Сцинтилляционный детектор: принцип действия

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:

1. Заряженная частица попадает в рабочее вещество сцинтиллятора.
2. Происходит ионизация и возбуждение молекул кристалла, раствора или газа.
3. Молекулы испускают фотоны и спустя миллионные доли секунды возвращаются в равновесное состояние.
4. В фотоумножителе вспышка света «наращивается» и попадает на анод.
5. 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.