Das Grundgerät eines Szintillationszählers ist recht einfach. Ein radioaktives Teilchen trifft auf den Szintillator, wodurch seine Moleküle in einen angeregten Zustand übergehen. Danach ihre Rückkehr zur Hauptsache Energiezustand begleitet von der Emission eines Photons, das vom Detektor registriert wird. Somit ist die Anzahl der Blitze (Szintillationen) proportional zur Anzahl der absorbierten radioaktiven Teilchen. Gemessene Intensität Photonenstrahlung dann in die Strahlungsintensität radioaktiver Teilchen umgerechnet.

Szintillationszähler sind eine Alternative zu Geräten mit Geiger-Müller-Zählwerk, wobei sie gegenüber letzteren einige wesentliche Vorteile aufweisen. Die Effizienz der Registrierung von Gammastrahlung mit ihrer Hilfe erreicht 100%. Dies ist jedoch nicht das Wichtigste. Die Hauptsache ist, dass Sie mit ihrer Hilfe Beta- und sogar Alphastrahlung registrieren können. Bekanntlich werden Alpha-Teilchen, ausgedrückt durch Kernphysik, sind schwer, ihre Reichweite selbst in der Luft beträgt nur Zentimeter, und ein Blatt Normalpapier, das ihnen in den Weg gelegt wird, wird sie vollständig absorbieren. Die Registrierung solcher Partikel mit Hilfe einer Gasentladungsröhre kommt natürlich nicht in Frage, diese Partikel können einfach nicht durch deren Wände dringen. Flüssigszintillationszähler, Flüssigszintillatorgeräte, kommen zur Rettung. Die radioaktive Probe wird in die Küvette mit der Szintillatorlösung eingebracht und dann in den Zähler eingebaut. In einer solchen Situation kollidiert ein radioaktives Teilchen, das das zu untersuchende Molekül der Probe verlässt, sofort mit den es umgebenden Szintillatormolekülen und dann mit allem, was oben beschrieben wurde.

Szintillationszähler sind in der Medizin und Strahlenbiologie weit verbreitet. Am beliebtesten auf der ganzen Welt sind Geräte der amerikanischen Hersteller Beckman Coulter und Perkin Elmer.

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- Wie ein Szintillationszähler funktioniert

- Szintillatoren

- Photomultiplier

- Designs von Szintillationszählern

- Eigenschaften von Szintillationszählern

- Beispiele für die Verwendung von Szintillationszählern

- Verzeichnis der verwendeten Literatur

SZINTILLATIONSZÄHLER

Die Methode zum Nachweis geladener Teilchen durch Zählen von Lichtblitzen, die entstehen, wenn diese Teilchen auf einen Zinksulfid (ZnS)-Schirm treffen, ist eine der ersten Methoden zum Nachweis von Kernstrahlung.

Bereits 1903 zeigten Crookes und andere, dass man bei Betrachtung eines mit a-Teilchen bestrahlten Zinksulfidschirms durch eine Lupe in einem dunklen Raum das Auftreten einzelner kurzzeitiger Lichtblitze - Szintillationen - wahrnehmen kann. Es wurde festgestellt, dass jede dieser Szintillationen durch ein separates a-Teilchen erzeugt wird, das auf den Bildschirm trifft. Crookes baute ein einfaches Gerät namens Crookes Spinthariskop, das zum Zählen von a-Teilchen entwickelt wurde.

Die visuelle Szintillationsmethode wurde später hauptsächlich zum Nachweis von a-Teilchen und Protonen mit einer Energie von mehreren Millionen Elektronenvolt verwendet. Einzelne schnelle Elektronen konnten nicht registriert werden, da sie sehr schwache Szintillationen verursachen. Wenn ein Zinksulfidschirm mit Elektronen bestrahlt wurde, war es manchmal möglich, Blitze zu beobachten, aber dies geschah nur, wenn es genug war große Nummer Elektronen.

Gammastrahlen verursachen keine Blitze auf dem Bildschirm, sondern erzeugen nur ein allgemeines Leuchten. Damit ist es möglich, a-Teilchen in Gegenwart starker g-Strahlung nachzuweisen.

Die visuelle Szintillationsmethode ermöglicht es, eine sehr kleine Anzahl von Teilchen pro Zeiteinheit zu registrieren. Beste Bedingungen beim Zählen entstehen Szintillationen, wenn ihre Zahl zwischen 20 und 40 pro Minute liegt. Natürlich ist das Szintillationsverfahren subjektiv, und die Ergebnisse hängen bis zu einem gewissen Grad davon ab individuelle Qualitäten Experimentator.

Trotz ihrer Mängel spielte die visuelle Szintillationsmethode eine Rolle große Rolle in der Entwicklung der Kern- und Atomphysik. Rutherford benutzte es, um a-Teilchen zu registrieren, wenn sie an Atomen gestreut wurden. Es waren diese Experimente, die Rutherford zur Entdeckung des Kerns führten. Mit der visuellen Methode war es erstmals möglich, schnelle Protonen nachzuweisen, die beim Beschuss mit a-Teilchen aus Stickstoffkernen herausgeschlagen wurden, d.h. erste künstliche Spaltung des Kerns.

Das visuelle Szintillationsverfahren hatte sehr wichtig bis in die dreißiger Jahre, als ihn das Aufkommen neuer Methoden zur Aufzeichnung nuklearer Strahlung für einige Zeit vergessen machte. Das Szintwurde Ende der vierziger Jahre des 20. Jahrhunderts wiederbelebt neue Grundlage. Zu diesem Zeitpunkt waren Photomultiplier-Röhren (PMTs) entwickelt worden, die es ermöglichten, sehr schwache Lichtblitze zu registrieren. Es wurden Szintillationszähler geschaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Zählrate um das 108-fache oder noch mehr im Vergleich zu erhöhen visuelle Methode, und es ist auch möglich, sowohl geladene Teilchen als auch Neutronen und g-Strahlen zu registrieren und energetisch zu analysieren.

§ 1. Das Funktionsprinzip des Szintillationszählers

Ein Szintillationszähler ist eine Kombination aus einem Szintillator (Phosphor) und einem Photomultiplier (PMT). Das Zähler-Kit enthält auch eine PMT-Stromversorgung und eine Funkausrüstung, die eine Verstärkung und Registrierung von PMT-Impulsen ermöglicht. Manchmal wird die Kombination von Phosphor mit PMT durch ein spezielles Verfahren hergestellt optisches System(Lichtleiter).

Das Funktionsprinzip des Szintillationszählers ist wie folgt. Ein geladenes Teilchen, das in den Szintillator eintritt, erzeugt eine Ionisation und Anregung seiner Moleküle, die nach einer sehr eine kurze Zeit (10-6- 10-9 Sek ) durch Emission von Photonen in einen stabilen Zustand übergehen. Es gibt einen Lichtblitz (Szintillation). Einige der Photonen treffen auf die PMT-Photokathode und schlagen daraus Photoelektronen heraus. Letztere werden unter Einwirkung der an den PMT angelegten Spannung fokussiert und auf die erste Elektrode (Dynode) des Elektronenvervielfachers gerichtet. Als Ergebnis der Sekundärelektronenemission steigt die Anzahl der Elektronen wie eine Lawine an, und am PMT-Ausgang erscheint ein Spannungsimpuls, der dann verstärkt und von Funkgeräten aufgezeichnet wird.

Die Amplitude und Dauer des Ausgangsimpulses werden durch die Eigenschaften sowohl des Szintillators als auch des PMT bestimmt.

Als Phosphor werden verwendet:

organische Kristalle,

Flüssige organische Szintillatoren,

Hartplastik-Szintillatoren,

Gas-Szintillatoren.

Die Haupteigenschaften von Szintillatoren sind: Lichtleistung, spektrale Zusammensetzung Strahlung und Dauer der Szintillationen.

Wenn ein geladenes Teilchen einen Szintillator passiert, entsteht darin eine bestimmte Anzahl von Photonen mit der einen oder anderen Energie. Einige dieser Photonen werden im Volumen des Szintillators selbst absorbiert und andere Photonen mit etwas geringerer Energie werden stattdessen emittiert. Als Ergebnis von Reabsorptionsprozessen werden Photonen herauskommen, deren Spektrum für einen bestimmten Szintillator charakteristisch ist.

Die Lichtleistung oder Konversionseffizienz des Szintillators c ist das Verhältnis der Lichtblitzenergie , nach draußen gehen, auf die Menge an Energie E im Szintillator verlorenes geladenes Teilchen

wo - die durchschnittliche Anzahl der ausgehenden Photonen, - durchschnittliche Energie Photonen. Jeder Szintillator emittiert keine monoenergetischen Quanten, sondern ein für diesen Szintillator charakteristisches kontinuierliches Spektrum.

Es ist sehr wichtig, dass das Spektrum der aus dem Szintillator austretenden Photonen mit der spektralen Charakteristik des Photomultipliers übereinstimmt oder zumindest teilweise überlappt.

Der Grad der Überlappung des äußeren Szintillationsspektrums mit der spektralen Antwort. dieser PMT wird durch den Anpassungskoeffizienten bestimmt

wo ist das externe Spektrum des Szintillators oder das Spektrum der Photonen, die aus dem Szintillator kommen. In der Praxis wird beim Vergleich von Szintillatoren in Kombination mit PMT-Daten das Konzept der Szintillationseffizienz eingeführt, das durch den folgenden Ausdruck bestimmt wird:

wo ich 0 - Maximalwert der Szintillationsintensität; t - Abklingzeitkonstante, definiert als die Zeit, in der die Szintillationsintensität abnimmt e einmal.

Anzahl der Lichtphotonen n , im Laufe der Zeit emittiert t nach dem Auftreffen des detektierten Teilchens wird durch die Formel ausgedrückt

wo - Gesamtzahl Photonen, die während des Szintillationsprozesses emittiert werden.

Die Prozesse der Lumineszenz (Glühen) von Phosphor werden in zwei Arten unterteilt: Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Wenn das Blinken direkt während der Erregung oder während einer Zeitspanne in der Größenordnung von 10-8 auftritt Sek, Den Vorgang nennt man Fluoreszenz. Intervall 10-8 Sek gewählt, weil sie größenordnungsmäßig der Lebensdauer eines Atoms im angeregten Zustand für die sogenannten erlaubten Übergänge entspricht.

Obwohl Spektren und Dauer der Fluoreszenz nicht von der Art der Anregung abhängen, hängt die Fluoreszenzausbeute wesentlich davon ab. Wenn also ein Kristall durch a-Teilchen angeregt wird, ist die Fluoreszenzausbeute fast eine Größenordnung geringer als bei einer Lichtanregung.

Unter Phosphoreszenz versteht man Lumineszenz, die nach Beendigung der Anregung noch längere Zeit anhält. Aber der Hauptunterschied zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz ist nicht die Dauer des Nachleuchtens. Die Phosphoreszenz von Kristallleuchtstoffen entsteht durch die Rekombination von Elektronen und Löchern, die während der Anregung entstanden sind. Bei einigen Kristallen kann das Nachleuchten verlängert werden, da Elektronen und Löcher von "Fallen" eingefangen werden, aus denen sie erst nach Erhalt zusätzlicher Energie freigesetzt werden können. die nötige Energie. Somit ist die Abhängigkeit der Phosphoreszenzdauer von der Temperatur offensichtlich. Bei Komplex organische Moleküle Phosphoreszenz ist mit ihrem Vorhandensein in einem metastabilen Zustand verbunden, wobei die Wahrscheinlichkeit des Übergangs von diesem in den Grundzustand gering sein kann. Und in diesem Fall wird die Abhängigkeit der Abklingrate der Phosphoreszenz von der Temperatur beobachtet.

§ 2. Szintillatoren

Anorganische Szintillatoren . Anorganische Szintillatoren sind Kristalle anorganische Salze. Praktischer Nutzen in der Szintillationstechnik weisen hauptsächlich einige Halogenverbindungen auf Alkali Metalle.

Der Prozess der Szintillationsbildung kann mit dargestellt werden Zonentheorie Festkörper. In einem separaten Atom, das nicht mit anderen interagiert, befinden sich Elektronen auf einem wohldefinierten diskreten Atom Energieniveaus. In einem Festkörper sind die Atome nahe beieinander und ihre Wechselwirkung ist ziemlich stark. Dank dieser Interaktion werden die Ebenen von extern Elektronenhüllen aufspalten und Zonen bilden, die durch Bandlücken voneinander getrennt sind. Das äußerste erlaubte, mit Elektronen gefüllte Band ist das Valenzband. Darüber befindet sich eine freie Zone - das Leitungsband. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband befindet sich eine Bandlücke, deren Energiebreite mehrere Elektronenvolt beträgt.

Enthält der Kristall irgendwelche Defekte, Gitterstörungen oder Fremdatome, so ist in diesem Fall das Auftreten von in der Bandlücke liegenden energieelektronischen Niveaus möglich. Unter äußerer Einwirkung, beispielsweise wenn ein schnell geladenes Teilchen einen Kristall passiert, können Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gelangen. Bleibt im Valenzband Stellenangebote, die die Eigenschaften von positiv geladenen Teilchen mit Einheitsladung haben und Löcher genannt werden.

Der beschriebene Vorgang ist der Vorgang der Anregung des Kristalls. Durch den umgekehrten Übergang von Elektronen aus dem Leitungsband in das Valenzband wird die Anregung aufgehoben und es erfolgt die Empfehlung von Elektronen und Löchern. In vielen Kristallen erfolgt der Übergang eines Elektrons vom Leitungsband in das Valenzband durch zwischengeschaltete Lumineszenzzentren, deren Niveaus in der Bandlücke liegen. Diese Zentren sind auf das Vorhandensein von Defekten oder Fremdatomen im Kristall zurückzuführen. Beim Übergang von Elektronen in zwei Stufen werden Photonen mit einer Energie emittiert, die kleiner als die Bandlücke ist. Für solche Photonen ist die Absorptionswahrscheinlichkeit im Kristall selbst gering, und daher ist die Lichtausbeute dafür viel größer als für einen reinen, undotierten Kristall.

In der Praxis werden zur Erhöhung der Lichtleistung anorganischer Szintillatoren spezielle Verunreinigungen anderer Elemente, Aktivatoren genannt, eingeführt. Beispielsweise wird Thallium als Aktivator in einen Natriumjodidkristall eingebracht. Der auf dem NaJ(Tl)-Kristall basierende Szintillator hat eine hohe Lichtausbeute. Der NaJ(Tl)-Szintillator hat deutliche Vorteile gegenüber gasgefüllten Zählern:

grössere Effizienz Registrierung von g-Strahlen (bei großen Kristallen kann die Registrierungseffizienz mehrere zehn Prozent erreichen);

kurze Szintillationsdauer (2,5 · 10-7 Sek.);

lineare Verbindung zwischen der Amplitude des Impulses und der Energiemenge, die das geladene Teilchen verliert.

Die letzte Eigenschaft bedarf einer Erklärung. Die Lichtleistung des Szintillators hängt in gewisser Weise vom spezifischen Energieverlust eines geladenen Teilchens ab.

Bei sehr große Mengen erhebliche Verstöße sind möglich. Kristallgitter Szintillator, die zum Auftreten lokaler Löschzentren führen. Dieser Umstand kann zu einer relativen Abnahme der Lichtleistung führen. Tatsächlich weisen die experimentellen Fakten darauf hin, dass die Ausbeute für schwere Teilchen nichtlinear ist, und lineare Abhängigkeit beginnt sich erst mit einer Energie von mehreren Millionen Elektronenvolt zu manifestieren. Abbildung 1 zeigt die Abhängigkeitskurven E: Kurve 1 für Elektronen, Kurve 2 für a-Teilchen.

Neben den angegebenen Alkalihalogenid-Szintillatoren werden manchmal auch andere anorganische Kristalle verwendet: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4 usw.

Organische kristalline Szintillatoren. Molekulare Bindungskräfte in organischen Kristallen sind klein im Vergleich zu den Kräften, die in anorganischen Kristallen wirken. Daher stören die wechselwirkenden Moleküle die Energie praktisch nicht elektronische Wasserwaagen einander und der Prozess der Lumineszenz eines organischen Kristalls ist ein Prozess, der für einzelne Moleküle charakteristisch ist. Im elektronischen Grundzustand hat das Molekül mehrere Schwingungsebenen. Unter dem Einfluss der detektierten Strahlung geht das Molekül in einen angeregten über elektronischer Zustand, was auch mehreren Schwingungsebenen entspricht. Ionisation und Dissoziation von Molekülen sind ebenfalls möglich. Als Ergebnis der Rekombination eines ionisierten Moleküls wird es normalerweise in einem angeregten Zustand gebildet. Anfänglich angeregtes Molekül kann eingeschaltet sein hohe Levels Aufregung und nach kurzer Zeit (~10-11 Sek) sendet ein hochenergetisches Photon aus. Dieses Photon wird von einem anderen Molekül absorbiert, und ein Teil der Anregungsenergie dieses Moleküls kann aufgewendet werden thermische Bewegung und das anschließend emittierte Photon hat eine niedrigere Energie als das vorherige. Nach mehreren Emissions- und Absorptionszyklen werden Moleküle gebildet, die sich auf dem ersten angeregten Niveau befinden; Sie senden Photonen aus, deren Energie möglicherweise bereits nicht ausreicht, um andere Moleküle anzuregen, und somit wird der Kristall für die austretende Strahlung transparent.

Reis. 2. Abhängigkeit der Lichtleistung

Anthracen von Energie zu verschiedenen Teilchen.

Dank an Großer Teil die Anregungsenergie wird für thermische Bewegung aufgewendet, die Lichtausbeute (Umwandlungseffizienz) des Kristalls ist relativ gering und beträgt wenige Prozent.

Für die Registrierung nuklearer Strahlung werden am häufigsten folgende organische Kristalle verwendet: Anthracen, Stilben, Naphthalin. Anthracen hat eine ziemlich hohe Lichtausbeute (~4%) und eine kurze Leuchtdauer (3 · 10-8 Sek.). Bei der Registrierung schwerer geladener Teilchen wird jedoch nur mit ziemlicher Wahrscheinlichkeit eine lineare Abhängigkeit der Szintillationsintensität beobachtet hohe Energien Partikel.

Auf Abb. Abbildung 2 zeigt die Graphen der Abhängigkeit der Lichtleistung c (in willkürlichen Einheiten) von der Energie der Elektronen 1, Protonen 2 , Deuteronen 3 und a-Teilchen 4 .

Stilben hat zwar eine etwas geringere Lichtausbeute als Anthracen, aber die Szintillationsdauer ist viel kürzer (7 10-9 Sek.), als Anthracen, was es ermöglicht, es in Experimenten zu verwenden, bei denen eine Registrierung sehr intensiver Strahlung erforderlich ist.

Kunststoff-Szintillatoren. Plastikszintillatoren sind feste Lösungen fluoreszierender organischer Verbindungen in einer geeigneten transparenten Substanz. Beispielsweise Lösungen von Anthracen oder Stilben in Polystyrol oder Plexiglas. Die Konzentrationen des gelösten fluoreszierenden Stoffes sind in der Regel gering, wenige Zehntelprozent oder wenige Prozent.

Da viel mehr Lösungsmittel als der gelöste Szintillator vorhanden ist, erzeugt das registrierte Teilchen natürlich hauptsächlich die Anregung der Lösungsmittelmoleküle. Die Anregungsenergie wird anschließend auf die Szintillatormoleküle übertragen. Offensichtlich muss das Emissionsspektrum des Lösungsmittels härter sein als das Absorptionsspektrum des gelösten Stoffs, oder wenigstens stimme mit ihm überein. Experimentelle Fakten zeigen, dass die Anregungsenergie des Lösungsmittels aufgrund des Photonenmechanismus auf die Szintillatormoleküle übertragen wird, d. h. die Lösungsmittelmoleküle emittieren Photonen, die dann von den gelösten Molekülen absorbiert werden. Ein anderer Mechanismus zur Energieübertragung ist ebenfalls möglich. Da die Konzentration des Szintillators gering ist, ist die Lösung für die entstehende Szintillatorstrahlung praktisch transparent.

Kunststoffszintillatoren haben gegenüber organischen kristallinen Szintillatoren erhebliche Vorteile:

Die Fähigkeit, Szintillatoren herzustellen, ist sehr groß große Größen;

Die Möglichkeit, Spektrummischer in den Szintillator einzuführen, um eine bessere Anpassung seines Lumineszenzspektrums an die spektrale Charakteristik der Photokathode zu erreichen;

Möglichkeit der Einführung in den Szintillator verschiedene Substanzen erforderlich in speziellen Experimenten (z. B. bei der Untersuchung von Neutronen);

Möglichkeit der Verwendung von Kunststoffszintillatoren im Vakuum;

kurze Glühzeit (~3 10-9 Sek.). Kunststoffszintillatoren, die durch Auflösen von Anthracen in Polystyrol hergestellt werden, haben die höchste Lichtausbeute. Auch eine Lösung von Stilben in Polystyrol hat gute Eigenschaften.

Flüssige organische Szintillatoren. Flüssige organische Szintillatoren sind Lösungen von organischen Szintillatoren in einigen flüssigen organischen Lösungsmitteln.

Der Mechanismus der Fluoreszenz in flüssigen Szintillatoren ähnelt dem Mechanismus, der in Szintillatoren aus festen Lösungen auftritt.

Xylol, Toluol und Phenylcyclohexan stellten sich als die am besten geeigneten Lösungsmittel heraus, während p-Terphenyl, Diphenyloxazol und Tetraphenylbutadien sich als die am besten geeigneten Lösungsmittel herausstellten.Der durch Auflösen hergestellte Szintillator

p-Terphenyl in Xylol bei einer gelösten Konzentration von 5 g/l.

Die Hauptvorteile von Flüssigszintillatoren:

Möglichkeit zur Herstellung großer Mengen;

Möglichkeit der Einbringung der bei speziellen Experimenten notwendigen Substanzen in den Szintillator;

Kurze Blitzdauer ( ~3 10-9Sek.).

Gas-Szintillatoren. Wenn geladene Teilchen verschiedene Gase passieren, wurde bei ihnen das Auftreten von Szintillationen beobachtet. Die schweren Edelgase (Xenon und Krypton) haben die höchste Lichtausbeute. Auch eine Mischung aus Xenon und Helium hat eine hohe Lichtausbeute. Das Vorhandensein von 10 % Xenon in Helium sorgt für eine Lichtausbeute, die sogar größer ist als die von reinem Xenon (Abb. 3). Vernachlässigbar kleine Verunreinigungen anderer Gase reduzieren die Intensität von Szintillationen in Edelgasen stark.

Reis. 3. Abhängigkeit von der Lichtleistung des Gases

Szintillator auf das Verhältnis der Mischung aus Helium und Xenon.

Es wurde experimentell gezeigt, dass die Blitzdauer in Edelgasen kurz ist (10-9 -10-8 Sek.), und die Intensität der Blitze ein große Auswahl ist proportional zur verlorenen Energie registrierter Teilchen und hängt nicht von deren Masse und Ladung ab. Gasszintillatoren haben eine geringe Empfindlichkeit gegenüber g-Strahlung.

Der Hauptteil des Lumineszenzspektrums liegt im fernen Ultraviolettbereich, daher werden Lichtkonverter verwendet, um die spektrale Empfindlichkeit des Photomultipliers anzupassen. Letztere sollten eine hohe Konversionsrate, optische Transparenz in dünnen Schichten, geringe Elastizität aufweisen gesättigte Dämpfe sowie mechanische und chemische Beständigkeit. Als Materialien für Lichtwandler sind verschiedene organische Verbindungen, Zum Beispiel:

Diphenylstilben (Umwandlungseffizienz etwa 1);

P1p'-Quaterphenyl (~1);

Anthracen (0,34) usw.

Auf der Fotokathode des Photomultipliers wird der Lichtkonverter in einer dünnen Schicht abgeschieden. Ein wichtiger Parameter eines Lichtkonverters ist seine Blitzzeit. Organische Konverter sind diesbezüglich recht zufriedenstellend (10-9 Sek oder mehrere Einheiten für 10-9 Sek.). Zur Erhöhung der Lichtsammlung werden die Innenwände der Szintillatorkammer üblicherweise mit Lichtreflektoren (MgO, Email auf Titanoxidbasis, Fluoroplast, Aluminiumoxid etc.) beschichtet.

§ 3. Photoelektronische Vervielfacher

Die Hauptelemente des PMT sind: Fotokathode, Fokussiersystem, Multiplikatorsystem (Dynoden), Anode (Kollektor). All diese Elemente befinden sich in einem auf Hochvakuum evakuierten Glasbehälter (10-6 mmHg.).

Für Zwecke der Kernstrahlungsspektrometrie befindet sich die Photokathode üblicherweise auf Innenfläche flacher Endteil des PMT-Behälters. Als Material der Fotokathode wird ein Stoff gewählt, der ausreichend empfindlich für das von den Szintillatoren emittierte Licht ist. Am weitesten verbreitet sind Antimon-Cäsium-Photokathoden, deren maximale spektrale Empfindlichkeit bei l = 3900¸4200 Å liegt, was den Maxima der Lumineszenzspektren vieler Szintillatoren entspricht.

Reis. 4. Schematische Darstellung des PMT.

Eine der Eigenschaften einer Photokathode ist ihre Quantenausbeute, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photoelektron von einem Photon ausgestoßen wird, das auf die Photokathode trifft. Der Wert von e kann 10-20% erreichen. Die Eigenschaften der Photokathode werden auch durch die integrale Empfindlichkeit charakterisiert, die das Verhältnis des Photostroms ist (mka) zu Vorfall auf der Photokathode Lichtstrom (lm).

Die Fotokathode wird als dünne durchscheinende Schicht auf Glas aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht ist signifikant. Einerseits muss sie für eine große Lichtabsorption erheblich sein, andererseits können die austretenden Photoelektronen, die eine sehr niedrige Energie haben, die dicke Schicht nicht verlassen und die effektive Quantenausbeute kann ausfallen klein sein. Daher wird die optimale Dicke der Photokathode ausgewählt. Außerdem ist auf eine gleichmäßige Dicke der Photokathode zu achten, damit deren Empfindlichkeit über die gesamte Fläche gleich ist. Bei der Szintillations-g-Spektrometrie ist es oft notwendig, große feste Szintillatoren sowohl in der Dicke als auch im Durchmesser zu verwenden. Daher wird es notwendig, Photomultiplier mit großen Photokathodendurchmessern herzustellen. In Haushalts-Photomultipliern werden Photokathoden mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern bis 15¸20 hergestellt cm. Aus der Photokathode herausgeschlagene Photoelektronen müssen auf die erste Multiplikatorelektrode fokussiert werden. Zu diesem Zweck wird ein elektrostatisches Linsensystem verwendet, das aus einer Reihe von Fokussierblenden besteht. Um gute zeitliche Eigenschaften des PMT zu erhalten, ist es wichtig, ein solches Fokussiersystem zu schaffen, dass die Elektronen mit einer minimalen Zeitstreuung auf die erste Dynode treffen. Figur 4 zeigt eine schematische Anordnung eines Photomultipliers. Die den PMT versorgende Hochspannung wird mit negativem Pol an die Kathode angeschlossen und auf alle Elektroden verteilt. Die Potentialdifferenz zwischen der Kathode und dem Diaphragma sorgt für die Fokussierung von Photoelektronen auf die erste Vervielfachungselektrode. Multiplizierende Elektroden werden als Dynoden bezeichnet. Dynoden werden aus Materialien hergestellt, deren Sekundäremissionskoeffizient größer als Eins ist (s > 1). In Haushalts-PMTs werden Dynoden entweder in Form einer Trogform (Abb. 4) oder in Form von Jalousien hergestellt. In beiden Fällen sind die Dynoden in einer Linie angeordnet. Auch eine ringförmige Anordnung von Dynoden ist möglich. PMTs mit einem ringförmigen Dynodensystem haben die besten Zeiteigenschaften. Die emittierende Schicht von Dynoden ist eine Schicht aus Antimon und Cäsium oder eine Schicht aus speziellen Legierungen. Höchster Wert s für Antimon-Cäsium-Emitter wird bei einer Elektronenenergie von 350¸400 erreicht ev, und für Legierungsemitter - bei 500¸550 ev. Im ersten Fall s= 12¸14, im zweiten s=7¸10. In PMT-Betriebsarten ist der Wert von s etwas kleiner. Ein ziemlich guter Reemissionsfaktor ist s= 5.

Photoelektronen, die auf die erste Dynode fokussiert sind, schlagen daraus Sekundärelektronen heraus. Die Anzahl der Elektronen, die die erste Dynode verlassen, ist ein Vielfaches mehr Nummer Photoelektronen. Alle werden zur zweiten Dynode geschickt, wo auch Sekundärelektronen herausgeschlagen werden usw., von Dynode zu Dynode steigt die Anzahl der Elektronen um das s-fache.

Beim Durchlaufen des gesamten Dynodensystems steigt der Elektronenfluss um 5-7 Größenordnungen an und tritt in die Anode ein - die Sammelelektrode des PMT. Wenn der PMT im Strommodus arbeitet, enthält der Anodenschaltkreis Vorrichtungen, die den Strom verstärken und messen. Bei der Registrierung von Kernstrahlung ist es normalerweise erforderlich, die Anzahl der Impulse, die unter dem Einfluss ionisierender Teilchen entstehen, sowie die Amplitude dieser Impulse zu messen. In diesen Fällen ist im Anodenkreis ein Widerstand enthalten, an dem ein Spannungsimpuls auftritt.

Eine wichtige Eigenschaft PMT ist der Multiplikationsfaktor M. Wenn der Wert von s für alle Dynoden gleich ist (bei vollständiger Sammlung von Elektronen auf den Dynoden), und die Anzahl der Dynoden gleich ist n , dann

A und B sind Konstanten, u ist die Elektronenenergie. Multiplikations-Faktor M nicht gleich dem Koeffizienten Verstärkung M", der das Verhältnis des Stroms am PMT-Ausgang zum Strom, der die Kathode verlässt, charakterisiert

M" =CM,

wo Mit<1 - Elektronensammelkoeffizient, der die Effizienz der Photoelektronensammlung auf der ersten Dynode charakterisiert.

Es ist sehr wichtig, dass die Verstärkung konstant ist. M" PMT sowohl zeitlich als auch mit einer Änderung der Anzahl der aus der Photokathode austretenden Elektronen. Letzterer Umstand ermöglicht es, Szintillationszähler als Kernstrahlungsspektrometer zu verwenden.

Über Interferenzen in Photomultipliern. Bei Szintillationszählern können auch ohne äußere Einstrahlung am PMT-Ausgang eine große Anzahl von Impulsen erscheinen. Diese Impulse haben normalerweise kleine Amplituden und werden als Rauschimpulse bezeichnet. Die größte Anzahl von Rauschimpulsen ist auf das Auftreten von Thermoelektronen von der Photokathode oder sogar von den ersten Dynoden zurückzuführen. Kühlung wird häufig verwendet, um das PMT-Rauschen zu reduzieren. Bei der Registrierung von Strahlung, die Impulse mit großer Amplitude erzeugt, ist in der Aufzeichnungsschaltung ein Diskriminator enthalten, der keine Rauschimpulse überträgt.

Reis. 5. Schema für PMT-Rauschunterdrückung.

1. Bei der Registrierung von Impulsen, deren Amplitude mit Rauschen vergleichbar ist, ist es sinnvoll, einen Szintillator mit zwei PMTs zu verwenden, die in der Koinzidenzschaltung enthalten sind (Abb. 5). Dabei erfolgt eine zeitliche Auswahl von Pulsen, die von dem detektierten Partikel herrühren. Tatsächlich trifft ein Lichtblitz, der im Szintillator von einem registrierten Teilchen ausgeht, gleichzeitig auf die Fluorkathoden beider PMTs, und an ihrem Ausgang erscheinen gleichzeitig Impulse, die die Koinzidenzschaltung zum Arbeiten zwingen. Das Partikel wird registriert. Rauschimpulse in jedem der PMTs treten unabhängig voneinander auf und werden meistens nicht von der Koinzidenzschaltung registriert. Dieses Verfahren ermöglicht es, den PMT-Eigenhintergrund um 2–3 Größenordnungen zu reduzieren.

Die Anzahl der Rauschimpulse steigt mit der angelegten Spannung zunächst eher langsam, dann nimmt der Anstieg stark zu. Der Grund für diesen starken Anstieg des Hintergrunds ist die Feldemission von den scharfen Kanten der Elektroden und das Auftreten einer ionischen Rückkopplung zwischen den letzten Dynoden und der PMT-Fotokathode.

Im Bereich der Anode, wo die Stromdichte am höchsten ist, kann es zum Glimmen sowohl von Restgas als auch von Strukturmaterialien kommen. Das daraus resultierende schwache Leuchten sowie die ionische Rückkopplung bewirken das Auftreten sogenannter Begleitpulse, die zeitlich 10-8 ¸10-7 von den Hauptpulsen entfernt sind. Sek.

§ 4. Ausführungen von Szintillationszählern

An die Konstruktion von Szintillationszählern werden folgende Anforderungen gestellt:

Beste Sammlung von Szintillationslicht auf der Fotokathode;

Gleichmäßige Lichtverteilung über der Photokathode;

Verdunkelung durch das Licht fremder Quellen;

Kein Einfluss von Magnetfeldern;

Die Stabilität der PMT-Verstärkung.

Beim Arbeiten mit Szintillationszählern ist es immer erforderlich, das höchste Verhältnis der Amplitude der Signalpulse zur Amplitude der Rauschpulse zu erreichen, was eine optimale Ausnutzung der im Szintillator entstehenden Blitzintensitäten erzwingt. Typischerweise ist der Szintillator in einem Metallbehälter verpackt, der an einem Ende mit Flachglas verschlossen ist. Zwischen dem Behälter und dem Szintillator befindet sich eine Materialschicht, die das Licht reflektiert und zu seinem vollständigsten Austritt beiträgt. Magnesiumoxid (0,96), Titandioxid (0,95), Gips (0,85-0,90) haben das höchste Reflexionsvermögen, auch Aluminium wird verwendet (0,55-0,85).

Besonderes Augenmerk sollte auf die sorgfältige Verpackung von hygroskopischen Szintillatoren gelegt werden. So ist beispielsweise der am häufigsten verwendete Phosphor NaJ (Tl) sehr hygroskopisch und vergilbt beim Eindringen von Feuchtigkeit und verliert seine Szintillationseigenschaften.

Plastikszintillatoren müssen nicht in luftdichten Behältern verpackt werden, aber ein Reflektor kann um den Szintillator herum platziert werden, um die Lichtsammlung zu erhöhen. Alle festen Szintillatoren müssen an einem Ende ein Ausgangsfenster haben, das mit der Photokathode des Photomultipliers verbunden ist. An der Verbindungsstelle kann es zu einem erheblichen Verlust der Szintillationslichtintensität kommen. Um diese Verluste zu vermeiden, werden zwischen Szintillator und PMT kanadische Balsam-, Mineral- oder Silikonöle eingebracht und ein optischer Kontakt hergestellt.

Bei einigen Experimenten, beispielsweise bei Messungen im Vakuum, in Magnetfeldern, in starken Feldern ionisierender Strahlung, kann der Szintillator nicht direkt auf der PMT-Fotokathode platziert werden. In solchen Fällen wird ein Lichtleiter verwendet, um Licht vom Szintillator zur Photokathode zu übertragen. Als Lichtleiter werden polierte Stäbe aus durchsichtigen Materialien verwendet – wie Lucite, Plexiglas, Polystyrol, sowie mit einer durchsichtigen Flüssigkeit gefüllte Metall- oder Plexiglasröhrchen. Der Lichtverlust in einem Lichtleiter hängt von seinen geometrischen Abmessungen und vom Material ab. Bei manchen Experimenten ist es notwendig, gekrümmte Lichtleiter zu verwenden.

Besser ist es, Lichtleiter mit großem Krümmungsradius zu verwenden. Lichtleiter ermöglichen auch die Artikulation von Szintillatoren und PMTs mit unterschiedlichen Durchmessern. Dabei werden kegelförmige Lichtleiter verwendet. Der PMT ist entweder über einen Lichtleiter oder durch direkten Kontakt mit der Flüssigkeit mit dem Flüssigszintillator gekoppelt. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für ein PMT-Gelenk mit einem Flüssigszintillator. In verschiedenen Betriebsmodi wird der PMT mit einer Spannung von 1000 bis 2500 versorgt in. Da die Verstärkung des PMT sehr stark von der Spannung abhängt, muss die Versorgungsstromquelle gut stabilisiert werden. Außerdem ist eine Selbststabilisierung möglich.

Der PMT wird von einem Spannungsteiler versorgt, der es ermöglicht, jede Elektrode mit dem entsprechenden Potential zu versorgen. Der negative Pol der Stromquelle ist mit der Photokathode und mit einem der Enden des Teilers verbunden. Der Pluspol und das andere Ende des Teilers sind geerdet. Die Widerstände des Teilers sind so gewählt, dass die optimale Arbeitsweise des PMT realisiert wird. Für eine größere Stabilität sollte der Strom durch den Teiler eine Größenordnung höher sein als die Elektronenströme, die durch den PMT fließen.

Reis. 6. PMT-Kopplung mit einem Flüssigszintillator.

1-flüssiger Szintillator;

2- PMT;

3- Lichtschild.

Wenn der Szintillationszähler in einem gepulsten Modus arbeitet, kurz (~10-8 Sek) Impulse, deren Amplitude mehrere Einheiten oder mehrere zehn Volt betragen kann. In diesem Fall können die Potentiale an den letzten Dynoden starke Änderungen erfahren, da der Strom durch den Teiler keine Zeit hat, die durch Elektronen von der Kaskade weggetragene Ladung wieder aufzufüllen. Um solche Potentialschwankungen zu vermeiden, werden die letzten Widerstände des Teilers mit Kapazitäten überbrückt. Durch die Wahl der Potentiale an den Dynoden werden günstige Bedingungen für das Sammeln von Elektronen auf diesen Dynoden geschaffen, d.h. ein bestimmtes elektronenoptisches System, das dem optimalen Regime entspricht, wird implementiert.

In einem elektronenoptischen System hängt die Elektronenbahn nicht von der proportionalen Änderung der Potentiale an allen Elektroden ab, die dieses elektronenoptische System bilden. Bei einem Multiplizierer ändert sich also bei einer Änderung der Versorgungsspannung nur seine Verstärkung, die elektronenoptischen Eigenschaften bleiben jedoch unverändert.

Bei einer überproportionalen Änderung der Potentiale an den PMT-Dynoden ändern sich die Bedingungen für die Fokussierung von Elektronen im Bereich der Proportionalitätsverletzung. Dieser Umstand wird zur Selbststabilisierung der PMT-Verstärkung genutzt. Dazu das Potenzial

Reis. 7. Teil der Teilerschaltung.

einer der Dynoden gegenüber dem Potential der vorherigen Dynode konstant gehalten wird, entweder mit Hilfe einer zusätzlichen Batterie oder mit Hilfe eines zusätzlich stabilisierten Teilers. Fig. 7 zeigt einen Teil der Teilerschaltung, wo eine zusätzliche Batterie zwischen die Dynoden D5 und D6 geschaltet ist ( U b = 90 in). Um den besten Selbststabilisierungseffekt zu erzielen, muss der Widerstandswert ausgewählt werden R". In der Regel R" mehr R 3-4 mal.

§ 5. Eigenschaften von Szintillationszählern

Szintillationszähler haben die folgenden Vorteile.

Hohe zeitliche Auflösung. Die Impulsdauer liegt je nach verwendeten Szintillatoren zwischen 10-6 und 10-9 Sek, jene. um mehrere Größenordnungen geringer als bei Zählern mit Selbstentladung, was deutlich höhere Zählraten ermöglicht. Ein weiteres wichtiges zeitliches Merkmal von Szintillationszählern ist der kleine Wert der Impulsverzögerung nach dem Durchgang des registrierten Teilchens durch den Leuchtstoff (10-9 -10-8 Sek.). Dies ermöglicht die Verwendung von Koinzidenzschemata mit niedriger Auflösungszeit (<10-8Sek) und folglich Koinzidenzen bei vielen großen Lasten auf einzelnen Kanälen mit einer kleinen Anzahl zufälliger Koinzidenzen zu messen.

Hohe Registrierungseffizienz g -Strahlen und Neutronen. Um ein g-Quant oder ein Neutron zu registrieren, ist es notwendig, dass sie mit der Substanz des Detektors reagieren; in diesem Fall muss das resultierende sekundäre geladene Teilchen vom Detektor registriert werden. Es ist offensichtlich, dass je mehr Substanzen sich im Weg von g-Strahlen oder Neutronen befinden, desto größer die Wahrscheinlichkeit ihrer Absorption und desto größer die Effizienz ihrer Registrierung. Gegenwärtig wird, wenn große Szintillatoren verwendet werden, eine Detektionseffizienz von g-Strahlen von mehreren zehn Prozent erreicht. Die Effizienz des Neutronennachweises durch Szintillatoren mit speziell eingeführten Substanzen (10 V, 6 Li usw.) ist ebenfalls viel höher als die Effizienz des Neutronennachweises durch Gasentladungszähler.

Möglichkeit der Energieanalyse der registrierten Strahlung. Tatsächlich ist für leicht geladene Teilchen (Elektronen) die Blitzintensität in einem Szintillator proportional zu der Energie, die durch das Teilchen in diesem Szintillator verloren geht.

Unter Verwendung von Szintillationszählern, die an Amplitudenanalysatoren angeschlossen sind, kann man die Spektren von Elektronen und g-Strahlen untersuchen. Etwas schlechter sieht es bei der Untersuchung der Spektren schwerer geladener Teilchen (a-Teilchen etc.) aus, die im Szintillator eine große spezifische Ionisation erzeugen. In diesen Fällen wird die Proportionalität der Intensität des Ausbruchs der verlorenen Energie nicht bei allen Teilchenenergien beobachtet und manifestiert sich erst bei Energien, die einen bestimmten Wert überschreiten. Die nichtlineare Beziehung zwischen den Impulsamplituden und der Teilchenenergie ist für verschiedene Leuchtstoffe und für verschiedene Arten von Teilchen unterschiedlich. Dies wird durch die Grafiken in den Abbildungen 1 und 2 veranschaulicht.

Die Möglichkeit, Szintillatoren mit sehr großen geometrischen Abmessungen herzustellen. Dadurch ist es möglich, Energieteilchen sehr hoher Energie (kosmische Strahlung) sowie Teilchen, die schwach mit Materie wechselwirken (Neutrinos), zu detektieren und zu analysieren.

Möglichkeit, in die Zusammensetzung von Szintillatoren Substanzen einzuführen, mit denen Neutronen mit einem großen Wirkungsquerschnitt wechselwirken. Die Leuchtstoffe LiJ(Tl), LiF, LiBr werden zum Nachweis langsamer Neutronen verwendet. Wenn langsame Neutronen mit 6 Li wechselwirken, findet die Reaktion 6 Li(n,a) 3 H statt, bei der eine Energie von 4,8 Mev.

§ 6. Beispiele für die Verwendung von Szintillationszählern

Messung der Lebensdauer angeregter Kernzustände. Beim radioaktiven Zerfall oder bei verschiedenen Kernreaktionen geraten die entstehenden Kerne oft in einen angeregten Zustand. Die Untersuchung der Quanteneigenschaften angeregter Kernzustände ist eine der Hauptaufgaben der Kernphysik. Eine sehr wichtige Eigenschaft des angeregten Zustands des Kerns ist seine Lebensdauer t. Die Kenntnis dieses Wertes ermöglicht es, viele Informationen über die Struktur des Kerns zu erhalten.

Atomkerne können sich für verschiedene Zeiten in einem angeregten Zustand befinden. Es gibt verschiedene Methoden, um diese Zeiten zu messen. Szintillationszähler haben sich als sehr praktisch erwiesen, um die Lebensdauer nuklearer Niveaus von wenigen Sekunden bis zu sehr kleinen Sekundenbruchteilen zu messen. Als Beispiel für die Verwendung von Szintillationszählern betrachten wir das verzögerte Koinzidenzverfahren. Lassen Sie den Kern A (siehe Abb. 10) durch b-Zerfall in einen Kern verwandeln BEIM in einem angeregten Zustand, der einen Überschuss an Energie für die aufeinanderfolgende Emission von zwei g-Quanten (g1, g2) abgibt. Es ist erforderlich, die Lebensdauer des angeregten Zustands zu bestimmen ich. Das Präparat mit Isotop A wird zwischen zwei Theken mit NaJ(Tl)-Kristallen installiert (Abb. 8). Die am Ausgang des PMT erzeugten Impulse werden der schnellen Koinzidenzschaltung mit einer Auflösungszeit von ~10-8 -10-7 zugeführt Sek. Außerdem werden Impulse linearen Verstärkern und dann Amplitudenanalysatoren zugeführt. Letztere sind so konfiguriert, dass sie Impulse einer bestimmten Amplitude durchlassen. Für unseren Zweck, d.h. zum Zwecke der Messung der Füllstandslebensdauer ich(siehe Abb. 10), Amplitudenanalysator AAI muss nur Pulse passieren, die der Photonenenergie g1 entsprechen, und den Analysator AAII - g2 .

Abb.8. Schematische Darstellung zu definieren

Lebensdauer angeregter Kernzustände.

Außerdem werden Impulse von den Analysatoren sowie von der schnellen Koinzidenzschaltung der langsamen zugeführt (t ~ 10-6 Sek) Triple-Match-Muster. Im Experiment wird die Abhängigkeit der Anzahl der dreifachen Koinzidenzen vom Wert der Zeitverzögerung des im ersten Kanal der schnellen Koinzidenzschaltung enthaltenen Impulses untersucht. Typischerweise wird die Impulsverzögerung mit Hilfe der sogenannten variablen Verzögerungsleitung LZ durchgeführt (Bild 8).

Die Verzögerungsleitung muss genau an den Kanal angeschlossen werden, in dem das Quant g1 registriert ist, da es vor dem Quant g2 emittiert wird. Als Ergebnis des Experiments wird ein halblogarithmischer Graph der Abhängigkeit der Anzahl der Dreifachkoinzidenzen von der Verzögerungszeit erstellt (Abb. 9) und daraus die Lebensdauer des angeregten Niveaus bestimmt ich(wie bei der Bestimmung der Halbwertszeit mit einem einzelnen Detektor).

Unter Verwendung von Szintillationszählern mit einem NaJ(Tl)-Kristall und dem betrachteten Schema der schnell-langsamen Koinzidenzen ist es möglich, die Lebensdauern 10-7 -10-9 zu messen Sek. Wenn schnellere organische Szintillatoren verwendet werden, können kürzere Lebensdauern angeregter Zustände gemessen werden (bis zu 10–11 Sek).

Abb.9. Die Abhängigkeit der Anzahl der Koinzidenzen von der Größe der Verzögerung.

Gammafehlererkennung. Kernstrahlung, die eine hohe Durchschlagskraft hat, wird in der Technik zunehmend eingesetzt, um Defekte in Rohren, Schienen und anderen großen Metallblöcken zu detektieren. Für diese Zwecke werden eine g-Strahlungsquelle und ein g-Strahlungsdetektor verwendet. Der beste Detektor ist in diesem Fall ein Szintillationszähler, der eine hohe Nachweiseffizienz hat. Die Strahlungsquelle befindet sich in einem Bleibehälter, aus dem ein schmaler Strahl g-Strahlen durch ein Kollimatorloch austritt und die Röhre beleuchtet. Auf der gegenüberliegenden Seite der Röhre ist ein Szintillationszähler installiert. Die Quelle und der Zähler sind auf einem beweglichen Mechanismus angeordnet, der es ihnen ermöglicht, entlang des Rohrs bewegt und um seine Achse gedreht zu werden. Beim Durchgang durch das Rohrmaterial wird der g-Strahl teilweise absorbiert; wenn die Röhre homogen ist, wird die Absorption überall gleich sein, und der Zähler wird immer (im Durchschnitt) dieselbe Anzahl von g-Quanten pro Zeiteinheit registrieren, aber wenn an einer Stelle der Röhre eine Senke ist, dann die g-Strahlen werden an dieser Stelle weniger absorbiert, die Zählgeschwindigkeit erhöht sich. Die Position des Waschbeckens wird angezeigt. Es gibt viele Beispiele für eine solche Verwendung von Szintillationszählern.

Experimenteller Nachweis von Neutrinos. Neutrino ist das geheimnisvollste aller Elementarteilchen. Fast alle Eigenschaften von Neutrinos werden aus indirekten Daten gewonnen. Die moderne Theorie des b-Zerfalls geht davon aus, dass die Neutrinomasse mn gleich Null ist. Einige Experimente erlauben es uns, dies festzustellen. Neutrinospin ist 1/2, magnetisches Moment<10-9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. 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 распадеиспускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

Die Schaffung von Kernreaktoren, in denen eine sehr große Anzahl von Kernen mit einem Überschuss an Neutronen vorhanden war, gab Hoffnung auf den Nachweis von Antineutrinos. Alle neutronenreichen Kerne zerfallen unter Emission von Elektronen und damit Antineutrinos. In der Nähe eines Kernreaktors mit einer Leistung von mehreren hunderttausend Kilowatt beträgt der Antineutrinofluss 1013 cm -2 · Sek-1 - ein Strom von enormer Dichte, und mit der Wahl eines geeigneten Antineutrino-Detektors könnte man versuchen, sie nachzuweisen. Ein solcher Versuch wurde 1954 von Reines und Cowen unternommen. Die Autoren verwendeten die folgende Reaktion:

n + p ® n+e+ (1)

Bei dieser Reaktion sind die Produktteilchen das Positron und das Neutron, die registriert werden können.

Ein flüssiger Szintillator mit einem Volumen von ~1 m3, mit hohem Wasserstoffgehalt, gesättigt mit Cadmium. Die in Reaktion (1) erzeugten Positronen vernichteten sich in zwei g-Quanten mit einer Energie von 511 kev jeder und verursachte das Erscheinen des ersten Blitzes des Szintillators. Das Neutron wurde für mehrere Mikrosekunden abgebremst und von Cadmium eingefangen. Bei diesem Einfang durch Cadmium wurden mehrere g-Quanten mit einer Gesamtenergie von etwa 9 emittiert Mev. Als Ergebnis erschien ein zweiter Blitz im Szintillator. Verzögerte Koinzidenzen zweier Pulse wurden gemessen. Um Blitze zu registrieren, war der Flüssigszintillator von einer Vielzahl von Photomultipliern umgeben.

Die Zählrate verzögerter Koinzidenzen betrug drei Zählungen pro Stunde. Aus diesen Daten wurde erhalten, dass der Reaktionsquerschnitt (Abb. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10 -43 cm2, was nahe am errechneten Wert liegt.

Gegenwärtig werden in vielen Experimenten sehr große Flüssigszintillationszähler verwendet, insbesondere in Experimenten zur Messung von g-Strahlungsflüssen, die von Menschen und anderen lebenden Organismen emittiert werden.

Registrierung von Spaltfragmenten. Zur Registrierung von Spaltfragmenten erwiesen sich Gasszintillationszähler als zweckmäßig.

Normalerweise wird ein Experiment zur Untersuchung des Spaltungsquerschnitts wie folgt aufgebaut: Eine Schicht des zu untersuchenden Elements wird auf einer Art Substrat abgeschieden und mit einem Neutronenfluss bestrahlt. Je mehr spaltbares Material verwendet wird, desto mehr Spaltungsereignisse treten natürlich auf. Da aber normalerweise spaltbare Substanzen (zB Transurane) a-Emitter sind, wird ihr Einsatz in nennenswerten Mengen aufgrund des großen Hintergrunds aus a-Teilchen schwierig. Und wenn Spaltungsereignisse mit Hilfe von gepulsten Ionisationskammern untersucht werden, dann ist es möglich, Pulse von a-Teilchen mit Pulsen zu überlagern, die von Spaltfragmenten stammen. Nur ein Instrument mit besserer zeitlicher Auflösung wird es ermöglichen, große Mengen an spaltbarem Material zu nutzen, ohne sich gegenseitig Impulse aufzuprägen. Gasszintillationszähler haben in dieser Hinsicht einen deutlichen Vorteil gegenüber gepulsten Ionisationskammern, da die Pulsdauer letzterer um 2–3 Größenordnungen länger ist als die von Gasszintillationszählern. Die Pulsamplituden von Spaltfragmenten sind viel größer als die von a-Teilchen und können daher mit einem Amplitudenanalysator leicht getrennt werden.

Eine sehr wichtige Eigenschaft eines Gasszintillationszählers ist seine geringe Empfindlichkeit gegenüber g-Strahlen, da das Auftreten schwerer geladener Teilchen oft von einem intensiven g-Strahlenfluss begleitet wird.

Leuchtende Kamera. 1952 fotografierten die sowjetischen Physiker Zavoisky und andere erstmals die Spuren ionisierender Teilchen in lumineszierenden Substanzen mit empfindlichen elektronenoptischen Konvertern (EOCs). Diese als Fluoreszenzkamera bezeichnete Partikeldetektionsmethode hat eine hohe Zeitauflösung. Die ersten Experimente wurden mit einem CsJ (Tl)-Kristall durchgeführt.

Später wurden Kunststoffszintillatoren in Form von langen dünnen Stäbchen (Fäden) zur Herstellung der Leuchtkammer verwendet. Die Fäden werden in Reihen gestapelt, so dass die Fäden in zwei benachbarten Reihen im rechten Winkel zueinander stehen. Dies bietet die Möglichkeit der stereoskopischen Beobachtung, um die räumliche Flugbahn der Partikel nachzubilden. Bilder von jeder der zwei Gruppen von zueinander senkrechten Filamenten werden zu getrennten elektronenoptischen Konvertern geleitet. Die Fäden spielen auch die Rolle von Lichtleitern. Licht wird nur von den Fäden abgegeben, die das Teilchen kreuzt. Dieses Licht tritt durch die Enden der jeweiligen Fäden aus, die fotografiert werden. Systeme werden mit einem Durchmesser der einzelnen Fäden von 0,5 bis 1,0 hergestellt mm.

Literatur :

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4. PA Tischkin. Experimentelle Methoden der Kernphysik (Detektoren der Kernstrahlung).

Verlag der Leningrader Universität, 1970.

5 G.S. Landsberg. Elementares Lehrbuch der Physik (Band 3) M., Nauka, 1971

Szintillationszähler

Funktionsprinzip und Anwendungsbereich

In einem Szintillationszähler verursacht ionisierende Strahlung einen Lichtblitz im entsprechenden Szintillator, der entweder fest oder flüssig sein kann. Dieser Blitz wird zu einem Photomultiplier übertragen, der ihn in einen elektrischen Stromimpuls umwandelt. In den nachfolgenden PMT-Stufen wird der Stromimpuls aufgrund ihres hohen Sekundäremissionskoeffizienten verstärkt.

Trotz der Tatsache, dass beim Arbeiten mit Szintillationszählern im Allgemeinen eine komplexere elektronische Ausrüstung erforderlich ist, haben diese Zähler gegenüber Geiger-Müller-Zählern erhebliche Vorteile.

1. Die Effizienz zum Zählen von Röntgen- und Gammastrahlung ist viel größer; unter günstigen Umständen erreicht sie 100 %.

2. Die Lichtleistung einiger Szintillatoren ist proportional zur Energie des anregenden Teilchens oder Quants.

3. Die zeitliche Auflösung ist höher.

Der Szintillationszähler ist somit ein geeigneter Detektor zum Nachweis von Strahlung geringer Intensität, zur Analyse von Energieverteilungen mit nicht zu hohen Auflösungsanforderungen und für Koinzidenzmessungen bei hoher Strahlungsintensität.

B) Szintillatoren

1) Protonen und andere stark ionisierende Teilchen. Wenn es nur um die Registrierung dieser Teilchen geht, dann sind alle Arten von Szintillatoren gleichermaßen geeignet, und aufgrund ihrer hohen Stoppkraft sind Schichten mit einer Dicke in der Größenordnung von einem Millimeter und noch weniger ausreichend. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Lichtleistung von Protonen und β-Teilchen in organischen Szintillatoren nur etwa 1/10 der Lichtleistung von Elektronen gleicher Energie beträgt, während sie in anorganischen Szintillatoren von ZnS und NaJ beides sind die selbe Reihenfolge.

Der Zusammenhang zwischen der Energie von Lichtblitzen und der Größe der damit verbundenen Impulse sowie der Energie der auf den Szintillator übertragenen Teilchen ist für organische Substanzen im Allgemeinen nicht linear. Für ZnS 1 NaJ und CsJ ist diese Abhängigkeit jedoch nahezu linear. Aufgrund ihrer guten Transparenz für ihre eigene Fluoreszenzstrahlung bieten NaJ- und CsJ-Kristalle eine hervorragende Energieauflösung; Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Oberfläche, durch die die Partikel in den Kristall eindringen, sehr sauber ist.

2) Neutronen. Langsame Neutronen lassen sich mit den Reaktionen Li6Hs, B10Li" oder CdlisCd114 nachweisen. Als Szintillatoren werden dazu Einkristalle aus LiJ, Pulvermischungen, zB 1 Gewichtsteil B 2 O 3 und 5 Gewichtsteile ZnS, direkt auf die abgeschieden PMT-Fenster; kann auch angewendet werden

Blockschaltbild eines Szintillationsspektrometers. 1 - Szintillator, 2 - PMT, h - Hochspannungsquelle, 4 - Kathodenfolger, e - Linearverstärker, 6 - Amplitudenimpulsanalysator, 7 - Aufzeichnungsgerät.

ZnS suspendiert in geschmolzenem B 2 O 3 , entsprechende Borverbindungen in synthetischen Szintillatoren und Mischungen von Cadmiummethylborat oder -propionat mit flüssigen Szintillatoren. Soll bei Neutronenmessungen der Einfluss von z-Strahlung ausgeschlossen werden, so muss bei denjenigen Reaktionen, die zur Emission schwerer Teilchen führen, obiger Zusammenhang für die Lichtleistung verschiedener Szintillatoren, je nach Art der Teilchen, berücksichtigt werden Konto.

Schnelle Neutronen werden mithilfe von Rückstoßprotonen nachgewiesen, die in wasserstoffhaltigen Substanzen erzeugt werden. Da ein hoher Wasserstoffgehalt nur in organischen Szintillatoren auftritt, ist es aus den oben genannten Gründen schwierig, die Wirkung von γ-Strahlung zu verringern. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Prozess der Bildung von Rückstoßprotonen von der Anregung des Szintillators durch Röntgenstrahlen getrennt wird. In diesem Fall muss die Schicht des Letzteren dünn sein, wobei ihre Dicke durch die Reichweite der Rückstoßprotonen bestimmt wird, so dass die Wahrscheinlichkeit, z-Strahlung zu detektieren, wesentlich verringert wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, ZnS als Szintillator zu verwenden. Es ist auch möglich, pulverförmiges ZnS in einer wasserstoffhaltigen transparenten künstlichen Substanz zu suspendieren.

Es ist fast unmöglich, das Energiespektrum schneller Neutronen mit Szintillatoren zu untersuchen. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Energie von Rückstoßprotonen je nach Art der Kollision alle möglichen Werte bis hin zur Gesamtenergie von Neutronen annehmen kann.

3) Elektronen, p-Teilchen. Wie bei anderen Strahlungsarten hängt die Energieauflösung des Szintillators für Elektronen vom Verhältnis zwischen der Lichtenergie und der durch das ionisierende Teilchen auf den Szintillator übertragenen Energie ab. Dies liegt daran, dass die Halbwertsbreite der Verteilungskurve der Impulsgrößen, die durch monoenergetisch einfallende Teilchen verursacht werden, aufgrund statistischer Schwankungen in erster Näherung umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der ausgeknockten Photoelektronen ist von der PMT-Photokathode. Von den derzeit verwendeten Szintillatoren liefert NaJ 1 die größten Impulsamplituden, und für organische Szintillatoren Anthracen, das unter sonst gleichen Bedingungen Impulse mit ungefähr zweimal kleinerer Amplitude als NaJ liefert.

Da die effektiven Elektronenstreuquerschnitte mit steigender Ordnungszahl stark ansteigen, werden bei Verwendung von NaJ 80-90 % aller einfallenden Elektronen wieder am Kristall gestreut; bei Verwendung von Anthracen erreicht dieser Effekt ca. 10 %. Gestreute Elektronen verursachen Impulse, deren Größe kleiner ist als der Wert, der der Gesamtenergie der Elektronen entspricht. Infolgedessen ist es sehr schwierig, die mit NaJ-Kristallen erhaltenen β-Spektren zu quantifizieren. Für die β-Spektroskopie ist es daher oft sinnvoller, organische Szintillatoren zu verwenden, die aus Elementen mit niedriger Ordnungszahl bestehen.

Rückstreuung kann auch durch die folgenden Verfahren geschwächt werden. Die Substanz, deren β-Strahlung untersucht werden soll, wird entweder dem Szintillator beigemischt, wenn sie die Fluoreszenzstrahlung nicht unterdrückt, oder zwischen zwei Oberflächen von Szintillatoren gebracht, deren fluoreszierendes Iryny 1 Ienne auf die Photokathode einwirkt, oder es wird schließlich ein Szintillator mitverwendet ein interner Kanal, in den es Einstrahlung einleitet.

Die Abhängigkeit zwischen der Lichtenergie und der durch Strahlung auf den Szintillator übertragenen Energie ist für NaJ linear. Bei allen organischen Szintillatoren nimmt dieses Verhältnis bei niedrigen Elektronenenergien ab. Diese Nichtlinearität muss bei der Quantifizierung der Spektren berücksichtigt werden.

4) Röntgen- und Gammastrahlung. Der Prozess der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit einem Szintillator besteht hauptsächlich aus drei elementaren Prozessen.

Beim Photoeffekt wird die Energie eines Quants fast vollständig in die kinetische Energie eines Photoelektrons umgewandelt und aufgrund der geringen Reichweite des Photoelektrons meist im Szintillator absorbiert. Das der Bindungsenergie des Elektrons entsprechende Sekundärquant wird entweder vom Szintillator absorbiert oder verlässt ihn.

Beim Compton-Effekt wird nur ein Teil der Quantenenergie auf das Elektron übertragen, dieser Teil wird mit hoher Wahrscheinlichkeit im Szintillator absorbiert, das gestreute Photon, dessen Energie um einen Betrag abgenommen hat, der gleich der Energie des Compton-Elektrons ist ebenfalls entweder vom Szintillator absorbiert oder verlässt ihn.

Bei der Paarbildung geht die Energie des Primärquants abzüglich der Energie der Paarbildung in die kinetische Energie dieses Paares über und wird hauptsächlich vom Szintillator absorbiert. Die bei der Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons entstehende Strahlung wird im Szintillator absorbiert oder verlässt diesen.

Die Energieabhängigkeit der Wirkungsquerschnitte für diese Prozesse ist derart, dass bei niedrigen Photonenenergien hauptsächlich der photoelektrische Effekt stattfindet; Ab einer Energie von 1,02 Mae ist eine Paarbildung zu beobachten, jedoch erreicht die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses erst bei deutlich höheren Energien einen nennenswerten Wert. Im Zwischenbereich spielt der Compton-Effekt die Hauptrolle.

Mit zunehmender Ordnungszahl Z steigen die Wirkungsquerschnitte für den photoelektrischen Effekt und für die Paarbildung sehr viel stärker als beim Compton-Effekt. In diesem Fall wird das Elektron jedoch übertragen:

1) beim photoelektrischen Effekt, - neben der Energie des Quants, die sich schon beim Primäreffekt in die Energie des Elektrons umwandelt, bleibt nur noch die Bindungsenergie des Photoelektrons, die der Sekundärstrahlung entspricht, weich und leicht absorbiert;

2) bei der Bildung von Paaren - nur Vernichtungsstrahlung mit einer diskreten bekannten Energie. Beim Compton-Effekt hat die Energie von Sekundärelektronen und gestreuten Quanten einen weiten Bereich möglicher Werte. Da, wie bereits erwähnt, die Nebenquanten keine Absorption erfahren und den Szintillator verlassen dürfen, ist es zur Erleichterung der Interpretation der Spektren zweckmäßig, den Bereich, in dem der Komhtohj-Effekt überwiegt, möglichst einzugrenzen, indem Szintillatoren mit großem H gewählt werden, zum Beispiel NaJ Darüber hinaus ist das Verhältnis von Lichtenergie zu der auf den Szintillator übertragenen Energie für NaJ praktisch unabhängig von der Energie der Elektronen, daher wird bei allen komplexen Prozessen, bei denen Quanten absorbiert werden, die gleiche Lichtmenge freigesetzt .Solche komplexen Prozesse treten umso wahrscheinlicher auf, je größer der Szintillator ist.

Die Dämpfung von Gammastrahlen in Anthracen, μ ist der Dämpfungskoeffizient; f ist der Photoabsorptionskoeffizient, a ist der Compton-Streuungskoeffizient, p ist der Paarbildungskoeffizient.

Szintillationszähler, ein Gerät zum Nachweis von Kernstrahlung und Elementarteilchen (Protonen, Neutronen, Elektronen, g-Quanten, Mesonen usw.), deren Hauptelemente eine Substanz sind, die unter Einwirkung geladener Teilchen leuchtet (Szintillator), und Photomultiplier (FEU). Visuelle Beobachtungen von Lichtblitzen (Szintillationen) unter Einwirkung ionisierender Teilchen (α-Teilchen, Kernspaltungsfragmente) waren die Hauptmethode der Kernphysik im frühen 20. Jahrhundert. (cm. Spinthariskop ). Später S. mit. wurde komplett verdrängt Ionisationskammern und proportionale Zähler. Seine Rückkehr zur Kernphysik erfolgte Ende der 1940er Jahre, als mehrstufige PMTs mit hoher Verstärkung zum Nachweis von Szintillationen verwendet wurden, die in der Lage waren, extrem schwache Lichtblitze zu erkennen.

S.'s Wirkprinzip mit. besteht aus Folgendem: Ein geladenes Teilchen, das durch einen Szintillator geht, regt sie zusammen mit der Ionisation von Atomen und Molekülen an. Bei der Rückkehr in den nicht angeregten (Grund-)Zustand senden Atome Photonen aus (siehe Abb. Lumineszenz ). Photonen, die auf die PMT-Kathode treffen, schlagen Elektronen heraus (siehe Abb. Photoelektronische Emission ), Als Ergebnis erscheint an der PMT-Anode ein elektrischer Impuls, der weiter verstärkt und aufgezeichnet wird (siehe Abb. Reis. ). Der Nachweis neutraler Teilchen (Neutronen, g-Quanten) erfolgt durch sekundäre geladene Teilchen, die während der Wechselwirkung von Neutronen und g-Quanten mit Szintillatoratomen gebildet werden.

Als Szintillatoren werden verschiedene Substanzen (fest, flüssig, gasförmig) verwendet. Kunststoffe sind weit verbreitet, die leicht herzustellen und zu bearbeiten sind und einen intensiven Glanz verleihen. Eine wichtige Eigenschaft eines Szintillators ist der Anteil der Energie des detektierten Teilchens, der in Lichtenergie umgewandelt wird (der Umwandlungswirkungsgrad h). Kristalline Szintillatoren haben die höchsten h-Werte: NaI, aktiviertes Tl, Anthracen und ZnS. DR. ein wichtiges Merkmal ist die Glimmzeit t, die durch die Lebensdauer bei den angeregten Niveaus bestimmt wird. Die Intensität des Leuchtens nach dem Durchgang des Partikels ändert sich exponentiell: , wo ich 0 - Anfangsintensität. Für die meisten Szintillatoren liegt t im Bereich von 10–9 bis 10–5 Sek. Kunststoffe haben kurze Leuchtzeiten (Tabelle 1). Je kleiner t, desto schneller kann S. gemacht werden.

Damit ein Lichtblitz von einem PMT registriert werden kann, muss das Emissionsspektrum des Szintillators mit dem spektralen Empfindlichkeitsbereich der PMT-Fotokathode übereinstimmen und das Szintillatormaterial muss für seine eigene Strahlung transparent sein. Für die Registrierung langsame Neutronen Dem Szintillator wird Li oder B zugesetzt, schnelle Neutronen werden mit wasserstoffhaltigen Szintillatoren nachgewiesen (siehe Abb. Neutronendetektoren ). Für die Spektrometrie von g-Quanten und hochenergetischen Elektronen wird Nal (Tl) verwendet, das eine hohe Dichte und eine hohe effektive Ordnungszahl hat (siehe Abb. Gammastrahlung ).

S. s. werden mit Szintillatoren unterschiedlicher Größe hergestellt - von 1-2 mm 3 zu 1-2 m 3 . Um das emittierte Licht nicht zu „verlieren“, ist ein guter Kontakt zwischen dem PMT und dem Szintillator notwendig. In S. mit. Ein kleiner Szintillator wird direkt auf die PMT-Fotokathode geklebt. Alle anderen Seiten sind mit einer Schicht aus reflektierendem Material (z. B. MgO, TiO 2 ) bedeckt. In S. mit. große größe verwenden Lichtleiter (normalerweise poliertes organisches Glas).

PMTs, die für S. s. bestimmt sind, müssen einen hohen Photokathodenwirkungsgrad (bis zu 2,5 %), eine hohe Verstärkung (10 8 -10 8), eine kurze Elektronensammelzeit (10 -8 Sek) bei hoher Stabilität dieser Zeit. Letzteres ermöglicht eine Auflösung in der Zeit S. s. £10-9 Sek. Die hohe Verstärkung des PMT zusammen mit einem geringen Eigenrauschen ermöglicht es, einzelne Elektronen zu erkennen, die aus der Photokathode herausgeschlagen wurden. Das Signal an der PMT-Anode kann 100 erreichen in.

Tab. 1. - Eigenschaften einiger fester und flüssiger Szintillatoren,

in Szintillationszählern verwendet

Substanz	Dichte, g/cm 3	Glühzeit, t , 10 -9 Sek.		Konversionseffizienz h, % (für Elektronen)
Kristalle
Anthracen C 14 H 10
Stilben C 14 H 12
Flüssigkeiten
Lösung R-Terphenyl in Xylol (5 g/l) unter Zusatz von POPOP 1 (0,1 g/l)
Lösung R-Terphenyl in Toluol (4 g/l) mit Zusatz von POPOP (0,1 g/l)
Kunststoffe
Polystyrol mit Zusatz R-Terphenyl (0,9 %) und a-NPO 2 (0,05 Gew.-%)
Polyvinyltoluol mit Zusatz von 3,4 % R-Terphenyl und 0,1 Gew.-% POPOP

1 POPOP - 1,4-Dibenzol. 2 NPO - 2-(1-Naphthyl)-5-phenyloxazol.

Vorteile von S. mit.: hohe Effektivität der Registrierung verschiedener Teilchen (praktisch 100 %); Geschwindigkeit; die Möglichkeit, Szintillatoren unterschiedlicher Größe und Konfiguration herzustellen; hohe Zuverlässigkeit und relativ niedrige Kosten. Dank dieser Eigenschaften S. mit. weit verbreitet in der Kernphysik, Elementarteilchenphysik und kosmische Strahlung, in der Industrie (Strahlenschutz), Dosimetrie, Radiometrie, Geologie, Medizin usw. Nachteile von S. S.: geringe Empfindlichkeit gegenüber niederenergetischen Teilchen (£ 1 kev), niedrige Energieauflösung (siehe Abb. Szintillationsspektrometer ).

Zur Untersuchung geladener Teilchen niedriger Energie (< 0,1 mev) und Kernspaltungsfragmente werden Gase als Szintillatoren verwendet (Tabelle 2). Gase haben eine lineare Abhängigkeit der Signalgröße von der Energie des Teilchens in einem weiten Energiebereich, eine schnelle Reaktion und die Fähigkeit, die Stoppkraft durch Änderung des Drucks zu ändern. Außerdem kann die Quelle in das Volumen des Gasszintillators eingebracht werden. Gasszintillatoren erfordern jedoch eine hohe Gasreinheit und einen speziellen PMT mit Quarzfenstern (ein erheblicher Teil des emittierten Lichts liegt im ultravioletten Bereich).

Tab. 2. - Eigenschaften einiger verwendeter Gase

Szintillatoren in Szintillationszählern (bei einem Druck von 740 mm

rt. Kunst., für a-Teilchen mit Energie 4.7 mev)

	Beleuchtungszeit t,	Wellenlänge am Maximum des Spektrums,	Umwandlungseffizienz n, %
	3×10 -9

Zündete.: Birke J., Szintillationszähler, übers. aus dem Englischen, M., 1955; Kalashnikova V. I., Kozodaev M. S., Detektoren von Elementarteilchen, in dem Buch: Experimentelle Methoden der Kernphysik, M., 1966; Ritson D., Experimentelle Methoden in der Hochenergiephysik, übers. aus dem Englischen, M., 1964.

Große Sowjetische Enzyklopädie M.: "Sowjetische Enzyklopädie", 1969-1978

- Wie ein Szintillationszähler funktioniert

- Szintillatoren

- Photomultiplier

- Designs von Szintillationszählern

- Eigenschaften von Szintillationszählern

- Beispiele für die Verwendung von Szintillationszählern

- Verzeichnis der verwendeten Literatur

SZINTILLATIONSZÄHLER

Die Methode zum Nachweis geladener Teilchen durch Zählen von Lichtblitzen, die entstehen, wenn diese Teilchen auf einen Zinksulfid (ZnS)-Schirm treffen, ist eine der ersten Methoden zum Nachweis von Kernstrahlung.

Bereits 1903 zeigten Crookes und andere, dass man bei Betrachtung eines mit a-Teilchen bestrahlten Zinksulfidschirms durch eine Lupe in einem dunklen Raum das Auftreten einzelner kurzzeitiger Lichtblitze - Szintillationen - wahrnehmen kann. Es wurde festgestellt, dass jede dieser Szintillationen durch ein separates a-Teilchen erzeugt wird, das auf den Bildschirm trifft. Crookes baute ein einfaches Gerät namens Crookes Spinthariskop, das zum Zählen von a-Teilchen entwickelt wurde.

Die visuelle Szintillationsmethode wurde später hauptsächlich zum Nachweis von a-Teilchen und Protonen mit einer Energie von mehreren Millionen Elektronenvolt verwendet. Einzelne schnelle Elektronen konnten nicht registriert werden, da sie sehr schwache Szintillationen verursachen. Bei der Bestrahlung eines Zinksulfid-Schirms mit Elektronen konnten manchmal Blitze beobachtet werden, dies geschah jedoch nur, wenn eine genügend große Anzahl von Elektronen gleichzeitig auf denselben Zinksulfid-Kristall traf.

Gammastrahlen verursachen keine Blitze auf dem Bildschirm, sondern erzeugen nur ein allgemeines Leuchten. Damit ist es möglich, a-Teilchen in Gegenwart starker g-Strahlung nachzuweisen.

Die visuelle Szintillationsmethode ermöglicht es, eine sehr kleine Anzahl von Teilchen pro Zeiteinheit zu registrieren. Die besten Bedingungen zum Zählen von Szintillationen sind gegeben, wenn ihre Anzahl zwischen 20 und 40 pro Minute liegt. Natürlich ist die Szintillationsmethode subjektiv und die Ergebnisse hängen bis zu einem gewissen Grad von den individuellen Qualitäten des Experimentators ab.

Trotz ihrer Mängel spielte die visuelle Szintillationsmethode eine große Rolle bei der Entwicklung der Kern- und Atomphysik. Rutherford benutzte es, um a-Teilchen zu registrieren, wenn sie an Atomen gestreut wurden. Es waren diese Experimente, die Rutherford zur Entdeckung des Kerns führten. Mit der visuellen Methode war es erstmals möglich, schnelle Protonen nachzuweisen, die beim Beschuss mit a-Teilchen aus Stickstoffkernen herausgeschlagen wurden, d.h. erste künstliche Spaltung des Kerns.

Die visuelle Szintillationsmethode war bis in die 1930er Jahre von großer Bedeutung, als sie durch das Aufkommen neuer Methoden zum Nachweis von Kernstrahlung für einige Zeit in Vergessenheit geriet. Das Szintwurde Ende der 1940er Jahre auf neuer Basis wiederbelebt. Zu diesem Zeitpunkt waren Photomultiplier-Röhren (PMTs) entwickelt worden, die es ermöglichten, sehr schwache Lichtblitze zu registrieren. Es wurden Szintillationszähler geschaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Zählrate gegenüber der visuellen Methode um den Faktor 108 und noch mehr zu erhöhen, und es ist auch möglich, sowohl geladene Teilchen als auch energetisch zu registrieren und zu analysieren Neutronen und g-Strahlen.

§ 1. Das Funktionsprinzip des Szintillationszählers

Ein Szintillationszähler ist eine Kombination aus einem Szintillator (Phosphor) und einem Photomultiplier (PMT). Das Zähler-Kit enthält auch eine PMT-Stromversorgung und eine Funkausrüstung, die eine Verstärkung und Registrierung von PMT-Impulsen ermöglicht. Manchmal wird die Kombination von Phosphor mit einem Photomultiplier durch ein spezielles optisches System (Lichtleiter) hergestellt.

Das Funktionsprinzip des Szintillationszählers ist wie folgt. Ein geladenes Teilchen, das in den Szintillator eintritt, erzeugt eine Ionisation und Anregung seiner Moleküle, die nach sehr kurzer Zeit (10 -6 - 10 -9 Sek ) durch Emission von Photonen in einen stabilen Zustand übergehen. Es gibt einen Lichtblitz (Szintillation). Einige der Photonen treffen auf die PMT-Photokathode und schlagen daraus Photoelektronen heraus. Letztere werden unter Einwirkung der an den PMT angelegten Spannung fokussiert und auf die erste Elektrode (Dynode) des Elektronenvervielfachers gerichtet. Als Ergebnis der Sekundärelektronenemission steigt die Anzahl der Elektronen wie eine Lawine an, und am PMT-Ausgang erscheint ein Spannungsimpuls, der dann verstärkt und von Funkgeräten aufgezeichnet wird.

Die Amplitude und Dauer des Ausgangsimpulses werden durch die Eigenschaften sowohl des Szintillators als auch des PMT bestimmt.

Als Phosphor werden verwendet:

organische Kristalle,

Flüssige organische Szintillatoren,

Hartplastik-Szintillatoren,

Gas-Szintillatoren.

Die Hauptmerkmale von Szintillatoren sind: Lichtleistung, spektrale Zusammensetzung der Strahlung und Dauer der Szintillationen.

Wenn ein geladenes Teilchen einen Szintillator passiert, entsteht darin eine bestimmte Anzahl von Photonen mit der einen oder anderen Energie. Einige dieser Photonen werden im Volumen des Szintillators selbst absorbiert und andere Photonen mit etwas geringerer Energie werden stattdessen emittiert. Als Ergebnis von Reabsorptionsprozessen werden Photonen herauskommen, deren Spektrum für einen bestimmten Szintillator charakteristisch ist.

Die Lichtleistung oder Konversionseffizienz des Szintillators c ist das Verhältnis der Lichtblitzenergie , nach draußen gehen, auf die Menge an Energie E im Szintillator verlorenes geladenes Teilchen
wo - die durchschnittliche Anzahl der ausgehenden Photonen, - mittlere Photonenenergie. Jeder Szintillator emittiert keine monoenergetischen Quanten, sondern ein für diesen Szintillator charakteristisches kontinuierliches Spektrum.

Es ist sehr wichtig, dass das Spektrum der aus dem Szintillator austretenden Photonen mit der spektralen Charakteristik des Photomultipliers übereinstimmt oder zumindest teilweise überlappt.

Der Grad der Überlappung des äußeren Szintillationsspektrums mit der spektralen Antwort. dieser PMT wird durch den Anpassungskoeffizienten bestimmt wo ist das externe Spektrum des Szintillators oder das Spektrum der Photonen, die aus dem Szintillator kommen. In der Praxis wird beim Vergleich von Szintillatoren in Kombination mit PMT-Daten das Konzept der Szintillationseffizienz eingeführt, das durch den folgenden Ausdruck bestimmt wird:

wo ich 0 - Maximalwert der Szintillationsintensität; t 0 - Abklingzeitkonstante, definiert als die Zeit, in der die Szintillationsintensität abnimmt e einmal.

Anzahl der Lichtphotonen n , im Laufe der Zeit emittiert t nach dem Auftreffen des detektierten Teilchens wird durch die Formel ausgedrückt

wo ist die Gesamtzahl der Photonen, die während des Szintillationsprozesses emittiert werden.

Die Prozesse der Lumineszenz (Glühen) von Phosphor werden in zwei Arten unterteilt: Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Wenn das Blinken direkt während der Erregung oder während eines Zeitintervalls in der Größenordnung von 10 –8 auftritt Sek, Den Vorgang nennt man Fluoreszenz. Intervall 10 -8 Sek gewählt, weil sie größenordnungsmäßig der Lebensdauer eines Atoms im angeregten Zustand für die sogenannten erlaubten Übergänge entspricht.

Obwohl Spektren und Dauer der Fluoreszenz nicht von der Art der Anregung abhängen, hängt die Fluoreszenzausbeute wesentlich davon ab. Wenn also ein Kristall durch a-Teilchen angeregt wird, ist die Fluoreszenzausbeute fast eine Größenordnung geringer als bei einer Lichtanregung.

Unter Phosphoreszenz versteht man Lumineszenz, die nach Beendigung der Anregung noch längere Zeit anhält. Aber der Hauptunterschied zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz ist nicht die Dauer des Nachleuchtens. Die Phosphoreszenz von Kristallleuchtstoffen entsteht durch die Rekombination von Elektronen und Löchern, die während der Anregung entstanden sind. Bei einigen Kristallen kann das Nachleuchten verlängert werden, da Elektronen und Löcher von "Fallen" eingefangen werden, aus denen sie erst nach Erhalt zusätzlicher notwendiger Energie freigesetzt werden können. Somit ist die Abhängigkeit der Phosphoreszenzdauer von der Temperatur offensichtlich. Bei komplexen organischen Molekülen ist die Phosphoreszenz mit ihrem Vorliegen in einem metastabilen Zustand verbunden, wobei die Wahrscheinlichkeit des Übergangs von diesem in den Grundzustand gering sein kann. Und in diesem Fall wird die Abhängigkeit der Abklingrate der Phosphoreszenz von der Temperatur beobachtet.