Сцинтилляционные счетчики

Сцинтилляционный счетчик (рис. 2.3) имеет два основных элемента: сцинтиллятор, реаги­рующий на ядерное излучение вспышки света, и фотоэлектрон­ный умножитель (ФЭУ), преобразующий эти слабые вспышки света в электрические импульсы и усиливающий последние в миллионы раз.

Сцинтилляторы (люминофоры) работают следующим образом. Гамма-квант, попадая в сцинтиллятор, взаимодей­ствует с его атомами (фотоэффект и комптонэффект, образова­ние электронно-позитронных пар), что приводит к возникно­вению свободных зарядов (электронов и позитронов). Этим

. /—сцинтиллятор (люминофор); 2 — отражатель; 3 — ФЭУ; 4 — фотокатод;

5 — фокусирующий динод; й—диноды; 7—собирающий электрод (анод); 8— делитель напряжения

Рис. 2.3 Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика

зарядам передается либо вся энергия кванта (фотоэффект), либо часть ее (комптонэффект, образование пар). Энергия сво­бодных зарядов расходуется на ионизацию и возбуждение ато­мов сцинтиллятора. При переходе из возбужденного состояния в основное атомы сцинтиллятора теряют энергию, полученную при возбуждении, в виде электромагнитных колебаний (свето­вых фотонов) — люминесценции.

Различают два вида люминесценции: флуоресценцию, когда свечение атома происходит почти мгновенно после воз­буждения (10~⁹—10~⁷ с), и фосфоресценцию, когда воз­бужденные молекулы находятся в метастабильном состоянии неопределенное время. Для сцинтилляционных счетчиков при­годны люминофоры, обладающие флуоресценцией, т. е. корот­ким временем высвечивания.

Образовавшиеся фотоны света в результате взаимодействия ядерных частиц или гамма-квантов со сцинтиллятором разлета­ются во все стороны, частично поглощаясь в толще кристалла сцинтиллятора. В связи с этим только часть фотонов попадает на фотоумножитель, и форма спектра световых фотонов, выхо­дящих из сцинтиллятора, отличается от формы спектра обра­зующих фотонов. Для увеличения числа фотонов, достигающих катода, стенки сцинтиллятора, кроме той, которая контакти­рует с фотокатодом, покрываются фотоотражающим слоем. Хорошие результаты можно получить, поместив кристалл сцинтиллятора в порошок магнезии. Важной особенностью сцинтилляторов является также линейная зависимость их эффек­тивности от энергии исследуемых частиц, что позволяет приме­нять их также при спектроскопических исследованиях естест­венного и искусственного гамма-излучения.

Из многочисленных сцинтилляторов наиболее часто применяются монокристаллы йодистого натрия Nа1 (Т1), которые характеризуются наиболее высо­кой эффективностью счета. Их основной недостаток — высокая гигроскопичность. В случае попадания в кристалл влаги он мутнеет и, следовательно, его эксплуатационные характеристики снижаются. Фотоэлектрический умножитель — устройство (см. рис. 88), соединяющее в себе фотоэлемент и электронный усилитель, действие которого основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Фотоны из сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ.

Электроны, вылетающие из фотокатода, ускоряются элек­трическим полем и через диафрагму устремляются на первый электрод (динод) умножителя. Вследствие вторичной эмиссии каждый упавший электрон выбивает из диода несколько вто­ричных электронов, число которых зависит от приложенной между электродами разности потенциалов. Эти электроны, на­ходясь в поле притяжения второго динода, также ускоряются и вызывают вторичную электронную эмиссию на следующем диноде. Таким образом, происходит скачкообразное увеличение числа электронов на каждом диноде фотоэлектрического умно­жителя. Последним электродом в этой цепи служит анод, ко­торый для устранения ненужной теперь вторичной эмиссии электронов иногда выполняется в виде сетки и окружается эк­раном, соединенным с предпоследним электродом. Число динодов определяет полное усиление электронов фотоумножителя и у современных фотоумножителей колеблется от 8 до 14.

Разрешающее время сцинтилляционных счетчиков зависит от длительности сцинтилляции, а также разброса времен про­лета электронных групп через умножитель и составляет до 10-⁹ с.

В зависимости от назначения фотоумножители можно под­разделять на две группы: 1) фотоумножители для интеграль­ного счета сцинтилляций с целью определения ядерных частиц или гамма-квантов; 2) спектрометрические фотоумножители для амплитудного анализа импульсов сцинтилляций с целью определения энергии гамма-квантов.

К фотоумножителям первой группы предъявляются следую­щие требования: достаточно высокая чувствительность фотока­тода, большая величина отношения сигнал/шум и малое разре­шающее время. Спектрометрические фотоумножители должны обладать хорошим амплитудным разрешением и стабильностью работы во времени.

Основные преимущества сцинтилляционных счетчиков:

1) высокая чувствительность (эффективность), в том числе к гамма-лучам; 2) большая разрешающая способность ; 3) способность различать частицы по их энергии и из­мерять ее, т. е. проводить спектрометрию радиоактивных излу­чений. Таким образом, сцинтилляционные счетчики, соединяя в себе положительные качества пропорционального счетчика и счетчика Гейгера — Мюллера, обладают более высокой эф­фективностью и разрешающей способностью.

Недостатки сцинтилляционных счетчиков: 1) высокая чув­ствительность к изменению температуры окружающей среды;

2) повышенные требования к стабильности питающего напря­жения; 3) большой разброс параметров фотоумножителей и из­менение характеристик и параметров фотоумножителей в про­цессе их работы.