Принцип работы сцинтилляционного счётчика

Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод). Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Излученный свет собирается – в спектральном диапазоне сцинтиллятора – на фотоприёмник. В качестве последнего часто служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Фотоэлектронный умножитель представляет собой стеклянный цилиндр, откаченный до остаточного давления не выше 10-6 мм рт. ст., в торце которого расположено прозрачное плоское окно, на поверхность которого со стороны эвакуируемого объёма нанесён тонкий слой вещества с малой работой выхода электронов (фотокатод), обычно на основе сурьмы и цезия. Далее в эвакуированном пространстве располагается серия электродов – динодов, на которые с помощью делителя напряжения от источника электропитания подаётся последовательно возрастающая разность потенциалов. Диноды ФЭУ изготавливаются из вещества также с малой работой выхода электронов. Они способны при бомбардировке их электронами испускать вторичные электроны в количествах, превышающих число первичных в несколько раз. Последний динод является анодом ФЭУ. Основным параметром ФЭУ является коэффициент усиления при определённом режиме питания. Обычно ФЭУ содержит девять и более динодов и усиление первичного тока достигает для различных умножителей величин 10⁵ – 10¹⁰ раз, что позволяет получать электрические сигналы амплитудой от вольт до десятков вольт.

Рис. 1.9.Блок-схема сцинтилляционного счётчика

Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, в результате фотоэффекта выбивают электроны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается динодной системы за счёт механизма вторичной электронной эмиссии. Анодный токовый сигнал ФЭУ – через усилитель или непосредственно - подается на вход измерительного прибора – счетчика импульсов, осциллографа, аналого- цифрового преобразователя и т.п. Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ.

В ряде случаев на выходе усилителя наблюдается большое число импульсов (обычно малых по амплитуде), не связанных с регистрацией ядерных частиц, а именно, импульсов собственных шумов ФЭУ и ускорителя. Для устранения шумов между усилителем и счётчиком импульсов включается интегральный амплитудный дискриминатор, пропускающий лишь те импульсы, амплитуды которых больше некоторого значения порогового напряжения. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ-квантов с атомами сцинтиллятора.

Достоинства сцинтилляционного счётчика: высокая эффективность регистрации различных частиц; быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам сцинтилляционные счётчики широко применяется в ядерной физике (например, для измерения времени жизни возбуждённых состояний ядер, измерение сечения деления, регистрация осколков деления газовыми сцинтилляционными счётчиками), физике элементарных частиц и космических лучей (например, экспериментальное обнаружение нейтрино), в промышленности (гамма-дефектоскопия, радиационный контроль), дозиметрии (измерение потоков γ- излучений, испускаемых человеком и другими живыми организмами), радиометрии, геологии, медицине и т.д. Недостатки сцинтилляционного счётчика: малая чувствительность к частицам низких энергий (1 кэВ), невысокая разрешающая способность по энергии. Для регистрации заряженных частиц сцинтилляционными счётчиком пригодны почти все фосфоры.Более удобны твёрдые фосфоры типа органических монокристаллов или пластиков. Основная трудность,возникающая при регистрации заряженных частиц и особенно тяжёлых, обеспечение ввода частиц в фосфор.

Фосфор, как правило, упаковывают в металлический контейнер, сквозь стенки которого частицы могут не пройти. Поэтому тяжёлые частицы обычно регистрируют более простыми детекторами – ионизационной камерой или пропорциональным счётчиком. Электроны регистрируют сцинтилляционными счётчиками в тех случаях, когда требуется хорошее разрешающее время. Основными фосфорами обычно являются органические монокристаллы антрацена, стильбена или пластики. Эффективность регистрации заряженных частиц сцинтилляционным счётчиком близка к 100%. Сцинтилляционные счётчики используют особенно широко для регистрации γ-излучения. Кроме хорошего разрешающего времени такой детектор обладает значительно большей, чем счётчик Гейгера- Мюллера, эффективностью к γ-квантам. В некоторых случаях удаётся обеспечить почти 100%-ную регистрацию γ-излучения. Эффективность сцинтилляционного счётчика к γ-квантам зависит от материала и толщины фосфора. Взаимодействие γ-квантов с веществом фосфора определяется плотностью электронов и энергией γ-квантов. Поэтому наиболее эффективно γ-излучение регистрируется сцинтилляционными счётчиками с фосфорами, имеющими большую плотность и высокий средний порядковый номер Z. К таким фосфорам относятся неорганические монокристаллы NaI(Tl), CsI(Tl), KI(Tl). С меньшей эффективностью γ- излучение регистрируется жидкими фосфорами и пластиками в результате взаимодействия нейтронов с атомными ядрами. Для регистрации медленных используются ядерные реакции расщепления лёгких ядер под действием нейтронов [ 10В(n, α )7Li, 6Li(n, α )3H и 3He(n, p)1H ] с регистрацией a-частиц и протонов; деления тяжёлых ядер с регистрацией осколков деления; радиационный захват нейтронов ядрами (n, γ) с регистрацией γ-квантов, а также возбуждения искусственной радиоактивности. Для регистрации a-частиц, протонов и осколков деления применяются ионизационные камеры и пропорциональные счётчики, которые заполняют газообразным BF3 и др. газами, содержащими В или 3H, либо покрывают их стенки тонким слоем твёрдых В, Li или делящихся веществ. Конструкция и размеры таких камер и счётчиков разнообразны. Пропорциональные счётчики могут достигать 50 мм в диаметре и 2 м длины. Наибольшей эффективностью к тепловым нейтронам обладают нейтронные детекторы, содержащие 10B или 3He. Для регистрации медленных нейтронов используются также сцинтилляционные счётчики (на кристаллах LiI с примесью Eu, на сцинтиллирующих литиевых стеклах, либо смеси борсодержащих веществ и сцинтиллятора ZnS). Эффективность регистрации быстрых нейтронов перечисленными детекторами в сотни раз меньше, поэтому быстрые нейтроны предварительно замедляют в парафиновом блоке, окружающем нейтронный детектор. Специально подобранные форма и размеры блоков позволяют получить практически постоянную эффективность регистрации нейтронов в диапазоне энергии от нескольких кэВ до 20 МэВ (всеволновой счётчик). При непосредственном детектировании нейтронов с энергиями ~ 100 кэВ обычно используется упругое рассеяние нейтронов в водороде или гелии или регистрируются ядра отдачи. Так как энергия последних зависит от энергии нейтронов, то такие нейтронные детекторы позволяют измерять энергетический спектр нейтронов. Сцинтилляционные нейтронные детекторы также могут регистрировать быстрые нейтроны по протонам отдачи в органических и водородсодержащих жидких сцинтилляторах. Некоторые тяжёлые ядра, например 238U и 232Th, делятся только под действием быстрых нейтронов. Это позволяет создавать пороговые детекторы, служащие для регистрации быстрых нейтронов на фоне тепловых._Для регистрации продуктов ядерных реакций нейтронов с ядрами В и Li, протонов отдачи и осколков деления используются также ядерные фотографические эмульсии. Этот метод особенно удобен в дозиметрии, так как позволяет определить суммарное число нейтронов за время облучения. При делении ядер энергия осколков столь велика, что они производят заметные механические разрушения. На этом основан один из способов их обнаружения: осколки деления замедляются в стекле, которое затем травится плавиковой кислотой; в результате следы осколков можно наблюдать под микроскопом. Возбуждение искусственной радиоактивности под действием нейтронов используется для регистрации нейтронов, особенно при измерениях плотности потока нейтронов, так как число распадов (активность) пропорционально потоку нейтронов, прошедшему через вещество (измерение активности можно производить после прекращения облучения нейтронами). Существует большое количество различных изотопов, применяемых в качестве радиоактивных индикаторов нейтронов разных энергий E. В тепловой области энергий наибольшее распространение имеют 55Mn, 107Ag, 197Au: для регистрации резонансных нейтронов применяют 55Mn (E = 300 эВ), 59Co (E =100 эВ), 103Rh, 115In (E = 1,5 эВ), 127I (E = 35 эВ), 107Ag, 197Au (E = 5 эВ). В области больших энергий используют пороговые детекторы 12C (E = 20 МэВ), 32S (E = 0,9 МэВ) и 63Cu (E = 10 МэВ)._