энергетическим разрешением, для германиевых детекторов порядка 0.1%. На рис.10 результат измерения спектра γ -излучения 133 Ba сцинтилляционным детектором и полупроводниковым.

Рис.11 Устройство кремниевого микрострипового детектора

Для точного определения координат частиц используют полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют собой пластины монокристалла кремния, на одну из поверхностей которых наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие друг от друга на расстоянии ~20 мкм, а другая покрывается металлическим слоем (рис.11). В зависимости от места попадания заряженной частицы сигнал снимается с разных стрипов. Пространственное разрешение микростриповых детекторов достигает 10 мкм. Временное разрешение – 10 -8 с.

Недостатком ППД является малый размер чувствительной области, это не позволяет применить их для измерения частиц высоких энергий.

Характерные свойства счетчиков излучений можно свести в таблицу.

Следовые детекторы

В следовых детекторах фиксируется трек, оставляемый региструемой частицей в рабочем веществе. По геометрии треков устанавливается число заряженных частиц, участвовавших в реакции, и направления их движения. Толщина следа определяется потерями энергии частицы на единице пути, которые зависят от заряда и скорости частицы. Если трек умещается в рабочем объеме детектора, то по длине следа определяют пробег частицы, зависящий от энергии частицы, ее заряда и массы. Среднеквадратичный угол рассеяния зависит от заряда, скорости и импульса частицы. И, наконец, если детектор помещен в магнитное поле, по радиусу кривизны следа определяют отношение импульса к заряду частицы. Богатая информация о свойствах частицы позволяет определить не только характеристики, но и тип зарегистрированной частицы.

Существуют несколько типов следовых детекторов:

Ядерные фотоэмульсии

В фотографической эмульсии заряженные частицы оставляют видимые следы, которые после проявления можно детально изучать. Значительная плотность эмульсии (около 3.8 г/см 3) позволяет остановить в ней частицы довольно высокой энергии. Вследствие малых размеров проявленных зерен фотоматериала (~0.6 мкм) эмульсия позволяет получить отличное угловое и пространственное разрешение.

История использования фотоэмульсий для регистрации ядерных частиц началась с наблюдения Беккерелем в 1896 году почернения фотопластинок в присутствии урановых соединений, приведшего к открытию явления радиоактивности (см. лекцию). Ядерные эмульсии отличаются от обычных большой толщиной чувствительного слоя - до нескольких сотен микрон. Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм. Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующем проявлении в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до ~1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.

С 1945 по 1955 методом ядерных фотоэмульсий были сделаны важные открытия: зарегистрированы π -мезоны и последовательности распадов протонов и мюонов, а также обнаружены ядерные взаимодействия антипротонов и К - -мезонов. Методом ядерных фотоэмульсий был исследован состав первичного космического излучения, кроме протонов в нём были обнаружены ядра Не и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe .

Сложность использования ядерных фотоэмульсий связана с их сложным составом (неопределенностью ядра-мишени). К настоящему времени ядерные фотоэмульсии вытесняется пузырьковыми и искровыми камерами и электронными трековыми детекторами частиц.

Камера Вильсона

В камере Вильсона след частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена в 1912 г. В 1927г. Ч. Вильсону присуждена Нобелевская премия.

Сцинтиллятор - профессиональный детектор радиационного излучения.
Его основой служат некоторые вещества - их называют фосфорами, реагирующие на проникающую в их толщу ионизирующую частицу короткой вспышкой света.
Вот некоторые из таких веществ: NaJ Тl (йодистый натрий, модифицированный таллием), KJ Tl, CaJ Tl, CsJ, LiJ Tl, CdWO 4 , CaWO 4 , ZnS Ag, CdS Ag.
Вспышка фосфора преобразуется в электрический импульс приближенным к нему фоточувствительным прибором. Как правило, в этом качестве используют фотоумножители (ФЭУ).

Сцинтилляционный детектор, не являющийся лавинным прибором, имеет перед счетчиками Гейгера ряд важных преимуществ:

• по амплитуде и длительности вспышки можно судить о типе и энергии породившей ее частицы (очень легко, например, отличить вспышку, порожденную а-частицей, от вспышки, вызванной электроном).
• он способен различать импульсы, разделенные очень малыми временными интервалами, то есть имеет, как говорят, высокую разрешающую способность.
• фосфоры являются, как правило, значительно более эффективными регистраторами ионизирующих частиц, нежели счетчики Гейгера того же объема.

Но сцинтиллятор не просто фосфор. Для того чтобы фотоприемник мог зарегистрировать возможно большее число вспышек фосфора, его помещают в светонепроницаемый металлический баллон, внутренняя поверхность которого имеет хорошо отражающее свет покрытие (обычно это магнезия). Баллон должен иметь очень тонкое «дно», возможно меньше ослабляющее проникающее в фосфор ионизирующее излучение, и прозрачное выходное окно, защищающее его от неблагоприятных воздействий внешней среды. Оптические потери, набегающие на внутрибалонных отражениях и на переходе фосфор-ФЭУ, всемерно минимизируют. Иными словами, сцинтилляционный детектор уже сам по себе является оптико-электронным прибором.

Сцинтилляторы с различными фосфорами, большие и малые по объему, с «окнами» диаметром от 10...15 мм до 100 мм и более выпускались нашей промышленностью многие годы. Но если счетчики Гейгера стали в конце концов нам доступны (хотя их выпуск в открытую продажу тормозился еще несколько лет и после Чернобыля), то со сцинтилляторами этого так и не случилось...

Для радиолюбителя могут представлять интерес сцинтилляционные детекторы с жидкими фосфорами, которые нетрудно изготовить самому. В табл. 1 приведен перечень веществ, которые, будучи растворенными в ксилоле (концентрация - несколько граммов на литр), становятся такими фосфорами.

Таблица 1
Относительная эффективность преобразования фосфоров, растворенных в ксилоле (за единицу принята эффективность преобразования кристалла антрацена)

Но сцинтилляционный детектор с жидким фосфором замечателен не только своей простотой. Если в этот раствор поместить, например, подозрительное на α-загрязнение зерно, то в соприкасающемся с ним тончайшем слое фосфора возникнут световые вспышки, которые легко зарегистрирует фотоумножитель (α-излучение с поверхности объекта сложной конфигурации счетчиком Гейгера, скорее всего, вообще не удастся обнаружить).

Электронная часть дозиметрического прибора со сцинтилляционным детектором не представляет для радиолюбителя каких-то особых трудностей см. ...............................

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

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

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

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

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

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

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) 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 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 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 (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 . 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, 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 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.н. собств. разрешения кристалла. Последнее определяется помимо неравномерности процесса светосбора флуктуациями числа и энергии комптоновских и d-электронов при образовании пика полного поглощения, зависит от размера кристалла и составляет величину ~ неск. %. Полное разрешение 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.

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. 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.

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 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.

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

И. Р. Барабанов .