1.1 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

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. 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, аналогоцифрового 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.

Сцинтилляционный счетчик

Принцип действия и область применения

В сцинтилляционном счетчике ионизирующее излучение вызывает вспышку света в соответствующем сцинтилляторе, который может быть как твердым, так и жидким. Эта вспышка передается в фотоэлектронный умножитель, который превращает ее в импульс электрического тока. Импульс тока усиливается в последующих ступенях ФЭУ вследствие их высокого коэффициента вторичной эмиссии.

Несмотря на то, что при работе с сцинтилляционными счетчиками в общем случае необходима более сложная электронная аппаратура, эти счетчики обладают по сравнению со счетчиками Гейгера - Мюллера существенными преимуществами.

1. Эффективность для счета рентгеновского и гамма-излучений значительно больше; при благоприятных обстоятельствах она достигает 100%.

2. Световая отдача в некоторых сцинтилляторах пропорциональна энергии возбуждающей частицы или кванта.

3. Временная разрешающая способность более высока.

Сцинтилляционный счетчик является, таким образом, детектором, пригодным для регистрации излучении малой интенсивности, для анализа распределения по энергиям при не слишком высоких требованиях к разрешающей способности и для измерений с помощью схемы совпадений при высокой интенсивности излучения.

Б) Сцинтилляторы

1) Протоны и другие сильно ионизирующие частицы. Если речь идет только о регистрации этих частиц, то одинаково пригодны все виды сцинтилляторов, причем, вследствие их высокой тормозной способности, достаточны слои толщиной порядка миллиметра и еще меньше. Надо, однако, иметь в виду, что световая отдача протонов и б-частиц в органических сцинтилляторах составляет лишь около "/ 10 от световой отдачи электронов той же энергии, в то время как в неорганических сцинтилляторах ZnS и NaJ обе они одного порядка.

Зависимость между энергией световых вспышек и связанной с ней величиной импульсов, а также энергией частиц, переданной сцинтиллятору, для органических веществ, вообще говоря, нелинейна. Для ZnS 1 NaJ и CsJ эта зависимость, однако, близка к линейной. Вследствие хорошей прозрачности для собственного флуоресцентного излучения кристаллы NaJ и CsJ позволяют получить отличную энергетическую разрешающую способность; надо, однако, следить за тем, чтобы поверхность, через которую частицы проникают в кристалл, была очень чистой.

2) Нейтроны. Медленные нейтроны можно обнаруживать, пользуясь реакциями Li6Hs, B10Li" или CdlisCd114. В качестве сцинтилляторов для этой цели применяются монокристаллы из LiJ, порошкообразные смеси, например, 1 весовая часть B 2 O 3 и 5 весовых частей ZnS, их напыляют непосредственно на окошко ФЭУ; также можно применять

Блок-схема сцинтилляционного спектрометра. 1 - сцинтиллятор, 2 - ФЭУ, з - источник высокого напряжения, 4 - катодный повторитель, д - линейный усилитель, 6 - амплитудный анализатор импульсов, 7 - регистрирующий прибор.

ZnS, суспендированный в расплавленном B 2 O 3 , соответствующие соединения бора в сцинтилляторах из искусственных веществ и смеси метилбората или пропионата кадмия с жидкими сцинтилляторами. Если при измерениях нейтронов надо исключить влияние г-излучения, то при тех реакциях, которые вызывают эмиссию тяжелых частиц, надо учитывать указанное выше соотношение для световой отдачи различных сцинтилляторов в зависимости от рода частиц.

Быстрые нейтроны регистрируются с помощью протонов отдачи, образующихся в водородсодержащих веществах. Так как высокое содержание водорода имеет место только в органических сцинтилляторах, то вследствие упомянутых причин уменьшить влияние г-излучения затруднительно. Лучшие результаты достигаются, если процесс образования протонов отдачи отделить от возбуждения сцинтиллятора г-лучами. В этом случае слой последнего должен быть тонким, его толщина определяется пробегом протонов отдачи, так что вероятность регистрации г-излучения существенно уменьшается. В качестве сцинтиллятора в этом случае предпочтительнее применять ZnS. Можно также суспендировать порошкообразный ZnS в прозрачном искусственном веществе, содержащем водород.

Энергетический спектр быстрых нейтронов при помощи сцинтилляторов исследовать почти невозможно. Это объясняется тем, что энергия протонов отдачи может принимать всевозможные значения, вплоть до полной энергии нейтронов, в зависимости оттого, каким образом происходит столкновение.

3) Электроны, в-частицы. Как и для других типов излучений, энергетическая разрешающая способность сцинтиллятора для электронов зависит от соотношения между световой энергией и энергией, переданной сцинтиллятору ионизирующей частицей. Это обусловлено тем, что полуширина кривой распределения величин импульсов, вызванных моноэнергетическими падающими частицами, вследствие статистических колебаний в первом приближении обратно пропорциональна квадратному корню из числа фотоэлектронов, выбитых из фотокатода ФЭУ. Из применяемых в настоящее время сцинтилляторов наибольшие амплитуды импульсов дает NaJ 1 а пз органических сцинтилляторов - антрацен, который при прочих равных условиях дает импульсы примерно в два раза меньшей амплитуды, чем NaJ.

Так как эффективные сечения рассеяния электронов сильно возрастают с увеличением атомного номера, то при применении NaJ 80-90% всех падающих электронов снова рассеивается из кристалла; при применении антрацена этот аффект достигает приблизительно 10%. Рассеянные электроны вызывают импульсы, величина которых меньше величины, отвечающей полной энергии электронов. Вследствие этого количественная оценка в-спектров, полученных при помощи кристаллов из NaJ, весьма затруднительна. Поэтому для в-спектроскопии часто более целесообразно применять органические сцинтилляторы, которые состоят из элементов с малыми атомными номерами.

Обратное рассеяние можно ослабить также следующими приемами. Вещество, в-излучение которого должно исследоваться, или примешивают к сцинтиллятору, если оно не подавляет флуоресцентного излучения, или помещают между двумя поверхностями сцинтилляторов, флуоресцентное Iryny 1 Ienne которых действует на фотокатод, или, наконец, применяют сцинтиллятор с внутренним каналом, в который проходит в-излучение.

Зависимость между световой энергией и энергией, переданной сцинтиллятору излучением, для NaJ линейна. Для всех органических сцинтилляторов это отношение при малой энергии электронов уменьшается. Указанная нелинейность должна учитываться при количественной оценке спектров.

4) Рентгеновское и гамм а-излучение. Процесс взаимодействия электромагнитного излучения с сцинтиллятором в основном состоит из трех элементарных процессов.

При фотоэффекте энергия кванта переходит почти полностью в кинетическую энергию фотоэлектрона, причем она вследствие малого пробега фотоэлектрона в большинстве случаев абсорбируется в сцинтилляторе. Вторичный квант, соответствующий энергии связи электрона, или также поглощается сцинтиллятором, или выходит из него.

В эффекте Комптона электрону передается "только часть энергии кванта. Эта часть с большой вероятностью поглощается в сцинтилляторе. Рассеянный фотон, энергия которого уменьшилась на величину, равную энергии комптон-электрона, также или поглощается сцинтиллятором, или выходит из него.

При образовании пар энергия первичного кванта, за вычетом энергии образования пары, переходит в кинетическую энергию этой пары и в основном поглощается сцинтиллятором. Излучение, образующееся при аннигиляции электрона и позитрона, поглощается в сцинтилляторе или выходит из него.

Энергетическая зависимость эффективных сечений для этих процессов такова, что при малой энергии квантов в основном имеет место фотоэффект; начиная с энергии 1,02 Мае, может наблюдаться образование пар, однако вероятность этого процесса достигает заметной величины лишь при существенно более высоких энергиях. В промежуточной области основную роль играет эффект Комптона.

С увеличением порядкового номера Z эффективные сечения при фотоэффекте и при образовании пар возрастают значительно сильнее, чем при эффекте Комптона. Однако при этом электрону передается:

1) при фотоэффекте, - кроме энергии кванта, переходящей в энергию электрона уже при первичном эффекте, еще только энергия связи фотоэлектрона, отвечающая вторичному излучению, мягкому и легко поглощаемому;

2) при образовании пар - только излучение аннигиляции с дискретной известной энергией. При эффекте Комптона энергия вторичных электронов и рассеянных квантов имеет широкую область возможных значений. Так как" вторичные кванты, как уже было сказано, могут не испытать поглощения и выйти из сцинтиллятора, то для облегчения интерпретации спектров целесообразно по возможности сузить область, в которой преобладает эффект Komhtohj, выбирая сцинтилляторы с большим Ж, например NaJ. Кроме того, отношение энергии света к переданной сцинтиллятору энергии для NaJ практически не зависит от энергии электронов; поэтому во всех сложных процессах, при которых кванты поглощаются, выделяется одинаковое количество света. Такие сложные процессы происходят с тем большей вероятностью, чем больше размеры сцинтиллятора.

Ослабление гамма-лучей в антрацене, ц - коэффициент ослабления; ф - коэффициент фотопоглощения, а - коэффициент комптоновского рассеяния, р - коэффициент образования пар.

Метод регистрации заряженных частиц с помощью подсчета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS) считается одним из первых методов регистрации ядерных излучений.

Этот метод заключается в следующем.

Сцинтилляциями вспышками называют отдельные кратковременные вспышки света, которые можно заметить, наблюдая через увеличительное секло за поверхностью экрана из сернистого цинка, облучаемого a-частицами. Отдельной a-частицей, попадающей на экран создаётся каждая из этих сцентилляций. Эти явления впервые были обнаружены ещё в 1903 г. Круксом и другими. Для возможности подсчёта a-частиц Крукс изобрёл прибор, названный спинтарископом Крукса.

В дальнейшем визуальный метод сцинтилляций был использован в основном для регистрации a-частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электронвольт регистрировать не удалось. Так как отдельные быстрые электроны вызывают очень слабые сцинтилляции, их зарегистрировать не удалось.

То, что гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение, позволило регистрировать a-частицы в присутствии сильного g-излучения.

Лишь когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов, при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки.

Метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальных качеств экспериментатора, но он позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени. Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту.

С помощью визуального метода сцинтилляций Резерфорд регистрировал a-частицы при их рассеянии на атомах, эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их a-частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра. Таким образом, несмотря на недостатки, визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики и имел большое значение вплоть до тридцатых годов, до тех пор, пока появление новых методов регистрации ядерных излучений не исследователей заставило на некоторое время забыть его.

В конце сороковых годов XX века сцинтилляционный метод регистрации возродился на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 10 8 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализировать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и g-лучи.

Сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), источника электрического питания ФЭУ и радиотехнической аппаратуры, обеспечивающей усиление и регистрацию импульсов ФЭУ, называют сцинтилляционным счетчиком. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод).

В качестве в сцетилляционных счётчиках используются:

• жидкие органические сцинтилляторы,
• твердые пластмассовые сцинтилляторы,
• органические кристаллы,
• газовые сцинтилляторы.

Рассмотрим принцип работы сцинтилляционного счетчика.

Попадая в сцинтиллятор, заряженная частица производит ионизацию и возбуждение его молекул. Через очень короткое время (10 -6 - 10 -9 сек) эти молекулы переходят в стабильное состояние, испуская фотоны - возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны, которые под действием приложенного к ФЭУ напряжения, фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. В результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой.

Свойствами как сцинтиллятора и ФЭУ определяются амплитуда и длительность импульса на выходе.

Необходимо, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ.

Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой. данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования

где - внешний спектр сцинтиллятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора.

4) Сцинтилляционная эффективность.

При сравнении сцинтилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводят понятие сцинтилляционной эффективности, которая учитывает число фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энергии и чувствительность данного ФЭУ к этим фотонам и определяется следующим выражением:

На практике сцинтилляционную эффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, принятого за эталон.

5) Интенсивность сцинтилляции.

Интенсивность сцинтилляции изменяется со временем по экспоненциальному закону

где I 0 - максимальное значение интенсивности сцинтилляции; t 0 - постоянная времени затухания, определяемая как время, в течение которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз.

Число фотонов света n, испущенных за время t после попадания регистрируемой частицы, выражается формулой

где - полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции.

Процессы люминесценции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции (высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек, интервал 10 -8 сек выбран потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов) и фосфоресценции (люминесценции, которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения).

При рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении возникает Фосфоресценция кристаллофосфоров. В некоторых кристаллах возможно затягивание послесвечения за счет того, что электроны и дырки захватываются “ловушками”, из которых они могут освободиться, лишь получив дополнительную необходимую энергию. Отсюда очевидна зависимость длительности фосфоресценции от температуры. В случае сложных органических молекул фосфоресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии, вероятность перехода из которого в основное состояние может быть малой. И в этом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфоресценции от температуры.

Длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флуоресценции существенно зависит от него. Так при возбуждении кристалла a-частицами выход флуоресценции почти на порядок меньше, чем при фотовозбуждении.

Для регистрации g-кванта или нейтрона необходимо, чтобы они прореагировали с веществом детектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества на пути g-лучей или нейтронов, тем большей будет вероятность их поглощения, тем большей будет эффективность их регистрации. В настоящее время при использовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности регистрации g-лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенными веществами (10 В, 6 Li и др.) также намного превышает эффективность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков.

Длительность импульса в зависимости от используемых сцинтилляторов простирается от 10 -6 до 10 -9 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самостоятельным разрядом, что позволяет осуществлять намного большие скорости счета. Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10 -9 -10 -8 сек). Это позволяет использовать схемы совпадений с малым разрешающим временем (<10 -8 сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

Это означает возможность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших энергий (космические лучи), а также частиц, слабо взаимодействующих с веществом (нейтрино).

Для регистрации медленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленных нейтронов с 6 Li идет реакция 6 Li(n,a) 3 Н, в которой выделяется энергия в 4,8 Мэв.

В самом деле, для легких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе.

С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным анализаторам, можно изучать спектры электронов и g-лучей. Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (a-частицы и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц. Это иллюстрируется графиками на рис.1 и 2.

Для регистрации ядерных излучений наибольшее распространение получили следующие органические кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладает достаточно большим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3 10 -8 сек). Но при регистрации тяжелых заряженных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтилляции наблюдается лишь при довольно больших энергиях частиц. Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым выходом, чем антрацен, но зато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (7 10 -9 сек), чем у антрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения.

Так как по сравнению с силами, действующими в неорганических кристаллах молекулярные силы связи в органических кристаллах малы, взаимодействующие молекулы практически не возмущают энергетические электронные уровни друг у друга и процесс люминесценции органического кристалла является процессом, характерным для отдельных молекул.

В основном электронном состоянии молекула имеет несколько колебательных уровней. Под воздействием регистрируемого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние, которому также соответствует несколько колебательных уровней. Также возможны ионизация и диссоциация молекул. В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, как правило, образуется в возбужденном состоянии. Первоначально возбужденная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время (~10 -11 сек) испускает фотон высокой энергии, который поглощается другой молекулой, причем часть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движение и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией по сравнению с предыдущим. После нескольких циклов испускания и поглощения образуются молекулы, находящиеся на первом возбужденном уровне, которые испускают фотоны, энергия которых может оказаться уже недостаточной для возбуждения других молекул и, таким образом, кристалл будет прозрачным для возникающего излучения.

На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода c (в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2, дейтонов 3 и a-частиц 4.

Рис. 2. Зависимость светового выхода

антрацена от энергии для различных частиц.

Благодаря тому, что большая часть энергии возбуждения расходуется на тепловое движение, световой выход (конверсионная эффективность) кристалла сравнительно невелик и составляет несколько процентов.

Неорганические сцинтилляторы - кристаллы неорганических солей.

Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов.

Представим процесс возникновения сцинтилляции при помощи зонной теории твердого тела.

В невзаимодействующем с другими отдельном атоме, электроны находятся на вполне определенных дискретных энергетических уровнях. В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях, и их взаимодействие достаточно сильно. Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Валентная зона является самой внешней разрешенной зоной, заполненной электронами. Выше ее располагается свободная зона - зона проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, энергетическая ширина которой составляет несколько электронвольт.

В случае, если в кристалле имеются какие-либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, возможно появление энергетических электронных уровней, расположенных в запрещенной зоне. Электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости при внешнем воздействии, например при прохождении через кристалл быстрой заряженной частицы, тогда в валентной зоне останутся свободные места, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и называемые дырками. Мы описали процесс возбуждения кристалла.

Путем обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону, происходит рекомендация электронов и дырок, возбуждение снимается. Во многих кристаллах переход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанные центры обусловливаются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому световой выход для него много больше, чем для чистого, беспримесного кристалла.

Для увеличения светового выхода неорганических сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами. Так, например, в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий.

Сцинтиллятор, построенный на основе кристалла NaJ(Tl), обладает большим световым выходом и имеет значильтельные преимущества по сравнению с газонаполненными счетчиками: большую эффективность регистрации g-лучей (с большими кристаллами эффективность регистрации может достигать десятков процентов), малую длительность сцинтилляции (2,5 10 -7 сек) и линейную связь между амплитудой импульса и величиной энергии, потерянной заряженной частицей.

Световой выход сцинтиллятора зависит от удельных потерь энергии заряженной частицы.

Рис. 1. Зависимость светового выхода

кристалла NaJ (T1) от энергии частиц.

Значительные нарушения кристаллической решетки сцинтиллятора, возможные при очень больших величинах, приводят к возникновению локальных центров тушения. Это может привести к относительному уменьшению светового выхода. Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что для тяжелых частиц выход нелинеен, а линейная зависимость начинает проявляться только с энергии в несколько миллионов электронвольт. На рис.1 приведены кривые зависимости c от Е: кривая 1 для электронов, кривая 2для a частиц.

Кроме указанных щелочно-галоидных сцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4 , CdWO 4 и др.

Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем прозрачном веществе (растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе). Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов, поэтому, так как растворителя много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам сцинтиллятора. Раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора, так как концентрация сцинтиллятора мала.

Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцинтилляторы, приготовленные растворением антрацена в полистироле. Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле.

Спектр испускания растворителя должен быть более жестким, чем спектр поглощения растворенного вещества или совпадать с ним.

Экспериментальные факты показывают, что энергия возбуждения растворителя передается молекулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма, т. е. молекулы растворителя испускают фотоны, которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества.

По сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами пластмассовые сцинтилляторы имеют значительные преимущества:

• возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме;

• возможность введения в сцинтиллятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода;
• возможность изготовления сцинтилляторов очень больших размеров;

• возможность введения в сцинтиллятор различных веществ, необходимых в специальных экспериментах (например, при исследовании нейтронов);

Жидкие органические сцинтилляторы - это растворы органических сцинтиллирующих веществ в некоторых жидких органических растворителях. Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах аналогичен механизму, происходящему в твердых растворах-сцинтилляторах.

Из жидких веществ наиболее подходящими растворителями оказались ксилол, толуол и фенилциклогексан, а сцинтиллирующими веществами р-терфенил, дифенилоксазол и тетрафенилбутадиен. Изготовленный при растворении р-терфенила в ксилоле при концентрации растворенного вещества 5 г/л сцинтиллятор обладает наибольшим световым выходом.

Основные достоинства жидких сцинтилляторов:

• малая длительность вспышки (~3 10 -9 сек).
• возможность изготовления больших объемов;
• возможность введения в сцинтиллятор веществ, необходимых в специальных экспериментах;

Появление сцинтилляций наблюдалось при прохождении заряженных частиц через различные газы. Газовые сцинтилляторы обладают малой чувствительностью к g-излучению. Наибольшим световым - выходом обладают тяжелые благородные газы (ксенон и криптон), а также смесь ксенона и гелия. Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход, даже больший, чем у чистого ксенона (рис. 3). Ничтожно малые примеси других газов резко уменьшают интенсивность сцинтилляций в благородных газах.

Рис. 3. Зависимость светового выхода газового

сцинтиллятора от соотношения смеси гелия и ксенона.

Длительность вспышек в благородных газах мала (10 -9 -10 -8 сек), а интенсивность вспышек в широком диапазоне пропорциональна потерянной энергии регистрируемых частиц и не зависит от их массы и заряда.

Для приведения в соответствие со спектральной чувствительностью ФЭУ используются светопреобразователи, потому что основная часть спектра люминесценции лежит в области далекого ультрафиолета. Светопреобразватели должны обладать высоким коэффициентом конверсии, оптической прозрачностью в тонких слоях, низкой упругостью насыщенных паров, а также механической и химической устойчивостью. В качестве материалов для светопреобразователей в основном используются различные органические соединения, например: дифенилстильбен (эффективность преобразования около 1), P 1 p’ -кватерфенил (~1), антрацен (0,34) и др. Светопреобразователь наносится тонким слоем на фотокатод ФЭУ. Важным параметром светопреобразователя является его время высвечивания. В этом отношении органические преобразователи являются вполне удовлетворительными (10 -9 сек или несколько единиц на 10 -9 сек). Для увеличения светосбора внутренние стенки камеры сцинтиллятора обычно покрываются светоотражателями (MgO, эмаль на основе окиси титана, фторопласт, окись алюминия и др.).

Фотокатод, фокусирующая система, умножительная система (диноды), анод (коллектор)- основные элементы ФЭУ. Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаченном до высокого вакуума (10 -6 мм рт.ст.).

Фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ для целей спектрометрии ядерных излучений. В качестве материала фотокатода выбирается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при l= 3900¸4200 А, что соответствует, максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов.

Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ.

Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).

Квантовый выход катода, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод также является одной из его характеристик. Величина e может достигать 10-20%.

Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Толщина этого слоя имеет значение. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым, поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода. Также важно обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади.

В сцинтилляционной g-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру, поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов.

Фотокатоды в отечественных ФЭУ делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15¸20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этого используется система электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом.

Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умножения М. Если значение s для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодов равно n, то

A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиления М" , который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току, выходящему из катода

М" = СМ,

где С<1 - коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.

Очень важным является постоянство коэффициента усиления М" ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электронов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектрометров ядерных излучений.

Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (s>1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жалюзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное расположение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обладают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов.

Сфокусированные на первый динод, фотоэлектроны выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в s раз. При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5-7 порядков и попадает на анод - собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения.

На рис.4 приведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод.

Достаточно хорошим коэффициентом вторичной эмиссии является s= 5. Максимальное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350¸400 эв, а для сплавных эмиттеров - при 500¸550 эв. В первом случае s= 12¸14, во втором s=7¸10. В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько меньше.

К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования:

• равномерное распределение света по фотокатоду;
• отсутствие влияния магнитных полей;
• наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде;
• затемнение от света посторонних источников;
• стабильность коэффициента усиления ФЭУ.

При использовании сцинтилляционных счетчиков всегда необходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает оптимально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе.

Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения, который позволяет подавать на каждый электрод соответствующий потенциал. Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов делителя. Положительный полюс и другой конец делителя заземляются. Сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптимальный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи, идущие через ФЭУ.

Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором.

1-жидкий сцинтиллятор;

3-светозащитный кожух.

При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном режиме на выходе ФЭУ возникают короткие (~10 -8 сек) импульсы, амплитуда которых может составлять несколько единиц или несколько десятков вольт. При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие изменения, так как ток через делитель не успевает восполнить заряд, уносимый с каскада электронами. Чтобы избежать таких колебаний потенциалов, несколько последних сопротивлений делителя шунтируются емкостями. За счет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная электроннооптическая система, соответствующая оптимальному режиму.

В электроннооптической системе траектория электрона не зависит от пропорционального изменения потенциалов на всех электродах, образующих данную электроннооптическую систему. Так и в умножителе при изменении напряжения питания изменяется лишь коэффициент усиления его, но электроннооптические свойства остаются неизменными.

При непропорциональном изменении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изменяются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал

Рис. 7. Часть схемы делителя.

одного из динодов по отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным, либо с помощью дополнительной батареи, либо с помощью дополнительно стабилизированного делителя. На рис.7 приведена часть схемы делителя, где между динодами D 5 и D 6 включена дополнительная батарея (U б = 90 в). Для получения наилучшего эффекта самостабилизации необходимо подобрать величину сопротивления R". Обычно R" больше R в 3- 4 раза.

Даже при отсутствии внешнего облучения в сцинтилляционных счетчиках возможно появление большого числа импульсов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют небольшие амплитуды и носят название шумовых.

Наибольшее число шумовых импульсов обусловливается появлением термоэлектронов из фотокатода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации излучений, создающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы.

Рис. 5. Схема для подавления шумов ФЭУ.

Рассмотрим следующий пример:

Для регистрации импульсов с амплитуд, сравнимой с шумовыми импульсами, рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ, включенными в схему совпадений (рис. 5).

Тогда происходит временная селекция импульсов, возникших от регистрируемой частицы - вспышка света, возникшая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одновременно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в каждом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зарегистрированы схемой совпадений. Такой способ позволяет уменьшать собственный фон ФЭУ на 2-3 порядка.

Число шумовых импульсов зависит от величины приложенного напряжения, и ратёт с его ростом сначала довольно медленно, затем возрастание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона является автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ.

Возникновение свечения как остаточного газа, так и конструктивных материалов возможно в районе анода. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопровождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10 -8¸ 10 -7 сек.

Сцинтиллятор не может быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ в некоторых экспериментах, например при измерениях в вакууме, в магнитных полях, в сильных полях ионизирующих излучений, тогда для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод. В качестве светопроводов применяются полированные стержни из прозрачных материалов - таких, как люсит, плексиглас, полистирол, а также металлические или плексигласовые трубки, заполненные прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых экспериментах необходимо использовать изогнутые светопроводы. Лучше применять светопроводы с большим радиусом кривизны. Светопроводы позволяют также сочленять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров. При этом используются конусообразные светопроводы. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором производится либо через светопровод, либо непосредственным контактом с жидкостью. На рис.6 приведен пример сочленения ФЭУ с жидким сцинтиллятором. В различных режимах работы на ФЭУ подается напряжение от 1000 до 2500в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зависит от напряжения, то источник питающего тока должен быть хорошо стабилизирован. Кроме того, возможно осуществление самостабилизации.

Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного конца плоским стеклом. Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой материала, отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу. Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85-0,90), используется также алюминий (0,55-0,85).

На тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов должно быть обращено особое внимание. Так, например, наиболее часто используемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги желтеет и теряет свои сцинтилляционные свойства. Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковывать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все твердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилляции. Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт.

Впервые фотографирование следов ионизирующих частиц в люминесцирующих веществах с помощью чувствительных электроннооптических преобразователей (ЭОП) было произведено в 1952 г. советскими физиками Завойским. Первые опыты были произведены при использовании кристалла CsJ (Tl).

Этот метод регистрации частиц, названный люминесцентной камерой, имеет высокую разрешающую способность по времени.

Сегодня для изготовления люминесцентной камеры используют пластмассовые сцинтилляторы в виде длинных тонких стерженьков (нитей), которые укладываются в виде стопки рядами так, что нити в двух соседних рядах расположены под прямым углом друг к другу. Этим обеспечивается возможность стереоскопического наблюдения для воссоздания пространственной траектории частиц. Изображения от каждой из двух групп взаимно перпендикулярных нитей направляются на отдельные электроннооптические преобразователи. Нити играют также роль светопроводов. Свет дают только те нити, которые пересекает частица. Этот свет выходит через торцы соответствующих нитей, которые фотографируются. Изготовляются системы с диаметром отдельных нитей от 0,5 до 1,0 мм.

Изучение квантовых характеристик возбужденных состояний ядер является одной из главных задач ядерной физики. Образующиеся при радиоактивном распаде или в различных ядерных реакциях ядра часто оказываются в возбужденном состоянии. Очень важной характеристикой возбужденного состояния ядра является время его жизни t. Знание этой величины позволяет получать многие сведения о структуре ядра.

Атомные ядра могут находиться в возбужденном состоянии различные времена. Для измерения этих времен существуют различные методы. Очень удобными для измерения времен жизни уровней ядер от нескольких секунд до очень малых долей секунды оказались сцинтилляционные счетчики.

Рассмотрим в качестве примера использования сцинтилляционных счетчиков для измерения времени жизни возбуждённых состояний ядер метод задержанных совпадений.

Пусть ядро A (см. рис.10) путем b-распада превращается в ядро В в возбужденном состоянии, которое избыток своей энергии отдает на последовательное испускание двух g-квантов (g 1 ,g 2). Требуется определить время жизни возбужденного состояния I .

Препарат, содержащий изотоп A, устанавливается между двумя счетчиками с кристаллами NaJ(Tl) (рис.8). Импульсы, возникшие на выходе ФЭУ, подаются на схему быстрых совпадений с разрешающим временем ~10 -8 -10 -7 сек. Кроме того, импульсы подаются на линейные усилители и далее на амплитудные анализаторы. Последние настраиваются таким образом, что они пропускают импульсы определенной амплитуды. Для нашей цели, т.е. для цели измерения времени жизни уровня I (см. рис. 10), амплитудный анализатор AAI должен пропускать только импульсы, соответствующие энергии квантов g 1 а анализатор AAII - g 2 .

Рис.8. Принципиальная схема для определения

времени жизни возбужденных состояний ядер.

Далее импульсы с анализаторов, а также с быстрой схемы совпадений подаются на медленную (t~10 -6 сёк) схему тройных совпадений. В эксперименте изучаются зависимость числа тройных совпадений от величины временной задержки импульса, включенной в первый канал схемы быстрых совпадений. Обычно задержка импульса осуществляется с помощью так называемой переменной линии задержки ЛЗ (рис.8). Линия задержки должна включаться именно в тот канал, в котором регистрируется квант g 1 , так как он испускается раньше кванта g 2 . В результате эксперимента строится полулогарифмический график зависимости числа тройных совпадений от времени задержки (рис.9), и уже по нему определяется время жизни возбужденного уровня I (так же, как это делается при определении периода полураспада с помощью одиночного детектора).

Используя сцинтилляционные счетчики с кристаллом NaJ(Tl) и рассмотренную схему быстро-медленных совпадений, можно измерять времена жизни 10 -7 -10 -9 сек. Если же использовать более быстрые органические сцинтилляторы, то можно измерять и меньшие времена жизни возбужденных состояний (до 10 -11 сек ).

Рис.9. Зависимость числа совпадений от величины задержки.

Практически все свойства нейтрино - самая загадочная из элементарных частиц -получены из косвенных данных.

Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (n-частица). При электронном распаде испускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

Некоторые эксперименты позволяют утверждать, что. Современная теория b-распада предполагает, что масса нейтрино mn равна нулю. Спин нейтрино равен 1/2, магнитный момент <10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю.

Надежду на обнаружение антинейтрино вселило создание ядерных реакторов, в которых образуется очень большое количество ядер с избытком нейтронов. Все нейтронноизбыточные ядра распадаются с испусканием электронов, а следовательно, и антинейтрино. Вблизи ядерного реактора мощностью в несколько сотен тысяч киловатт поток антинейтрино составляет 10 13 см -2· сек -1 - поток огромной плотности, и при выборе подходящего детектора антинейтрино можно было попытаться их обнаружить. Такая попытка была осуществлена Рейнесом и Коуэном в 1954 г. Авторы использовали следующую реакцию:

n+ p ® n + e + (1)

этой реакции частицами-продуктами являются позитрон и нейтрон, которые могут быть зарегистрированы.

Жидкий сцинтиллятор, объемом ~1м 3 , с высоким содержанием водорода, насыщенный кадмием служил детектором и одновременно водородной мишенью. Позитроны, возникающие в реакции (1), аннигилировали в два g-кванта с энергией 511 кэв каждый и обусловливали появление первой вспышки сцинтиллятора. Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедлялся и захватывался кадмием. При этом захвате кадмием испускалось несколько g-квантов с суммарной энергией около 9 Мэв. В результате в сцинтилляторе возникала вторая вспышка. Измерялись запаздывающие совпадения двух импульсов. Для регистрации вспышек жидкий сцинтиллятор окружался большим количеством ФЭУ.

Скорость счета запаздывающих совпадений составляла три отсчета в час. Из этих данных было получено, что сечение реакции (рис. 1) s = (1,1 ± 0,4)10 -43 см 2 , что близко к расчетной величине.

Сцинтилляционные счетчики очень больших размеров сегодня используются во многих экспериментах, в частности в экспериментах по измерению потоков g-излучений, испускаемых человеком и другими живыми организмами.

Газовые сцинтилляционные счетчики оказались очень удобными для регистрации осколков деления оказались удобными. Очень важным свойством газового сцинтилляционного счетчика является его низкая чувствительность к g-лучам, так как часто появление тяжелых заряженных частиц сопровождается интенсивным потоком g-лучей.

Эксперимент по изучению сечения деления происходит следующим образом: слой изучаемого элемента наносится на какую-то подложку и облучается потоком нейтронов. Конечно, чем больше будет использоваться делящегося вещества, тем больше будет происходить актов деления. Но так как обычно делящиеся вещества (например, трансурановые элементы) являются a-излучателями, то использование их в значительных количествах становится затруднительным из-за большого фона от a-частиц. И если акты деления изучаются с помощью импульсных ионизационных камер, то возможно наложение импульсов от a-частиц на импульсы, возникшие от осколков деления.

Только прибор, обладающий лучшим временным разрешением, позволит использовать большие количества делящегося вещества без наложения импульсов друг на друга. В этом отношении газовые сцинтилляционные счетчики обладают значительным преимуществом по сравнению с импульсными ионизационными камерами, так как длительность импульсов у последних на 2-3 порядка больше, чем у газовых сцинтилляционных счетчиков.

Амплитуды импульсов от осколков деления много больше, чем от a-частиц и поэтому могут быть легко отделены с помощью амплитудного анализатора.

Все чаще в технике для обнаружения дефектов в трубах, рельсах и других больших металлических блоках применяются ядерные излучения, обладающие большой проникающей способностью.

Для этих целей используется источник g-излучения и детектор g-лучей. Наилучшим детектором в этом случае является сцинтилляционный счетчик, обладающий большой эффективностью регистрации.

Такого вида эксперименты приводятся следующим образом. Источник излучения помещается в свинцовый контейнер, из которого через коллиматорное отверстие выходит узкий пучок g-лучей, освещающий трубу, с противоположной стороны которой устанавливается сцинтилляционный счетчик. Источник и счетчик помещаются на подвижный механизм, позволяющий передвигать их вдоль трубы, а также поворачивать около ее оси. Проходя через материал трубы, пучок g-лучей будет частично поглощаться; если труба однородна, поглощение будет всюду одинаковым, и счетчик будет всегда регистрировать одно и то же число (в среднем) g-квантов в единицу времени, если же в каком-то месте трубы имеется раковина, то g-лучи в этом месте будут поглощаться меньше, скорость счета увеличится. Местоположение раковины будет обнаружено.

Кроме перечисленных выше можно привести много примеров подобного использования сцинтилляционных счетчиков.

Литература:

1. Дж.Биркс. Сцинтилляционные счетчики. М., ИЛ, 1955.
2. В.О.Вяземский, И.И. Ломоносов, В.А. Рузин. Сцинтилляционный метод в радиометрии. М.,Госатомиздат, 1961.
3. Ю.А. Егоров. Стинцилляционный метод спектрометрии гамма излучения и быстрых нейтронов. М., Атомиздат, 1963.
4. П.А. Тишкин. Эксперементальные методы ядерной физики(детекторы ядерных излучений).

Издательство Ленинградского Университета, 1970.

5 Г.С. Ландсберга. Элементарный учебник физики (том 3).М., Наука, 1971

Эффект сцинтилляции для количественного определения радионуклидов начинали использовать еще во времена Резерфорда, который визуально считал сцинтилляционные вспышки под микроскопом. За сто лет принципиальных изменений не произошло. Рядом с источником излучения помещают сцинтиллятор и ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), который считает вспышки. Сцинтиллятор может быть твердым, а может быть и жидким (чаще, растворенным в жидкости). Во флакон (vial) с жидким сцинтиллятором добавляют тестируемый образец, и в этом случае можно эффективно измерять даже самое "слабое", низкоэнергетическое излучение.

При измерении активности (радиоактивности) любых образцов и для любых средств измерения необходимо помнить несколько простых, но важных правил:

Радиоактивный распад является классическим примером случайного, вероятностного природного процесса и, рассматривая измерение активности как регистрацию случайных событий, мы получаем математическую ошибку измерения активности:

где n -- число "событий" (в нашем случае распадов).

Например, для 400 зарегистрированных импульсов на любом приборе независимо от времени измерения (наблюдения) 4001/2 / 400 х 100% = 5%, т.е. ошибка 5%. Это означает, что чем больше число измерений (собственно счет), тем меньше математическая ошибка измерения. Более того, вопреки устоявшейся традиции, для снижения математической ошибки измерения надо считать не число зарегистрированных прибором распадов (импульсов) за единицу времени, а время, необходимое для "накопления нужного" числа импульсов -- например, 10000 имп. Тем не менее, во всем мире активность с помощью счетчиков измеряют как количество импульсов за единицу времени (обычно по 1 минуте).

Все счетчики имеют верхний предел измерения, после которого их точность падает, так как счетчик не успевает регистрировать -- "захлебывается". Для сцинтилляционных счетчиков -- это активность на уровне 106ч107 расп./мин. Некоторые типы счетчиков имеют встроенную блокировку и отказываются считать образцы, активность которых превышает установленную для данной модели. Оптимальная активность образца для точного измерения 104ч106 расп./мин.

Проводя количественные измерения, например, определяя концентрацию радионуклида в растворе, всегда делайте хотя бы 2, а лучше 3 измерения независимых аликвот и активность определяйте как среднюю из 2 -- 3 измерений. Затраты времени на "лишние" процедуры будут с лихвой компенсированы отсечением случайных "выбросов". Разброс в измерениях, особенно у начинающих исследователей, может достигать 200% и более, хотя в норме не должен превышать обычную ошибку рутинного отбора аликвот.

Ни один измерительный прибор не регистрирует 100% всех "распадов" (decompositions) в измеряемом образце. Эффективность счета -- это коэффициент, который связывает зарегистрированные прибором импульсы (counts) и реальные распады (decompositions). Поэтому для любого измерения распады/мин. (dpm -- decompositions per min.) больше импульсов/мин. (cpm -- counts per min.). Правда, для большинства радионуклидов, применяемых в life science, эффективность жидкостного сцинтилляционного счета составляет более 90%. Однако, тритий удается измерять с эффективность не более 50ч60%. Обычно эффективность счета для каждого радионуклида указывается в технической документации к прибору, и долгое время негласное соревнование между фирмами за более высокую эффективность счета трития было чуть ли не главным двигателем технического прогресса в этой области.

Все измерительные приборы имеют собственный "фон" -- регистрируют какое-то количество импульсов без источника ионизирующего излучения (радиоактивного препарата). Природа фона различна: космическое излучение, электронный шум, содержание природных радионуклидов в помещении, где установлена измерительная аппаратура и т.д. Поэтому минимально достоверная величина активности, измеряемая прибором, увязывается с фоном и обычно принимается равной трехкратному превышению фона данного прибора. Если в вашем "эпохальном" эксперименте активность "главного" образца едва-едва превышает фон, попытайтесь увеличить время измерения (можно до 20 мин.) -- тогда достоверность измерения возрастёт.

В большинстве случаев в life science абсолютные измерения активности не нужны, и гораздо важнее получить информацию об относительной активности образцов: распределение активности по гелю, хроматографической пластинке или по элюированным с колонки продуктам; доля субстрата, превратившегося в продукт под действием фермента; доля лиганда, связанного с рецептором; детекция продуктов метаболизма соединения, меченного радионуклидом, и другие аналогичные задачи. Поэтому очень важно, чтобы условия приготовления и измерения образцов в конкретном эксперименте были одинаковыми, тогда абсолютные погрешности в измерениях не окажут существенного влияния на биологические результаты.

Наиболее ярко эту относительность измерений иллюстрирует широкое использование минимониторов -- приборов, предназначенных для определения загрязнения поверхностей рабочих столов, одежды и т.д. Небольшие карманные приборы, имеющие ионизационный счетчик (обычно это ионизационная камера или счетчик Гейгера), оказались очень удобными для детекции меченного фосфором-32 фрагмента ДНК в агарозном геле или меченного йодом-125 белка в ПААГ и т.п. Некоторые ухитряются по показаниям такого прибора оценивать включение меченых предшественников биосинтеза в биополимеры после разделения продуктов реакции, используют мониторы для измерения активности образцов на фильтрах, кусках фильтровальной или хроматографической бумаги и даже в пробирках. Это удобно и полезно для качественных и полуколичественных оценок, но следует помнить, что приборные ошибки в таких измерениях могут быть очень значительными и достигать 200--300%.

Жидкостные сцинтилляционные счетчики уже многие годы остаются главным инструментом для количественного измерения радионуклидов. Несмотря на разнообразие конструкций, с точки зрения пользователя, все они измеряют активность образцов, помещенных в специальный стеклянный или пластиковый флакон и заполненный жидким сцинтиллятором. Поскольку измерение активности сводится к подсчету вспышек света, жидкость во флаконе должна быть прозрачная для счета и гомогенная по составу. Все отклонения от этого требования снижают эффективность счета, причем иногда существенно. Образование осадка или двухфазной несмешивающейся жидкой системы, наличие образцов биологических тканей или фильтровальных материалов -- все эти факторы снижают эффективность счета. То же самое касается добавок многих химических веществ: кислот, щелочей, концентрированных растворов сахаров, солей, мочевины и многое другое. Особенно это касается измерений трития, где разница в эффективности счета для гомогенного, почти идеального, образца и образца, нанесенного на хроматографический сорбент, может быть в 10ч30 раз и даже больше. Это необходимо учитывать, если при составлении баланса по активности вдруг куда-то исчезнет часть радиоактивного материала или откуда-то внезапно появится "лишнее".

Составы сцинтилляторов весьма разнообразны и фирмы, производящие сцинтилляционные коктейли, часто не раскрывают их состав. Классический (едва ли не самым первый) жидкий сцинтиллятор -- это толуольный раствор 2,5-дифенилоксазола (РРО) с добавкой 1,4-ди--бензола (РОРОР). Состав: 4 г РРО и 0,2 г РОРОР на 1 л толуола. Не вдаваясь в подробности, следует подчеркнуть, что это -- неводная система, а водные растворы считать в таком сцинтилляторе не принято. Для измерения водных проб к такому сцинтиллятору добавляют тритон Х-100 до 30% по объему.

Другим вариантом "водолюбивого" сцинтиллятора является диоксановый: 60 г нафталина, 4 г РРО, 0,2 г РОРОР, 200 мл спирта и до 1 л диоксан марки "сцинтиляционный". Впрочем, большинство исследователей сегодня успешно пользуются готовыми фирменными коктейлями, справедливо не задумываясь над их составом.

Важными источниками ошибок для жидкостного сцинтилляционного счета являются "засветка" сцинтилляционной жидкости и электризация счетных флаконов. Оба эффекта легко нейтрализуются во времени (не спешите сразу считать, дайте пробам постоять в темном пространстве прибора несколько минут), кроме того, электризация почему-то чаще проявляется на стеклянных флаконах, и реже -- на одноразовых пластиковых.

Внедрение в технологию биоскрининга радиометрических методов анализа подвигло разработчиков на создание высокопроизводительных сцинтилляционных счетчиков для измерения активности в планшетах. Для радиоактивных изотопов фосфора прибор используется в модификации с внешним твердым сцинтиллятором, который и является детектором. Для трития твердый сцинтиллятор добавляют прямо в лунку планшета в виде специальных бусинок и, так как эти бусинки являются одновременно компонентом биохимической реакции, то связанный с "бусами" меченый тритием лиганд считается сцинтиллятором, а не связанный, находящийся в растворе, -- не считается. С радиохимической точки зрения эффективность счета в таких измерениях очень низкая, но для биоскрининга важно относительное распределение меченых соединений в системе "связанный-несвязанный", а высокая производительность и простота операций оправдывают колоссальные затраты на реализацию таких методов.

Сцинтилляционный счетчик состоит из таких двух составляющих, как сцинтиллятор (фосфор) и умножитель фотоэлектронного типа. В базовой комплектации к данному счетчику производители добавили источник для электрического питания и радиотехническую аппаратуру, обеспечивающую усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Довольно часто сочетание всех элементов данной системы осуществляется с помощью оптической системы - светопровода. Далее в статье рассмотрим принцип действия сцинтилляционного счетчика.

Особенности работы

Устройство сцинтилляционного счетчика довольно непростое, поэтому данной теме необходимо уделить больше внимания. Суть работы данного аппарата заключается в следующем.

В прибор поступает заряженная частица, вследствие этого происходит возбуждение всех молекул. Данные объекты спустя определенный промежуток времени успокаиваются, и в этом процессе они выпускают так называемые фотоны. Весь этот процесс необходим для того, чтобы произошла Определенные фотоны проходят на фотокатод. Этот процесс необходим для появления фотоэлектронов.

Фотоэлектроны фокусируются и поступают на первоначальный электрод. Данное действие происходит по причине работы так называемого ФЭУ. В последующем действии число этих самых электронов увеличивается в несколько раз, чему способствует электронная эмиссия. В результате появляется напряжение. Далее оно лишь увеличивает свое непосредственное действие. Продолжительность импульса и его амплитуда при выходе определяются характерными свойствами.

Что применяется вместо фосфора?

В данном аппарате придумали замещение такого элемента, как фосфор. Как правило, производители используют:

• кристаллы органического типа;
• сцинтилляторы из жидкости, которые также должны быть органического типа;
• твердые сцинтилляторы, которые произведены из пластмассы;
• сцинтилляторы из газа.

Взглянув на данные замещения фосфора, можно увидеть, что производители в большинстве случаев используют исключительно органические вещества.

Главная характеристика

Пришло время поговорить о главной характеристике сцинтилляционных счетчиков. В первую очередь необходимо отметить выход света, излучение, его так называемый спектральный состав и саму длительность сцинтилляции.

В процессе прохождения через сцинтиллятор различных заряженных частиц производится определенное число фотонов, которые несут тут или иную энергию. Довольно немаленькая часть произведенных фотонов будет поглощена и уничтожена в самом резервуаре. Вместо фотонов, которые были поглощены, произведутся иные виды частиц, которые будут представлять энергию несколько меньшего характера. В результате всего этого действия будут появляться фотоны, свойства которых характерны исключительно для сцинтиллятора.

Световой выход

Далее рассмотрим сцинтилляционный счетчик и принцип его действия. Теперь уделим внимание выходу света. Данный процесс также имеет название эффективность конверсионного типа. Выход света - это так называемое отношение энергии, которая выходит наружу, к величине энергии заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе.

В данном действии среднее число фотонов выходит исключительно наружу. Это также называется энергией среднего характера фотонов. Каждая из присутствующих в приборе частиц выводит наружу не моноэнергетику, а лишь спектр сплошной полосой. Ведь именно он является характерным для данного типа работы.

Необходимо уделить внимание самому важному, ведь данный спектр фотонов самостоятельно выходит из известного нам сцинтиллятора. Важно, чтобы он совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ. Данное перекрытие элементов сцинтиллятора с другой характеристикой определяется исключительно за счет согласованного производителями коэффициента.

В этом коэффициенте спектр наружного типа или же спектр наших фотонов выходит во внешнюю среду данного прибора. На сегодняшний день существует такое понятие, как «сцинтилляционная эффективность». Она представляет собой сравнение прибора с другими данными ФЭУ.

Данное понятие объединяет в себе несколько аспектов:

• Эффективность берет во внимание число наших фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энергии. Также этим показателем учитывается чувствительность прибора к фотонам.
• Эффективность данной работы, как правило, оценивается за счет сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, который принят за эталон.

Различные изменения сцинтилляции

Принцип действия сцинтилляционного счетчика также состоит из следующего не менее важного аспекта. Сцинтилляция может быть подвергнута тем или иным изменениям. Они рассчитываются по специальному закону.

В нем I 0 обозначает максимальный показатель интенсивности рассматриваемой нами сцинтилляции. Что же касается показателя t 0 - то это постоянная величина и обозначает она время так называемого затухания. Это затухание показывает время, в течение которого интенсивность уменьшается в своем показателе в определенные (е) разы.

Также необходимо уделить внимание числу так называемых фотонов. Оно в нашем законе обозначается буквой n.

Полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции. Эти фотоны испускаются в определенное время и регистрируются в приборе.

Процессы работы фосфора

Как мы уже писали ранее, сцинтилляционные счетчики действуют на основе работы такого элемента, как фосфор. В данном элементе осуществляется процесс так называемой люминесценции. И он делится на несколько видов:

• Первый вид представляет собой флуоресценцию.
• Второй вид - это фосфоресценция.

Эти два вида отличаются, прежде всего, за счет времени. Когда так называемое высвечивание происходит в слиянии с другим процессом или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек - это первый вид процесса. Что же касается второго типа, то тут интервал времени несколько больше предыдущего типа. Данное расхождение по времени возникает по той причине, что данный интервал соответствует жизни атома в неспокойном состоянии.

В общей сложности длительность первого процесса совершенно не зависит от показателя неспокойствия того или иного атома, но что касается выхода данного процесса, то на это влияет именно возбудительность данного элемента. Стоит также отметить тот факт, что в случае с неспокойствием определенных кристаллов скорость так называемого выхода несколько меньше, нежели при фотовозбуждении.

Что представляет собой фосфоресценция?

Достоинства сцинтилляционного счетчика включают в себя процесс фосфоресценции. Под данным понятием большинство людей понимают лишь люминесценцию. Поэтому рассмотрим данные особенности на основе этого процесса. Данный процесс - это так называемое продолжение процесса после завершения того или иного типа работы. Фосфоресценция кристаллофосфоров возникает при рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении. В определенных объектах фосфора совершенно невозможно осуществить замедление процесса, так как электроны и их дырки попадают в так называемые ловушки. Из этих самых ловушек они могут освободиться самостоятельным образом, но для этого им, как и другим веществам, необходимо получить дополнительный запас энергии.

В связи с этим длительность процесса также имеет зависимость от той или иной температуры. Если в процессе принимают участие и другие молекулы органического характера, то процесс фосфоресценции происходит лишь в случае пребывания их в метастабильном состоянии. А перейти в нормальное состояние эти молекулы не могут. Лишь в таком случае мы можем увидеть зависимость данного процесса от скорости и от самой температуры.

Особенности счетчиков

Имеет сцинтилляционный счетчик достоинства и недостатки, которые мы рассмотрим в этом разделе. В первую очередь опишем достоинства прибора, ведь их достаточно много.

Специалисты выделяют довольно высокий показатель временной способности. По времени один импульс, который издает данный прибор, не превышает десяти секунд. Но это в том случае, если используются определенные приборы. Данный счетчик имеет этот показатель в несколько раз меньше, чем другие его аналоги с разрядом самостоятельного характера. Это отлично способствует его применению, ведь скорость счета увеличивается в несколько раз.

Следующим положительным качеством данных является довольно мелкий показатель опаздывающего импульса. Но такой процесс осуществляется лишь после того, как частицы пройдут период регистрации. Это также позволяет сэкономить непосредственно время подачи импульса данного вида прибора.

Также сцинтилляционные счетчики имеют довольно высокий уровень регистрации тех или иных частиц, к которым относятся нейроны и их лучи. Для того чтобы увеличить уровень регистрации, обязательно необходимо, чтобы именно эти частицы вступили в реакцию с так называемыми детекторами.

Изготовление аппаратов

Кто изобрел сцинтилляционный счетчик? Сделал это немецкий физик Кальман Хартмут Пауль в 1947 году, а 1948-м ученый изобрел нейтронную радиографию. Принцип работы сцинтилляционного счетчика позволяет выпускать его довольно большого размера. Это способствует тому, что можно осуществлять так называемый герметический анализ довольно большого потока энергии, к которой относятся ультрафиолетовые лучи.

Также можно ввести в состав прибора определенные вещества, с которыми довольно хорошо могут взаимодействовать нейтроны. Что, безусловно, имеет свои непосредственные положительные качества в изготовлении и будущем применении счетчика данного характера.

Вид конструкции

Частицы сцинтилляционного счетчика обеспечивают его качественную работу. Потребители предъявляют следующие требования к работе устройства:

• на так называемом фотокатоде идет самый лучший показатель сбора света;
• по этому фотокатоду идет распределение света исключительно равномерного типа;
• ненужные частицы в приборе подвергаются затемнению;
• магнитные поля не несут абсолютно никакого влияния на весь несущий процесс;
• коэффициент в данном случае является стабильным.

Недостатки сцинтилляционный счетчик имеет самые минимальные. При осуществлении работы необходимо обязательно добиться того, чтобы амплитуда сигнальных типов импульсов соответствовала другим видам амплитуд.

Упаковка счетчика

Зачастую сцинтилляционный счетчик упаковывают в металлический контейнер, в котором с одной стороны имеется стекло. Кроме того, между самим контейнером и сцинтиллятором размещается слой специального материала , который не дает поступать ультрафиолетовым лучам и теплу. Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковывать в герметичные контейнеры, однако все твердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно. Очень важно уделять внимание упаковке данного прибора.

Преимущества счетчиков

Преимущества сцинтилляционного счетчика состоят в следующих аспектах:

• Чувствительность данного прибора всегда на самом высоком уровне, а от этого напрямую зависит и его непосредственная эффективность.
• Способности прибора включают в себя широкий спектр услуг.
• Способности по различию тех или иных частиц используют только информацию об их энергии.

Именно за счет вышеприведенных показателей данный вид счетчика обошел всех своих конкурентов и по праву стал самым лучшим прибором в своем роде.

Стоит также отметить, что к его недостаткам относится чувствительное восприятие изменения той или иной температуры, а также условий окружающей среды.