Сцинтилляционные детекторы – это одна из разновидностей измерительной аппаратуры, предназначенной для регистрации элементарных частиц. Их особенностью является то, что считывание происходит за счет использования светочувствительных систем. Впервые данные приборы были использованы в 1944 г. для измерения излучения урана. Существует несколько разновидностей детекторов в зависимости от типа рабочего агента.
Назначение
Сцинтилляционные детекторы широко используются в следующих целях:
- регистрация радиационных загрязнений окружающей среды;
- анализ радиоактивных материалов и другие физико-химические исследования;
- применение в качестве элемента для запуска более сложных детекторных систем;
- спектрометрическое исследование веществ;
- сигнализирующий компонент в системах радиационной защиты (например, дозиметрическая аппаратура, предназначенная для оповещения о вхождении морского судна в зону радиоактивного заражения).
Счетчики могут производить как качественную регистрацию излучения, так и измерять величину его энергии.
Устройство детекторов
Принципиальное устройство сцинтилляционного детектора излучений показано на рисунке ниже.
Основными элементами аппаратуры являются следующие:
- фотоумножитель;
- сцинтиллятор, предназначенный для перевода возбуждения кристаллической решетки в видимый свет и его передачи на оптический преобразователь;
- оптический контакт между первыми двумя устройствами;
- стабилизатор напряжения;
- электронная система для регистрации электрических импульсов.
Типы
Существует следующая классификация основных типов сцинтилляционных детекторов по виду вещества, которое флуоресцирует под воздействием излучения:
- Неорганические щелочно-галогенидные счетчики. Они применяются для регистрации альфа-, бета-, гамма- и нейтронных излучений. В промышленности выпускают несколько видов монокристаллов: йодистый натрий, цезий, калий и литий, сернистый цинк, вольфраматы щелочноземельных металлов. Их активируют специальными примесями.
- Органические монокристаллы и прозрачные растворы. К первой группе относятся: антрацен, толан, транс-стильбен, нафталин и другие соединения, ко второй – терфенил, смеси антрацена с нафталином, твердые растворы в пластмассах. Они применяются для временных измерений и для регистрации быстрых нейтронов. Активирующие добавки в органические сцинтилляторы не вносят.
- Газовая среда (He, Ar, Kr, Xe). Такие детекторы используют в основном для регистрации осколков деления тяжелых ядер. Длина волны излучения находится в ультрафиолетовом спектре, поэтому для них требуются соответствующие фотодиоды.
Для сцинтилляционных детекторов нейтронов с кинетической энергией до 100 кэВ применяют кристаллы сернистого цинка, активированные изотопом бора с массовым числом 10 и 6Li. При регистрации альфа-частиц сернистый цинк наносят тонким слоем на прозрачную подложку.
Среди органических соединений наибольшее распространение получили сцинтилляционные пластмассы. Они представляют собой растворы люминесцирующих веществ в высокомолекулярных пластиках. Чаще всего сцинтилляционные пластмассы изготавливают на основе полистирола. Для регистрации альфа- и бета-излучений применяют тонкие пластинки, а для гамма- и рентгеновских лучей – толстые. Они выпускаются в виде прозрачных полированных цилиндров. По сравнению с другими типами сцинтилляторов пластмассовые обладают рядом преимуществ:
- малое время высвечивания;
- устойчивость к механическим повреждениям, воздействию влаги;
- постоянство характеристик при больших дозах облучения радиацией;
- низкая стоимость;
- простота изготовления;
- высокая эффективность регистрации.
Фотоумножители
Основным функциональным компонентом данной аппаратуры служит фотоумножитель. Он представляет собой систему электродов, смонтированных в трубке из стекла. Для защиты от внешних магнитных полей его помещают в металлический кожух из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Благодаря этому происходит экранирование электромагнитных помех.
В фотоумножителе световая вспышка преобразуется в электрический импульс, а также происходит усиление электрического тока в результате вторичной эмиссии электронов. Величина тока зависит от количества динодов. Фокусировка электронов происходит за счет электростатического поля, зависящего от формы электродов и потенциала между ними. Выбитые заряженные частицы ускоряются в межэлектродном пространстве и, попадая на следующий динод, вызывают очередную эмиссию. Благодаря этому количество электронов возрастает в несколько раз.
Сцинтилляционный детектор: принцип действия
Счетчики работают следующим образом:
- Заряженная частица попадает в рабочее вещество сцинтиллятора.
- Происходит ионизация и возбуждение молекул кристалла, раствора или газа.
- Молекулы испускают фотоны и спустя миллионные доли секунды возвращаются в равновесное состояние.
- В фотоумножителе вспышка света «наращивается» и попадает на анод.
- В анодной цепи происходит усиление и измерение электрического тока.
В основе принципа работы сцинтилляционного детектора лежит явление люминесценции. Основной характеристикой данных приборов служит конверсионная эффективность – отношение энергии вспышки света к энергии, потерянной частицей в активном веществе сцинтиллятора.
Достоинства и недостатки
К преимуществам сцинтилляционных детекторов излучения относятся следующие:
- высокая эффективность регистрации, особенно в отношении коротковолновых гамма-лучей с большой энергией;
- хорошее временное разрешение, то есть возможность давать раздельное изображение двух объектов (оно достигает 10-10 с);
- одновременное измерение энергии регистрируемых частиц;
- возможность изготовления счетчиков различной формы, простота технического решения.
Недостатками данных счетчиков является низкая чувствительность к частицам с невысокой энергией. При их применении в составе спектрометров значительно усложняется обработка полученных данных, так как спектр имеет сложный вид.
