Подготовка лабораторной установки к работе

Лабораторная работа

 

 

Оглавление

Введение ………………………………………………………..4

Контрольное задание ……………………………….……….16

Лабораторная установка........................................................16

Рабочее задание ………………………………………………19

1. Изучение аппаратурной формы линии сцинтилляционных детекторов…………………………….......................................19

2. Проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора при регистрации гамма-излучения…………….........20

3. Исследование влияния удельных потерь энергии частиц на конверсионную эффективность сцинтиллятора…………21

Обработка результатов ……………………………………...23

Контрольные вопросы и задания……..………………………25

Список литературы……………………………………………25

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Цель работы: исследование характеристик сцинтилляционного детектора (конверсионная эффективность сцинтиллятора, эффективность регистрации ионизирующего излучения, разрешение по энергии), проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора, изучение влияния удельных потерь энергии ионизирующего излучения на значение конверсионной эффективности сцинтилляторов.

 

ВВЕДЕНИЕ

Сцинтилляционный метод основан на регистрации коротких вспышек света – сцинтилляций, возникающих в некоторых веществах в результате прохождения через них заряженных частиц. Каждая такая вспышка вызвана отдельной заряженной частицей и состоит из большого количества (10³ – 10⁶) фотонов с энергией в несколько электронвольт. Сцинтилляции отличаются от других видов свечения, образующегося при взаимодействии частиц с веществом (например, свечения Вавилова–Черенкова) тем, что они возникают вследствие электронных переходов внутри центров свечения. Центром свечения может быть атом, молекула, ион или более сложное образование.

Сцинтилляционный процесс можно разбить на три этапа: 1 – возбуждение заряженными частицами основного вещества, находящегося в твердой, жидкой или газообразной фазе (генерационный этап); 2 – перенос энергии, потерянной заряженной частицей в веществе к центрам свечения (миграционный этап); 3 – возбуждение и высвечивание центров свечения (внутрицентровой этап).

Для регистрации возникающих под действием отдельных ионизирующих частиц сцинтилляций обычно используются фотоэлектронные умножители – ФЭУ, рис.1. Фотоны сцинтилляционной вспышки попадают на фотокатод ФЭУ, образуя в результате фотоэффекта фотоэлектроны. Фотоэлектроны движутся под действием электрического поля и попадают на диноды ФЭУ.

Рис.1. Принцип действия и схема включения сцинтилляционного детектора

 

В динодах в результате вторичной электронной эмиссии число электронов увеличивается в 10⁶ – 10⁹ раз. Электроны собираются на аноде ФЭУ, в результате чего возникает электрический импульс, который регистрируется электронными схемами.

При детектировании ионизирующего излучения с помощью сцинтилляционного детектора необходимо применять тот тип сцинтиллятора, основные параметры которого позволяют наиболее оптимально решать поставленную задачу. К основным параметрам сцинтиллятора можно отнести: конверсионную эффективность h_к, среднюю энергию, расходуемую на образование одного фотона ω_ф, время высвечивания t, эффективность регистрации ионизирующего излучения h. Значения этих параметров для наиболее широко используемых сцинтилляторов приведены в табл.1.

Таблица 1

Основные характеристики некоторых сцинтилляторов

 

Сцинтилля­торы	Плот­ность, г/см3	Эффективный атомный номер	Время высвечивания t, нс	hνсв, эВ	hк к электронам	ωф , эВ	a/b
Неоргани­ческие:
NaI(Tl)	3,67				0,153	19,6	0,5
CsI(Tl)	4,51			2,2	0,06	36,6	0,5
ZnS(Ag)	4,09			2,7	0,1
Bi4Ge3O12	7,13			2,6	0,02	163,5	0,2
Органи­ческие
Антрацен (С14Н10)	1,25	~ 6	25-30	2,77	0,034	81,4	0,1
Нафталин (С10Н8)	1,45	~ 6	70-80	3,6	0,017	176,4	0,1
Стильбен (С14Н12)	1,16	~ 6	4-8	3,5	0,03	116,6	0,1
Толан (С14Н10)	1,18	~ 6	4-7	3,16	0,032		0,1
Пластмас­совые (тер­финил в по­листироле)		~ 6		3,1	0,015		0,1

Физической конверсионной эффективностью сцинтиллятора (или энергетическим выходом) называется отношение энергии световой вспышки E _св к поглощенной в объеме сцинтиллятора энергии заряженной частицы Е _п:

 

h_к = , (1)

где N _ф – полное число фотонов, образованных в объеме сцинтиллятора заряженной частицей; h ν_св – средняя энергия одного фотона сцинтилляции.

Чем выше конверсионная эффективность сцинтиллятора, тем большая доля энергии заряженной частицы преобразуется в световую вспышку, тем, следовательно, больше амплитуда сигнала при одной и той же потерянной в детекторе энергии.

Конверсионная эффективность сцинтиллятора служит мерой его спектрометрических качеств. Сцинтилляторы можно количественно сравнивать друг с другом по отношению их конверсионных эффективностей. При этом обычно конверсионную эффективность NaI(Tl) полагают условно равной единице. Таким образом, относительная конверсионная эффективность CsI(Tl) cоставляет ~ 0,4 (см. табл.1).

Средняя энергия ω _ф, расходуемая заряженной частицей на образование одного фотона сцинтилляции, определяется соотношением

 

ω_ф = (2)

 

Значения h n_cв и ω_ф для некоторых типов сцинтилляторов приведены в табл.1. Наряду с понятием физической конверсионной эффективности вводится величина технической конверсионной эффективности:

 

h_кт = f ∙h_к, (3)

где f – коэффициент, учитывающий долю фотонов, которые попали на фотокатод ФЭУ, от полного числа фотонов N _ф, образованных частицей в сцинтилляторе. С учетом записанных соотношений амплитуда импульса на выходе ФЭУ, выраженная в числе электронов, составляет:

 

A = E _п , (4)

 

где М – коэффициент усиления ФЭУ; g - квантовая эффективность фотокатода ФЭУ, равная вероятности фотону вырвать электрон из фотокатода. Если предположить, что все коэффициенты в формуле (4), связывающей амплитуду с поглощенной энергий, не зависят от энергии и от удельных ионизационных потерь энергии частицы, то амплитуда импульса на выходе ФЭУ пропорциональна поглощенной энергии. Другими словами – сцинтилляционный детектор обладает свойством пропорциональности.

Однако оказывается, что физическая конверсионная эффективность, строго говоря, не является постоянной и зависит от удельных ионизационных потерь энергии частицы. Так, например, в кристалле NaI(Tl) амплитуда сигнала от электрона приблизительно в два раза выше амплитуды от альфа-частицы той же энергии. Зависимость сигнала от ионизационных потерь энергии характеризуется коэффициентом a/b (см. табл. 1). Этот коэффициент представляет собой отношение физических конверсионных эффективностей при облучении сцинтиллятора альфа-частицами и электронами одинаковой энергии или, что то же самое в этом случае, отношение амплитуд сигналов на выходе ФЭУ:

 

a/b = А _a/ А _b (5)

Таким образом, сцинтилляционный детектор является пропорциональным для частиц одного типа, а коэффициент пропорциональности зависит от типа регистрируемых частиц.

Временем высвечивания сцинтиллятора t обычно называется время, в течение которого интенсивность свечения dn _ф/ dt, т.е. число фотонов в сцинтилляционной вспышке в единицу времени, уменьшается в е раз. Если, например, полное число фотонов во вспышке равно N _ф, и интенсивность вспышки уменьшается по экспоненциальному закону, то

 

. (6)

 

Под эффективностью регистрации излучения h понимают вероятность, с которой частица может быть зарегистрирована детектором, т.е. это есть отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в сцинтиллятор:

η = . Для заряженных частиц эффективность регистрации практически равна единице.

Одним из основных преимуществ сцинтилляционных детекторов перед детекторами других типов является высокая эффективность регистрации ими нейтральных излучений (гамма-квантов и нейтронов). Как известно, взаимодействие этого излучения с веществом приводит к образованию заряженных частиц, которые затем регистрируются детектором. Таким образом, эффективность регистрации гамма-квантов и нейтронов будет определяться вероятностью взаимодействия их с веществом детектора. Для гамма-квантов эффективность регистрации в геометрии узкого пучка можно оценить как:

 

, (7)

где m - полный линейный коэффициент поглощения гамма-квантов; х – толщина сцинтиллятора. Величина эффективности регистрации зависит от эффективного атомного номера поглотителя (растет с увеличением ), поэтому для получения большей эффективности регистрации гамма-квантов используются сцинтилляторы типа NaI(Tl) или CsI(Tl) (см. табл. 1).

Классификацию сцинтилляторов можно проводить по различным признакам. Наиболее четко по своим характеристикам выделяются две большие группы: органические и неорганические.

Органические сцинтилляторы характеризуются сравнительно малыми атомными номерами ( ~ 6) и малой плотностью (r ~ 1 ÷ 2 г/см³). Органические сцинтилляторы обладают хорошим временным разрешением (10^-9 – 10^-7 с). Эффективность же регистрации гамма-излучения такими сцинтилляторами мала, поэтому они чаще всего применяются для регистрации заряженных частиц. К органическим сцинтилляторам относятся органические кристаллы, жидкие и твердые растворы сцинтиллирующих веществ в мономерах и полимерах, а также органические газы.

Неорганические сцинтилляторы характеризуются большими атомными номерами ( ~ 25 ¸ 50) и высокой плотностью (r ~ 4 г/см³). Эффективность регистрации гамма-излучения такими детекторами велика. Временное разрешение хуже по сравнению с органическими сцинтилляторами (~ 10^-7 – 10^-6c).

К неорганическим сцинтилляторам относятся щелочно-галоидные, цинко-сульфидные и оксидные сцинтилляторы, а также сцинтилляторы на основе благородных газов (жидкие, твердые и газообразные).

В физическом эксперименте сцинтилляционные детекторы применяются чаще всего для спектрометрии ионизирующих излучений, в частности гамма-излучения. Спектрометрия гамма-квантов осуществляется измерением энергии вторичных электронов, образующихся при взаимодействии гамма-квантов с веществом сцинтиллятора.

Как известно, гамма-кванты, проходя через вещество, взаимодействуют с ним за счет одного из трех процессов: фотоэффекта, комптон-эффекта и образования пар. Вероятность этих процессов существенно зависит как от энергии гамма-квантов, так и от свойств вещества, с которыми эти гамма-кванты взаимодействуют.

В процессе фотоэффекта гамма-квант с энергией Е _γвырывает из атома один из внутренних (К, L, M, …) электронов, затрачивая при этом энергию, равную энергии связи соответствующего электрона, (Е_К, Е_L, Е_М, …), которая составляет несколько десятков килоэлектронвольт. Остальная энергия переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона Е _фэ:

 

Е _фэ = Е _g - Е_K (Е_L …). (8)

 

При комптоновском рассеянии гамма-квант передает электрону атома только часть своей энергии. При этом энергия комптон-электрона Е _кэ связана с энергией гамма-кванта Е _g соотношением:

Е _кэ = , (9)

где θ – угол вылета рассеянного гамма-кванта по отношению к направлению движения первичного гамма-кванта; m ₀ c² = = 0,511 МэВ – масса покоя электрона.

В процессе рождения пары создаются две частицы – электрон и позитрон, для образования которых необходимо затратить энергию 2 m ₀ c² = 1,022 МэВ. Остальная энергия гамма-квантов переходит в кинетическую энергию электрона и позитрона, а также передается ядру отдачи, либо электрону отдачи, в поле которых может происходить процесс образования пары.

На рис.2 в качестве примера приведено распределение импульсов по амплитудам от вторичных электронов в сцинтилляционном детекторе типа NaI(Tl) при регистрации в нем моноэнергетических квантов с энергией 0,5 МэВ.

Пик в области 1, который обычно называют пиком полного поглощения, обусловлен двумя процессами взаимодействия гамма-квантов с веществом сцинтиллятора.

 

 

Рис.2. Распределение импульсов по амплитудам при регистрации гамма-квантов с Е _γ = 0,5 МэВ

 

Во-первых, в область пика попадают события, связанные с поглощением гамма-квантов за счет фотоэффекта. Известно, что фотоэффект сопровождается характеристическим излучением, возникающим при переходах электронов на вакантные места в электронных оболочках атома (K, L, M,…), или образованием оже-электронов в результате передачи энергии возбужденного атома одному из электронов внешней оболочки.

Кинетическая энергия оже-электронов при этом практически равна энергии связи электрона, образованного при фотоэффекте.

Характеристическое излучение в свою очередь с большой вероятностью поглощается в объеме сцинтиллятора за счет фотоэффекта на более высоких электронных оболочках.

Таким образом, независимо от того, на каком атоме и какой электронной оболочке в сцинтилляторе поглотился гамма-квант в результате фотоэффекта суммарная энергия вторичных электронов оказывается равна энергии гамма-кванта Е _γ.

Вторым процессом, который дает вклад в пик полного поглощения, является так называемое многократное комптоновское рассеяние, когда в результате комптон-эффекта рассеянный гамма-квант теряет полностью свою энергию в сцинтилляторе за счет нескольких последующих рассеяний или фотоэффекта. В этом случае суммарная энергия вторичных электронов также оказывается равна энергии гамма-кванта.

Поэтому по пику полного поглощения можно определить непосредственно энергию гамма-кванта.

Область непрерывного спектра, лежащая левее пика полного поглощения, связана с эффектом комптоновского рассеяния гамма-квантов в объеме сцинтиллятора.

Из (9) видно, что максимальная энергия комптоновских электронов всегда меньше энергии гамма-кванта и равна:

 

(10)

В связи с этим существует принципиальная возможность выделить пик полного поглощения, положение максимума которого соответствует энергии гамма-кванта.

Часто в низкоэнергетической части комптоновского распределения выделяют широкий пик, обусловленный рассеянием гамма-квантов на углы, близкие к 180^◦ от окна фотоумножителя, стенок защитного кожуха и стеклянного окна контейнера, в который упакован сцинтиллятор. Этот пик называют пиком обратного рассеяния (область 2 на рис.2).

Необходимо отметить, что форма реального амплитудного распределения в комптоновской части спектра обычно сильно отличаются от расчетного. Расчетное распределение комптоновских электронов по энергии может быть получено из формулы Клейна–Нишины–Тамма [1, с.43-44]. На рис.2 для сравнения показано пунктирной линией такое расчетное распределение комптоновских электронов для Е _g = 0,5 МэВ.

Область 3 спектра на рис.2 связана с регистрацией шумовых импульсов ФЭУ, имеющих малую амплитуду.

Вид распределения импульсов по амплитудам при регистрации гамма-квантов сцинтилляционным детектором существенно зависит от типа сцинтиллятора (неорганический или органический), его геометрических размеров, а также от условий облучения. Например, в кристалле больших размеров за счет многократного комптоновского рассеяния наблюдаются значительное подавление непрерывного спектра комптоновских электронов и соответствующее увеличение интенсивности пика, отвечающего полному поглощению энергии гамма-кванта.

Точность измерения спектрального состава ионизирующего излучения и возможность раздельной регистрации близкорасположенных энергетических линий определяется энергетическим разрешением сцинтилляционного детектора. Относительное энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора δ равно , где E – энергия частицы, поглощенная в сцинтилляторе, Δ E – абсолютное энергетическое разрешение детектора, равное ширине на половине высоты амплитудного распределения, полученного при регистрации моноэнергетических частиц и выраженное в единицах энергии.

При регистрации сцинтилляционным детектором гамма-квантов в области энергий до 1,5 ÷ 2 МэВ зависимость относительного энергетического разрешения от энергии кванта может быть достаточно точно описана соотношением

 

δ² (11)

 

Величина B существенно зависит от качества изготовления фотоумножителя, особенно от того, насколько одинаковы свойства фотокатода в различных точках, насколько эффективен сбор электронов на первый динод, каково качество и однородность светосбора в сцинтилляторе, оптического контакта с фотоумножителем и т.д. Величина С ₁ определяется, в основном, числом образованных фотонов сцинтилляции и их потерями в самом сцинтилляторе, на фотокатоде, при собирании на первый динод фотоумножителя. Для лучших сцинтилляционных детекторов с кристаллом NaI(Tl) величина С ₁ может достигать 1,5×10^-3 МэВ, а величина B ² ~ 2×10^-4. При таких значениях С ₁ и B ² относительное энергетическое разрешение δ для гамма-квантов с энергией 1 МэВ приблизительно равно 4,5 %.

В области больших значений энергий гамма-квантов становится существенной утечка излучения из кристалла, т.е. выход за пределы сцинтиллятора электронов, образованных вблизи поверхности кристалла. Это приводит к появлению импульсов меньших амплитуд и ухудшению энергетического разрешения.

При использовании органических сцинтилляторов, имеющих обычно небольшой средний атомный номер ( ~ 6), фотопик практически отсутствует, так как сечение фотоэффекта s для гамма-квантов зависит от Z, как s ~ Z ⁵.

 

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

 

При подготовке к лабораторной работе выполнить следующие задания.

1) Нарисовать ожидаемые аппаратурные формы линий при регистрации гамма-квантов с энергией 0,662 и 0,835 МэВ неорганическим сцинтиллятором NaI(Tl).

2) Нарисовать ожидаемую аппаратурную форму линии (распределение импульсов по амплитудам) при регистрации гамма-квантов с энергией 0,662 МэВ неорганическим сцинтиллятором NaI(Tl) и органическим – антраценом.

3) Рассчитать среднее число фотонов в сцинтилляционной вспышке, образующихся при полном поглощении гамма-квантов с E _γ = 0,662 МэВ в сцинтилляторе NaI(Tl) и E _γ = = 0,662 МэВ в сцинтилляторе антрацен для максимальной энергии комптоновских электронов.

При выполнении заданий воспользоваться необходимыми данными, приведенными в табл.1, и сведениями, изложенными выше.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

 

Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.3. Сцинтиллятор 1 и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) размещены в блоке детектирования БДБСЗ-1еМ («Воря»). В верхней части светозащитного кожуха 2 блока детектирования находится съемная крышка 3 с держателем источников 4. Для уменьшения влияния внешнего фонового излучения на результаты измерений блок имеет свинцовый экран 5. При открывании верхней части экрана появляется доступ к крышке светозащитного кожуха. Для проведения измерений блок детектирования комплектуется набором сменных сцинтилляторов.

 

Рис.3. Функциональная схема установки

 

При работе сцинтилляционного детектора напряжение на ФЭУ подается от высоковольтного стабилизированного источника питания БНВЗ-09. Импульсы с анода ФЭУ через эмиттерный повторитель (ЭП) и усилитель подаются на вход многоканального амплитудного анализатора импульсов, который используется для измерения амплитуд импульсов, поступающих в случайные моменты времени, хранения и обработки информации. Анализатор выполнен на базе персонального компьютера, в системный блок которого встроена плата, содержащая амплитудно-цифровой преобразователь импульсов (АЦП) и память для хранения данных. С помощью осциллографа С1-112А осуществляется контроль формы импульсов и измерение их амплитуды.

Полученные экспериментальные данные студенты сохраняют в виде файлов на жестком диске персонального компьютера внутри папки «Student» в своей персональной папке.

 

Подготовка лабораторной установки к работе

ВНИМАНИЕ! Подавать высокое напряжение на электроды ФЭУ можно только при плотно закрытой верхней крышке светозащитного кожуха и крышке радиационного экрана. Высокое напряжение подается на ФЭУ непосредственно после включения БНВЗ-09 тумблером «Сеть».

Подготовка блока детектирования к работе производится следующим образом. Убедиться, что высокое напряжение на ФЭУ не подано, открыть радиационный экран, расположенный в верхней части блока детектирования. Ослабить винты, крепящие светозащитную крышку к кожуху. Установить на фотокатод ФЭУ исследуемый сцинтиллятор. Закрыть крышку светозащитного кожуха, поместить в гнездо держателя требуемый источник гамма-квантов. Закрыть радиационный экран. Установить на блоке БНВЗ-09 переключатель «kV» в положение 0,9 кВ. Включить все приборы, кроме БНВЗ-09, в сеть. Порядок работы с амплитудным анализатором, программой обработки спектров, осциллографом С1-112А приводятся в отдельных инструкциях.

 

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

 

Показать преподавателю результаты, полученные при выполнении контрольного задания, и, ответив на дополнительные вопросы, приступить к измерениям.