Сцинтилляционные детекторы

Сцинтилляционные детекторы представляют собой сочетание люминесцирующего вещества с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).

В сцинтилляционном счетчике регистрация заряженной частицы происходит за счет возбуждения атомов и молекул вдоль ее траектории. Возбужденные атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ (фосфоров) часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение заряженной частицы через такое вещество вызывает вспышку света – сцинтилляцию. Последняя преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10⁵-10⁶ раз фотоэлектрическим умножителем. На рис. 3 дана принципиальная схема сцинтилляционного счетчика.

Рисунок 3 – Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика

1 – люминофор;

2 – корпус;

3-отражатель;

4-фотоны;

5-корпус ФЭУ;

6-фотокатод;

7 – фокусирующий динод; 8-диноды; 9-собирающий анод; R₁-R_n – делитель напряжения; R_а – анодная нагрузка; С – разделительная емкость

Регистрация γ-квантов в сцинтилляционном счетчике происходит благодаря вторичным электронам и позитронам, образующимся при поглощении γ-квантов фосфором. Поскольку фосфоры обладают хорошей оптической прозрачностью, обеспечивающей сбор света на фотокатод ФЭУ со значительного объема фосфора, то для регистрации γ-квантов применяют фосфоры большой толщины. Это обеспечивает высокую эффективность регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком, на порядок и более повышающую эффективность газонаполненных счетчиков.

Фосфоры (люминофоры).

Эффективность для параллельного пучка частиц растет с ростом плотности δ, эффективного атомного номера Z_эф (массового коэффициента поглощения μ_м) и размера фосфора в направлении пучка d.

В качестве люминофора могут использоваться прозрачные неорганические кристаллы некоторых веществ, например активированные таллием кристаллы йодистого цезия CsJ(Tl) и йодистого натрия NaJ(Tl) для регистрации γ-квантов. Активаторы добавляют для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в фосфоре. Вид активатора указывают в скобках после обозначения фосфора. Преимущество люминофоров – высокая эффективность, обусловленная высокой плотностью и большим эффективным атомным номером Z_эф, а также высокое энергетическое разрешение. Недостатком NaI(Tl) является высокая гигроскопичность, приводящая к помутнению кристаллов при попадании влаги. Поэтому кристаллы NaI(Tl) упаковывают в герметичные контейнеры. Контейнер представляет дюралюминиевый цилиндр с торцевым окном под катод ФЭУ, закрытым тонким стеклянным диском.

В ряде случаев важна также зависимость выхода света от энергии частиц. Для большинства фосфоров эта зависимость при регистрации β-частиц и γ-квантов линейна. Что позволяет по амплитуде импульса на выходе судить об энергии регистрируемых частиц, т. е. производить спектральный анализ излучения. Такой пропорциональности между энергией частицы и световым выходом не наблюдается для тяжелых частиц.

Для регистрации тепловых нейтронов применяют вместо кристалла тонкостенный дюралюминиевый цилиндр с открытым торцом, обращенным к фотоумножителю. Внутренняя поверхность цилиндра покрыта смесью сернистого цинка с бором ZnS(Ag). При поглощении нейтрона ¹⁰В образуются α-частицы, вызывающие сцинтилляцию в ZnS(Ag).

Поскольку такая смесь мало прозрачна, сцинтиллятор обычно изготовляют в виде тонких слоев с большой удельной поверхностью.

Реже для регистрации медленных (надтепловых) нейтронов используют монокристаллы йодистого лития LiI (иногда литиевые стекла). Регистрация обусловлена реакцией ⁶Li (n, α).

Фотоэлектронные умножители состоят из фотокатода, умно­жающих электродов (динодов) и анода (рис. 3). Потенциал каждого последующего электрода на некоторую величину (10 В) превышает потенциал предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними.

Принцип работы. При взаимодействии гамма-кванта с электронами атомов сцинтиллятора (фотоэффект, комптоновское рассеивание или образование электронно-позитронных пар) часть или вся энергия кванта передается электронам, в результате чего атом переходит в возбужденное состояние. Переход атома в стабильное состояние сопровождается испусканием световых фотонов. Фотоны, поступающие из фосфора на фотокатод, выбивают из последнего несколько десятков или сотен электронов. Последние, фокусируясь и ускоряясь электрическим полем, бомбарди­руют первый динод. Тормозясь в диноде, каждый ускоренный электрон выбивает до 5-10 вторичных электронов. Выбитые электроны ускоряются в электрическом поле и попадают на следующий динод, где процесс умножения повторяется. К конечному электроду – аноду приходит лавина электронов, которая фиксируется в виде отрицательного импульса тока.

Сцинтилляционные счетчики в ядерной геологии и геофизике используются для регистрации γ-квантов, реже нейтронов и β-частиц, еще реже α-частиц. При регистрации тяжелых заряжен­ных частиц возникает трудность с обеспечением их ввода в фосфор. Поэтому для регистрации α-частиц чаще всего используют ионизационные камеры.

Из-за термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых динодов на выходе даже полностью затемненного ФЭУ возникает некоторый темновой ток, создающий небольшие фоновые им­пульсы, для их отсечения в схему регистрации вводят дискриминаторы.

При регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком амплитуда импульса на его выходе пропорциональна энергии электрона и позитрона, образовавшихся при взаимодействии γ-кванта с сцинтиллятором.

Сцинтилляционные счетчики обеспечивают гораздо большую эффективность регистрации γ-квантов (до 30 – 50% и более), чем газоразрядные, и дают возможность изучения спектрального состава излучения. К преимуществам сцинтилляционных счетчиков относится более низкий уровень их собственного и космического фона. Однако сцинтилляционные счетчики более сложны и требуют квалифицированного обслуживания, чем разрядные. Это обусло­влено большим влиянием температуры на световой выход фосфо­ров, несравненно более высокими требованиями к стабилизации источника питания, а также более сильным изменением характеристик сцинтилляционных счетчиков во времени.