O dispositivo básico de um contador de cintilação é bastante simples. Uma partícula radioativa atinge o cintilador, como resultado, suas moléculas passam para um estado excitado. Em seguida, seu retorno ao principal estado de energia acompanhada pela emissão de um fóton, que é registrado pelo detector. Assim, o número de flashes (cintilações) é proporcional ao número de partículas radioativas absorvidas. Intensidade medida radiação de fótons então convertido na intensidade de radiação de partículas radioativas.

Os contadores de cintilação são uma alternativa aos dispositivos com contadores Geiger-Muller, embora tenham uma série de vantagens significativas sobre o último. A eficiência do registro da radiação gama com a ajuda deles atinge 100%. No entanto, isso não é o mais importante. O principal é que, com a ajuda deles, você pode registrar radiação beta e até alfa. Como se sabe, as partículas alfa, expressas em termos de física nuclear, são pesados, seu alcance mesmo no ar é de apenas centímetros, e uma folha de papel comum colocada em seu caminho os absorverá completamente. Obviamente, o registro de tais partículas com a ajuda de um tubo de descarga de gás está fora de questão; essas partículas simplesmente não podem penetrar através de suas paredes. Contadores de cintilação líquida, dispositivos de cintilação líquida, vêm em socorro. A amostra radioativa é introduzida na cubeta com a solução cintiladora e então instalada no balcão. Em tal situação, uma partícula radioativa, saindo da molécula da amostra em estudo, colide imediatamente com as moléculas cintilantes que a cercam e, em seguida, tudo o que está descrito acima.

Os contadores de cintilação são amplamente utilizados em medicina e radiobiologia. Os mais populares em todo o mundo são os dispositivos dos fabricantes americanos Beckman Coulter e Perkin Elmer.

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- Como funciona um contador de cintilação

- Cintiladores

- Fotomultiplicadores

- Projetos de contadores de cintilação

- Propriedades dos contadores de cintilação

- Exemplos de uso de contadores de cintilação

- Lista de literatura usada

CONTADORES DE CINTILAÇÃO

O método de detecção de partículas carregadas contando flashes de luz que ocorrem quando essas partículas atingem uma tela de sulfeto de zinco (ZnS) é um dos primeiros métodos para detectar radiação nuclear.

Já em 1903, Crookes e outros mostraram que, se uma tela de sulfeto de zinco irradiada com partículas a for vista através de uma lupa em uma sala escura, pode-se notar o aparecimento de flashes individuais de luz de curto prazo - cintilações. Descobriu-se que cada uma dessas cintilações é criada por uma partícula a separada que atinge a tela. Crookes construiu um dispositivo simples chamado spintariscope Crookes, projetado para contar partículas a.

O método de cintilação visual foi posteriormente usado principalmente para detectar partículas a e prótons com uma energia de vários milhões de elétron-volts. Não foi possível registrar elétrons rápidos individuais, pois causam cintilações muito fracas. Às vezes, quando uma tela de sulfeto de zinco era irradiada com elétrons, era possível observar flashes, mas isso acontecia apenas quando era suficiente grande número elétrons.

Os raios gama não causam flashes na tela, criando apenas um brilho geral. Isso torna possível detectar partículas a na presença de forte radiação g.

O método de cintilação visual permite registrar um número muito pequeno de partículas por unidade de tempo. Melhores condições para contar as cintilações são obtidas quando o seu número se situa entre 20 e 40 por minuto. Claro, o método de cintilação é subjetivo, e os resultados dependem em certa medida qualidades individuais experimentador.

Apesar de suas deficiências, o método de cintilação visual desempenhou um papel grande papel no desenvolvimento da física nuclear e atômica. Rutherford usou-o para registrar partículas a à medida que eram espalhadas por átomos. Foram esses experimentos que levaram Rutherford à descoberta do núcleo. Pela primeira vez, o método visual tornou possível detectar prótons rápidos eliminados de núcleos de nitrogênio quando bombardeados com partículas a, ou seja, primeira fissão artificial do núcleo.

O método de cintilação visual teve grande importância até os anos trinta, quando o surgimento de novos métodos de registro de radiação nuclear o fez esquecer por algum tempo. O método de registro de cintilação foi revivido no final dos anos quarenta do século XX em nova base. Nessa época, foram desenvolvidos tubos fotomultiplicadores (PMTs) que permitiam registrar flashes de luz muito fracos. Foram criados contadores de cintilação, com os quais é possível aumentar a taxa de contagem em 108 ou até mais vezes em comparação com método visual, e também é possível registrar e analisar em termos de energia tanto partículas carregadas quanto nêutrons e raios-g.

§ 1. O princípio de funcionamento do contador de cintilação

Um contador de cintilação é uma combinação de um cintilador (fósforo) e um tubo fotomultiplicador (PMT). O kit contador também inclui uma fonte de alimentação PMT e equipamento de rádio que fornece amplificação e registro de pulsos PMT. Às vezes a combinação de fósforo com PMT é feita através de um sistema óptico(luz guia).

O princípio de funcionamento do contador de cintilação é o seguinte. Uma partícula carregada entrando no cintilador produz ionização e excitação de suas moléculas, que, após um pouco tempo (10-6- 10-9 segundos ) entrar em um estado estável emitindo fótons. Há um flash de luz (cintilação). Alguns dos fótons atingem o fotocátodo PMT e eliminam fotoelétrons dele. Estes últimos, sob a ação da tensão aplicada ao PMT, são focados e direcionados para o primeiro eletrodo (dinodo) do multiplicador de elétrons. Além disso, como resultado da emissão secundária de elétrons, o número de elétrons aumenta como uma avalanche, e um pulso de voltagem aparece na saída do PMT, que é então amplificado e gravado pelo equipamento de rádio.

A amplitude e a duração do pulso de saída são determinadas pelas propriedades do cintilador e do PMT.

Como o fósforo é usado:

cristais orgânicos,

Cintiladores orgânicos líquidos,

cintiladores de plástico duro,

cintiladores de gás.

As principais características dos cintiladores são: saída de luz, composição espectral radiação e duração das cintilações.

Quando uma partícula carregada passa por um cintilador, um certo número de fótons com uma energia ou outra surgem nele. Alguns desses fótons serão absorvidos no volume do próprio cintilador, e outros fótons com energia um pouco mais baixa serão emitidos em seu lugar. Como resultado dos processos de reabsorção, sairão fótons, cujo espectro é característico de um determinado cintilador.

A saída de luz ou eficiência de conversão do cintilador c é a razão da energia do flash de luz , indo para fora, para a quantidade de energia E partícula carregada perdida no cintilador

Onde - o número médio de fótons saindo, - energia média fótons. Cada cintilador emite não quanta monoenergéticos, mas um espectro contínuo característico desse cintilador.

É muito importante que o espectro de fótons que emergem do cintilador coincida ou pelo menos parcialmente se sobreponha com a característica espectral do fotomultiplicador.

O grau de sobreposição do espectro de cintilação externo com a resposta espectral. deste PMT é determinado pelo coeficiente de correspondência

onde é o espectro externo do cintilador ou o espectro de fótons que saem do cintilador. Na prática, ao comparar cintiladores combinados com dados PMT, introduz-se o conceito de eficiência de cintilação, que é determinado pela seguinte expressão:

Onde EU 0 - valor máximo de intensidade de cintilação; t - constante de tempo de decaimento, definida como o tempo durante o qual a intensidade de cintilação diminui em e uma vez.

Número de fótons de luz n , emitido ao longo do tempo t após o acerto da partícula detectada, é expresso pela fórmula

Onde - número total fótons emitidos durante o processo de cintilação.

Os processos de luminescência (brilho) do fósforo são divididos em dois tipos: fluorescência e fosforescência. Se o lampejo ocorrer diretamente durante a excitação ou durante um período de tempo da ordem de 10-8 segundo, o processo é chamado de fluorescência. Intervalo 10-8 segundo escolhido porque é igual em ordem de grandeza ao tempo de vida de um átomo em estado excitado para as chamadas transições permitidas.

Embora os espectros e a duração da fluorescência não dependam do tipo de excitação, o rendimento da fluorescência depende essencialmente dele. Assim, quando um cristal é excitado por partículas a, o rendimento de fluorescência é quase uma ordem de magnitude menor do que quando é fotoexcitado.

A fosforescência é entendida como luminescência, que continua por um tempo considerável após o término da excitação. Mas a principal diferença entre fluorescência e fosforescência não é a duração do pós-brilho. A fosforescência de fósforos de cristal surge da recombinação de elétrons e buracos que surgiram durante a excitação. Em alguns cristais, o brilho residual pode ser prolongado devido ao fato de que elétrons e buracos são capturados por "armadilhas", das quais podem ser liberados somente após receberem energia adicional. a energia necessária. Assim, a dependência da duração da fosforescência na temperatura é óbvia. Em caso de complexo moléculas orgânicas fosforescência está associada à sua presença em um estado metaestável, a probabilidade de transição do qual para o estado fundamental pode ser pequena. E neste caso, a dependência da taxa de decaimento da fosforescência na temperatura será observada.

§ 2. Cintiladores

Cintiladores inorgânicos . Os cintiladores inorgânicos são cristais sais inorgânicos. Uso pratico na técnica de cintilação têm principalmente compostos de halogênio de alguns metais alcalinos.

O processo de formação de cintilação pode ser representado usando teoria da zona corpo sólido. Em um átomo separado que não interage com outros, os elétrons estão localizados em pontos discretos bem definidos. níveis de energia. Em um sólido, os átomos estão a distâncias próximas e sua interação é bastante forte. Graças a essa interação, os níveis de conchas de elétrons se dividem e formam zonas separadas umas das outras por band gaps. A banda mais externa permitida preenchida com elétrons é a banda de valência. Acima está uma zona livre - a banda de condução. Entre a banda de valência e a banda de condução existe um band gap, cuja largura de energia é de vários elétron-volts.

Se o cristal contém quaisquer defeitos, distúrbios de rede ou átomos de impureza, nesse caso, é possível o aparecimento de níveis eletrônicos de energia localizados no band gap. Sob ação externa, por exemplo, quando uma partícula carregada rapidamente passa por um cristal, os elétrons podem passar da banda de valência para a banda de condução. Permanecerá na banda de valência vagas, que têm as propriedades de partículas carregadas positivamente com uma carga unitária e são chamadas de buracos.

O processo descrito é o processo de excitação do cristal. A excitação é removida pela transição reversa de elétrons da banda de condução para a banda de valência, e ocorre a recomendação de elétrons e lacunas. Em muitos cristais, a transição de um elétron da banda de condução para a banda de valência ocorre através de centros luminescentes intermediários, cujos níveis estão no band gap. Esses centros são devidos à presença de defeitos ou átomos de impureza no cristal. Durante a transição de elétrons em dois estágios, os fótons são emitidos com uma energia menor que o band gap. Para esses fótons, a probabilidade de absorção no próprio cristal é pequena e, portanto, a saída de luz para ele é muito maior do que para um cristal puro não dopado.

Na prática, para aumentar a saída de luz dos cintiladores inorgânicos, são introduzidas impurezas especiais de outros elementos, chamados ativadores. Por exemplo, o tálio é introduzido como um ativador em um cristal de iodeto de sódio. O cintilador baseado no cristal NaJ(Tl) tem uma saída de luz alta. O cintilador NaJ(Tl) tem vantagens significativas em relação aos contadores a gás:

Maior eficiência registro de raios-G (com cristais grandes, a eficiência do registro pode chegar a dezenas de por cento);

curta duração de cintilação (2,5 10-7 seg);

conexão linear entre a amplitude do pulso e a quantidade de energia perdida pela partícula carregada.

A última propriedade precisa de alguma explicação. A saída de luz do cintilador tem alguma dependência da perda de energia específica de uma partícula carregada.

Em muito grandes quantidades violações significativas são possíveis. estrutura de cristal cintilador, que levam ao aparecimento de centros locais de extinção. Esta circunstância pode levar a uma diminuição relativa na saída de luz. De fato, os fatos experimentais indicam que para partículas pesadas o rendimento é não linear, e dependência linear começa a se manifestar apenas com uma energia de vários milhões de elétron-volts. A Figura 1 mostra as curvas de dependência E: curva 1 para elétrons, curva 2 para partículas.

Além dos cintiladores de haletos alcalinos indicados, às vezes são usados ​​outros cristais inorgânicos: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4, etc.

Cintiladores cristalinos orgânicos. As forças de ligação molecular em cristais orgânicos são pequenas em comparação com as forças que atuam em cristais inorgânicos. Portanto, as moléculas que interagem praticamente não perturbam a energia níveis eletrônicos entre si e o processo de luminescência de um cristal orgânico é um processo característico de moléculas individuais. No estado eletrônico fundamental, a molécula tem vários níveis vibracionais. Sob a influência da radiação detectada, a molécula passa para um estado eletrônico, que também corresponde a vários níveis vibracionais. A ionização e a dissociação de moléculas também são possíveis. Como resultado da recombinação de uma molécula ionizada, ela geralmente é formada em um estado excitado. Inicialmente molécula excitada pode estar ligado níveis altos excitação e após um curto período de tempo (~10-11 seg) emite um fóton de alta energia. Esse fóton é absorvido por outra molécula, e parte da energia de excitação dessa molécula pode ser gasta em movimento térmico e o fóton emitido posteriormente terá uma energia menor que o anterior. Após vários ciclos de emissão e absorção, formam-se moléculas que estão no primeiro nível excitado; eles emitem fótons, cuja energia já pode ser insuficiente para excitar outras moléculas, e assim o cristal será transparente à radiação emergente.

Arroz. 2. Dependência da saída de luz

antraceno de energia para várias partículas.

Graças a o máximo de a energia de excitação é gasta no movimento térmico, a saída de luz (eficiência de conversão) do cristal é relativamente pequena e equivale a alguns por cento.

Para o registro de radiação nuclear, os seguintes cristais orgânicos são mais amplamente utilizados: antraceno, estilbeno, naftaleno. O antraceno tem uma saída de luz bastante alta (~4%) e um tempo de brilho curto (3 10-8 seg). Mas ao registrar partículas carregadas pesadas, uma dependência linear da intensidade de cintilação é observada apenas em um nível bastante altas energias partículas.

Na fig. A Figura 2 mostra os gráficos da dependência da saída de luz c (em unidades arbitrárias) da energia dos elétrons 1, prótons 2 , deuterons 3 e a-partículas 4 .

Estilbeno, embora tenha uma saída de luz ligeiramente menor que o antraceno, mas a duração da cintilação é muito menor (7 10-9 seg), que a do antraceno, o que permite utilizá-lo naqueles experimentos onde é necessário o registro de radiações muito intensas.

cintiladores de plástico. Cintiladores de plástico são soluções sólidas de compostos orgânicos fluorescentes em uma substância transparente adequada. Por exemplo, soluções de antraceno ou estilbeno em poliestireno ou plexiglass. As concentrações da substância fluorescente dissolvida são geralmente baixas, alguns décimos de por cento ou alguns por cento.

Como há muito mais solvente do que o cintilador dissolvido, é claro que a partícula registrada produz principalmente a excitação das moléculas do solvente. A energia de excitação é posteriormente transferida para as moléculas cintiladoras. Obviamente, o espectro de emissão do solvente deve ser mais difícil do que o espectro de absorção do soluto, ou pelo menos combinar com ele. Fatos experimentais mostram que a energia de excitação do solvente é transferida para as moléculas cintiladoras devido ao mecanismo de fótons, ou seja, as moléculas do solvente emitem fótons, que são então absorvidos pelas moléculas do soluto. Outro mecanismo de transferência de energia também é possível. Uma vez que a concentração do cintilador é baixa, a solução é praticamente transparente à radiação cintilante resultante.

Os cintiladores de plástico têm vantagens significativas sobre os cintiladores cristalinos orgânicos:

A capacidade de fabricar cintiladores é muito tamanhos grandes;

A possibilidade de introduzir misturadores de espectro no cintilador para obter uma melhor correspondência do seu espectro de luminescência com a característica espectral do fotocátodo;

Possibilidade de introdução no cintilador várias substâncias necessário em experimentos especiais (por exemplo, no estudo de nêutrons);

Possibilidade de utilização de cintiladores de plástico em vácuo;

tempo de brilho curto (~3 10-9 seg). Cintiladores de plástico preparados pela dissolução de antraceno em poliestireno têm a maior emissão de luz. Uma solução de estilbeno em poliestireno também tem boas propriedades.

Cintiladores orgânicos líquidos. Os cintiladores orgânicos líquidos são soluções de cintiladores orgânicos em determinados solventes orgânicos líquidos.

O mecanismo de fluorescência em cintiladores líquidos é semelhante ao mecanismo que ocorre em cintiladores de soluções sólidas.

Xileno, tolueno e fenilciclohexano revelaram-se os solventes mais adequados, enquanto p-terfenilo, difeniloxazol e tetrafenilbutadieno revelaram-se os solventes mais adequados.

p-terfenil em xileno a uma concentração de soluto de 5 g/l.

As principais vantagens dos cintiladores líquidos:

Possibilidade de fabricação de grandes volumes;

Possibilidade de introdução no cintilador das substâncias necessárias em experiências especiais;

Curta duração do flash ( ~3 10-9seg).

cintiladores de gás. Quando partículas carregadas passam por vários gases, o aparecimento de cintilações foi observado neles. Os gases nobres pesados ​​(xenônio e criptônio) têm a maior emissão de luz. Uma mistura de xenônio e hélio também tem uma alta emissão de luz. A presença de 10% de xenônio no hélio fornece uma saída de luz ainda maior do que a do xenônio puro (Fig. 3). Impurezas desprezivelmente pequenas de outros gases reduzem drasticamente a intensidade das cintilações em gases nobres.

Arroz. 3. Dependência da saída de luz do gás

cintilador na proporção da mistura de hélio e xenônio.

Foi demonstrado experimentalmente que a duração dos flashes em gases nobres é curta (10-9 -10-8 seg), e a intensidade dos flashes ampla variedadeé proporcional à energia perdida das partículas registradas e não depende de sua massa e carga. Cintiladores de gás têm baixa sensibilidade à radiação-g.

A parte principal do espectro de luminescência está na região do ultravioleta distante, de modo que os conversores de luz são usados ​​para corresponder à sensibilidade espectral do fotomultiplicador. Este último deve ter uma alta taxa de conversão, transparência óptica em camadas finas, baixa elasticidade vapores saturados bem como resistência mecânica e química. Como materiais para conversores de luz, vários compostos orgânicos, Por exemplo:

difenilestilbeno (eficiência de conversão de cerca de 1);

P1p'-quaterfenil (~1);

antraceno (0,34), etc.

O conversor de luz é depositado em uma camada fina no fotocatodo fotomultiplicador. Um parâmetro importante de um conversor de luz é o seu tempo de flash. Nesse sentido, os conversores orgânicos são bastante satisfatórios (10-9 segundo ou várias unidades para 10-9 seg). Para aumentar a captação de luz, as paredes internas da câmara do cintilador são geralmente revestidas com refletores de luz (MgO, esmalte à base de óxido de titânio, fluoroplástico, óxido de alumínio, etc.).

§ 3. Multiplicadores fotoeletrônicos

Os principais elementos do PMT são: fotocátodo, sistema de focagem, sistema multiplicador (dinodo), ânodo (coletor). Todos esses elementos estão localizados em um recipiente de vidro evacuado a alto vácuo (10-6 mmHg.).

Para fins de espectrometria de radiação nuclear, o fotocátodo geralmente está localizado na superfície interior parte da extremidade plana do recipiente PMT. Como material do fotocátodo, é escolhida uma substância suficientemente sensível à luz emitida pelos cintiladores. Os mais difundidos são os fotocátodos de antimônio-césio, cuja sensibilidade espectral máxima está em l = 3900¸4200 A, que corresponde aos máximos dos espectros de luminescência de muitos cintiladores.

Arroz. 4. Diagrama esquemático do PMT.

Uma das características de um fotocátodo é o seu rendimento quântico, ou seja, a probabilidade de um fotoelétron ser ejetado por um fóton que atinge o fotocátodo. O valor de e pode chegar a 10-20%. As propriedades do fotocátodo também são caracterizadas pela sensibilidade integral, que é a razão entre a fotocorrente (mka) para incidente no fotocátodo fluxo luminoso (lm).

O fotocátodo é aplicado ao vidro como uma fina camada translúcida. A espessura desta camada é significativa. Por um lado, para uma grande absorção de luz, ela deve ser significativa, por outro lado, os fotoelétrons emergentes, tendo uma energia muito baixa, não conseguirão sair da camada espessa e o rendimento quântico efetivo pode acabar sendo seja pequeno. Portanto, a espessura ideal do fotocátodo é selecionada. Também é essencial garantir uma espessura uniforme do fotocátodo para que sua sensibilidade seja a mesma em toda a área. Na espectrometria G de cintilação, muitas vezes é necessário usar grandes cintiladores sólidos, tanto em espessura quanto em diâmetro. Portanto, torna-se necessário fabricar fotomultiplicadores com grandes diâmetros de fotocatodo. Nos fotomultiplicadores domésticos, os fotocátodos são feitos com diâmetro de vários centímetros a 15¸20 cm. os fotoelétrons eliminados do fotocátodo devem ser focados no primeiro eletrodo multiplicador. Para isso, é utilizado um sistema de lentes eletrostáticas, que é uma série de diafragmas de focagem. Para obter boas características temporais do PMT, é importante criar um sistema de focagem tal que os elétrons atinjam o primeiro dínodo com um tempo mínimo de dispersão. A Figura 4 mostra uma disposição esquemática de um fotomultiplicador. A alta tensão que alimenta o PMT é conectada ao cátodo com um pólo negativo e distribuída entre todos os eletrodos. A diferença de potencial entre o cátodo e o diafragma garante a focagem dos fotoelétrons no primeiro eletrodo multiplicador. Os eletrodos multiplicadores são chamados de dínodos. Os dínodos são feitos de materiais cujo coeficiente de emissão secundária é maior que a unidade (s>1). Nos PMTs domésticos, os dínodos são feitos na forma de uma calha (Fig. 4) ou na forma de persianas. Em ambos os casos, os dínodos estão dispostos em linha. Um arranjo anular de dínodos também é possível. PMTs com um sistema de dínodos em forma de anel têm as melhores características de tempo. A camada emissora de dínodos é uma camada de antimônio e césio ou uma camada de ligas especiais. Valor máximo s para emissores de antimônio-césio é alcançado em uma energia eletrônica de 350¸400 ev, e para emissores de liga - a 500¸550 ev. No primeiro caso s= 12¸14, no segundo s=7¸10. Nos modos de operação PMT, o valor de s é um pouco menor. Um fator de reemissão razoavelmente bom é s = 5.

Os fotoelétrons focados no primeiro dínodo eliminam os elétrons secundários dele. O número de elétrons que saem do primeiro dinodo é várias vezes mais número fotoelétrons. Todos eles são enviados para o segundo dínodo, onde os elétrons secundários também são eliminados, etc., de dínodo para dínodo, o número de elétrons aumenta s vezes.

Ao passar por todo o sistema de dínodos, o fluxo de elétrons aumenta em 5-7 ordens de magnitude e entra no ânodo - o eletrodo coletor do PMT. Se o PMT operar no modo de corrente, o circuito anódico inclui dispositivos que amplificam e medem a corrente. Ao registrar a radiação nuclear, geralmente é necessário medir o número de pulsos que surgem sob a influência de partículas ionizantes, bem como a amplitude desses pulsos. Nesses casos, uma resistência é incluída no circuito do ânodo, no qual ocorre um pulso de tensão.

Uma característica importante PMT é o fator de multiplicação M. Se o valor de s para todos os dínodos é o mesmo (com coleção completa de elétrons nos dínodos), e o número de dínodos é igual a n , então

A e B são constantes, u é a energia do elétron. fator de multiplicação M não igual ao coeficiente amplificação M", que caracteriza a relação entre a corrente na saída do PMT e a corrente que sai do cátodo

M" =CM,

Onde Com<1 - coeficiente de coleta de elétrons caracterizando a eficiência de coleta de fotoelétrons no primeiro dínodo.

É muito importante que o ganho seja constante. M" PMT tanto no tempo quanto com uma mudança no número de elétrons emergindo do fotocátodo. A última circunstância torna possível usar contadores de cintilação como espectrômetros de radiação nuclear.

Sobre interferência em fotomultiplicadores. Em contadores de cintilação, mesmo na ausência de irradiação externa, um grande número de pulsos pode aparecer na saída do PMT. Esses pulsos geralmente têm pequenas amplitudes e são chamados de pulsos de ruído. O maior número de pulsos de ruído deve-se ao aparecimento de termoelétrons do fotocátodo ou mesmo dos primeiros dínodos. O resfriamento é frequentemente usado para reduzir o ruído PMT. Ao registrar a radiação que cria pulsos de grande amplitude, um discriminador é incluído no circuito de gravação que não transmite pulsos de ruído.

Arroz. 5. Esquema de supressão de ruído PMT.

1. Ao registrar pulsos cuja amplitude é comparável ao ruído, é racional usar um cintilador com dois PMTs incluídos no circuito de coincidência (Fig. 5). Nesse caso, ocorre uma seleção temporal de pulsos decorrentes da partícula detectada. De fato, um flash de luz que surgiu no cintilador de uma partícula registrada atingirá simultaneamente os fluorocátodos de ambos os PMTs, e pulsos aparecerão simultaneamente em sua saída, forçando o circuito de coincidência a funcionar. A partícula será registrada. Os pulsos de ruído em cada um dos PMTs aparecem independentemente uns dos outros e na maioria das vezes não serão registrados pelo circuito de coincidência. Este método permite reduzir o fundo intrínseco do PMT em 2–3 ordens de magnitude.

O número de pulsos de ruído aumenta com a tensão aplicada, a princípio bastante lentamente, depois o aumento aumenta acentuadamente. A razão para este aumento acentuado no fundo é a emissão de campo das bordas afiadas dos eletrodos e o aparecimento de uma conexão iônica de feedback entre os últimos dínodos e o fotocátodo PMT.

Na região do ânodo, onde a densidade de corrente é mais alta, pode ocorrer o brilho tanto do gás residual quanto dos materiais estruturais. O brilho fraco resultante, bem como o feedback iônico, causam o aparecimento dos chamados pulsos de acompanhamento, que são 10-8 ¸10-7 separados no tempo dos principais. seg.

§ 4. Projetos de contadores de cintilação

Os seguintes requisitos são impostos aos projetos de contadores de cintilação:

Melhor coleção de luz de cintilação no fotocátodo;

Distribuição uniforme da luz sobre o fotocátodo;

Escurecimento da luz de fontes estranhas;

Nenhuma influência de campos magnéticos;

A estabilidade do ganho PMT.

Ao trabalhar com contadores de cintilação, é sempre necessário obter a maior relação entre a amplitude dos pulsos de sinal e a amplitude dos pulsos de ruído, o que força o uso ideal das intensidades de flash que surgem no cintilador. Normalmente, o cintilador é embalado em um recipiente de metal fechado em uma extremidade com vidro plano. Entre o recipiente e o cintilador é colocada uma camada de material que reflete a luz e contribui para sua saída mais completa. Óxido de magnésio (0,96), dióxido de titânio (0,95), gesso (0,85-0,90) têm a maior refletividade, o alumínio também é usado (0,55-0,85).

Atenção especial deve ser dada à embalagem cuidadosa dos cintiladores higroscópicos. Assim, por exemplo, o fósforo NaJ (Tl) mais comumente usado é muito higroscópico e quando a umidade penetra nele, fica amarelo e perde suas propriedades de cintilação.

Os cintiladores de plástico não precisam ser embalados em recipientes herméticos, mas um refletor pode ser colocado ao redor do cintilador para aumentar a coleta de luz. Todos os cintiladores sólidos devem ter uma janela de saída em uma extremidade, que é conectada ao fotocatodo fotomultiplicador. Pode haver perda significativa da intensidade da luz de cintilação na junção. Para evitar essas perdas, óleos de bálsamo canadense, minerais ou de silicone são introduzidos entre o cintilador e o PMT, e o contato óptico é criado.

Em alguns experimentos, por exemplo, medições no vácuo, em campos magnéticos, em campos fortes de radiação ionizante, o cintilador não pode ser colocado diretamente no fotocátodo PMT. Nesses casos, um guia de luz é usado para transmitir a luz do cintilador para o fotocátodo. Como guias de luz, são usadas hastes polidas feitas de materiais transparentes - como lucite, plexiglass, poliestireno, além de tubos de metal ou plexiglass preenchidos com um líquido transparente. A perda de luz em um guia de luz depende de suas dimensões geométricas e do material. Em alguns experimentos é necessário o uso de guias de luz curvas.

É melhor usar guias de luz com um grande raio de curvatura. As guias de luz também permitem articular cintiladores e PMTs de diferentes diâmetros. Neste caso, são utilizados guias de luz em forma de cone. O PMT é acoplado ao cintilador líquido por meio de um guia de luz ou por contato direto com o líquido. A Figura 6 mostra um exemplo de uma junta PMT com um cintilador líquido. Em vários modos de operação, o PMT é fornecido com uma tensão de 1000 a 2500 dentro. Como o ganho do PMT depende muito da tensão, a fonte de corrente de alimentação deve estar bem estabilizada. Além disso, a auto-estabilização é possível.

O PMT é alimentado por um divisor de tensão, que permite que cada eletrodo seja fornecido com o potencial apropriado. O pólo negativo da fonte de energia é conectado ao fotocátodo e a uma das extremidades do divisor. O pólo positivo e a outra extremidade do divisor são aterrados. Os resistores do divisor são selecionados de tal forma que o modo ideal de operação do PMT seja realizado. Para maior estabilidade, a corrente através do divisor deve ser uma ordem de magnitude maior do que as correntes de elétrons que fluem através do PMT.

Arroz. 6. Acoplamento PMT com um cintilador líquido.

1-cintilador líquido;

2- PMT;

3- escudo de luz.

Quando o contador de cintilação opera em modo pulsado, curto (~10-8 seg) impulsos, cuja amplitude pode ser de várias unidades ou várias dezenas de volts. Nesse caso, os potenciais nos últimos dínodos podem sofrer mudanças bruscas, pois a corrente através do divisor não tem tempo de repor a carga transportada da cascata pelos elétrons. Para evitar tais flutuações de potencial, as últimas resistências do divisor são desviadas com capacitâncias. Devido à seleção de potenciais nos dínodos, são criadas condições favoráveis ​​para a coleta de elétrons nesses dínodos, ou seja, um certo sistema óptico eletrônico correspondente ao regime ótimo é implementado.

Em um sistema elétron-óptico, a trajetória do elétron não depende da mudança proporcional nos potenciais em todos os eletrodos que formam este sistema elétron-óptico. Da mesma forma, em um multiplicador, quando a tensão de alimentação muda, apenas seu ganho muda, mas as propriedades ópticas eletrônicas permanecem inalteradas.

Com uma mudança desproporcional nos potenciais nos dínodos PMT, as condições para focar os elétrons na área onde a proporcionalidade é violada mudam. Esta circunstância é usada para auto-estabilização do ganho PMT. Para isso, o potencial

Arroz. 7. Parte do circuito divisor.

de um dos dínodos em relação ao potencial do dínodo anterior é constante, seja com a ajuda de uma bateria adicional ou com a ajuda de um divisor estabilizado adicionalmente. A Figura 7 mostra uma parte do circuito divisor, onde uma bateria adicional é conectada entre os dínodos D5 e D6 ( Ub = 90 dentro). Para obter o melhor efeito de auto-estabilização, é necessário selecionar o valor da resistência R". Usualmente R" mais R 3-4 vezes.

§ 5. Propriedades dos contadores de cintilação

Os contadores de cintilação têm as seguintes vantagens.

Alta resolução de tempo. A duração do pulso, dependendo dos cintiladores usados, varia de 10-6 a 10-9 segundo, Essa. por várias ordens de grandeza menor do que contadores com auto-descarga, o que permite taxas de contagem muito mais altas. Outra característica de tempo importante dos contadores de cintilação é o pequeno valor do atraso do pulso após a passagem da partícula registrada pelo fósforo (10-9 -10-8 seg). Isso permite o uso de esquemas de coincidência com tempo de baixa resolução (<10-8seg) e, consequentemente, para medir coincidências em muitas grandes cargas em canais individuais com um pequeno número de coincidências aleatórias.

Alta eficiência de registro g -raios e nêutrons. Para registrar um g-quantum ou um nêutron, é necessário que eles reajam com a substância do detector; neste caso, a partícula carregada secundária resultante deve ser registrada pelo detector. É óbvio que quanto mais substâncias estiverem no caminho dos raios-g ou nêutrons, maior será a probabilidade de sua absorção, maior será a eficiência de seu registro. Atualmente, quando grandes cintiladores são usados, a eficiência de detecção de raios g de várias dezenas de por cento é alcançada. A eficiência da detecção de nêutrons por cintiladores com substâncias especialmente introduzidas (10 V, 6 Li, etc.) também é muito maior do que a eficiência da detecção de nêutrons por contadores de descarga de gás.

Possibilidade de análise energética da radiação registrada. De fato, para partículas carregadas de luz (elétrons), a intensidade do flash em um cintilador é proporcional à energia perdida pela partícula nesse cintilador.

Usando contadores de cintilação ligados a analisadores de amplitude, pode-se estudar os espectros de elétrons e raios-G. A situação é um pouco pior com o estudo dos espectros de partículas carregadas pesadas (partículas a, etc.), que criam uma grande ionização específica no cintilador. Nesses casos, a proporcionalidade da intensidade da explosão da energia perdida não é observada em todas as energias das partículas e se manifesta apenas em energias superiores a um determinado valor. A relação não linear entre as amplitudes de pulso e a energia da partícula é diferente para diferentes fósforos e para diferentes tipos de partículas. Isso é ilustrado pelos gráficos nas Figuras 1 e 2.

A possibilidade de fabricar cintiladores de dimensões geométricas muito grandes. Isso significa que é possível detectar e analisar partículas de energia de energias muito altas (raios cósmicos), bem como partículas que interagem fracamente com a matéria (neutrinos).

Possibilidade de introduzir na composição de substâncias cintilantes com as quais os nêutrons interagem com uma grande seção transversal. Os fósforos LiJ(Tl), LiF, LiBr são usados ​​para detectar nêutrons lentos. Quando os nêutrons lentos interagem com 6 Li, ocorre a reação 6 Li(n,a)3H, na qual uma energia de 4,8 Mev.

§ 6. Exemplos de uso de contadores de cintilação

Medição dos tempos de vida dos estados excitados dos núcleos. Durante o decaimento radioativo ou em várias reações nucleares, os núcleos resultantes geralmente acabam em um estado excitado. O estudo das características quânticas dos estados excitados dos núcleos é uma das principais tarefas da física nuclear. Uma característica muito importante do estado excitado do núcleo é o seu tempo de vida t. Conhecer este valor permite obter muitas informações sobre a estrutura do núcleo.

Os núcleos atômicos podem estar em estado excitado por vários momentos. Existem vários métodos para medir esses tempos. Os contadores de cintilação provaram ser muito convenientes para medir os tempos de vida dos níveis nucleares de alguns segundos a frações muito pequenas de segundo. Como exemplo do uso de contadores de cintilação, consideraremos o método de coincidência atrasada. Deixe o núcleo A (veja a Fig. 10) por b-decaimento se transforma em um núcleo NO em estado excitado, que libera um excesso de sua energia para a emissão sucessiva de dois g-quanta (g1, g2). É necessário determinar o tempo de vida do estado excitado EU. A preparação contendo o isótopo A é instalada entre dois contadores com cristais de NaJ(Tl) (Fig. 8). Os pulsos gerados na saída do PMT são alimentados ao circuito de coincidência rápida com um tempo de resolução de ~10-8 -10-7 seg. Além disso, os pulsos são alimentados para amplificadores lineares e depois para analisadores de amplitude. Estes últimos são configurados de tal forma que passam pulsos de uma certa amplitude. Para o nosso propósito, ou seja, com o objetivo de medir a vida útil do nível EU(ver fig. 10), analisador de amplitude AAI deve passar apenas pulsos correspondentes à energia do fóton g1, e o analisador AAII - g2 .

Fig.8. Diagrama esquemático para definir

tempo de vida dos estados excitados dos núcleos.

Além disso, pulsos dos analisadores, bem como do circuito de coincidência rápida, são alimentados ao lento (t ~ 10-6 seg) padrão de correspondência tripla. No experimento, estuda-se a dependência do número de coincidências triplas no valor do atraso de tempo do pulso incluído no primeiro canal do circuito de coincidência rápida. Normalmente, o atraso de pulso é realizado usando a chamada linha de atraso variável LZ (Fig. 8).

A linha de atraso deve ser conectada exatamente ao canal em que o quantum g1 está registrado, pois é emitido antes do quantum g2. Como resultado do experimento, um gráfico semi-logarítmico da dependência do número de coincidências triplas no tempo de atraso é construído (Fig. 9), e o tempo de vida do nível excitado é determinado a partir dele EU(da mesma forma que é feito ao determinar a meia-vida usando um único detector).

Usando contadores de cintilação com um cristal NaJ(Tl) e o esquema considerado de coincidências rápidas-lentas, é possível medir os tempos de vida 10-7 -10-9 seg. Se cintiladores orgânicos mais rápidos forem usados, então tempos de vida mais curtos de estados excitados podem ser medidos (até 10-11 segundo).

Fig.9. A dependência do número de coincidências na magnitude do atraso.

Detecção de falhas de gama. A radiação nuclear, que tem alto poder de penetração, está sendo cada vez mais utilizada na tecnologia para detectar defeitos em tubulações, trilhos e outros grandes blocos metálicos. Para esses fins, uma fonte de radiação g e um detector de raios g são usados. O melhor detector neste caso é um contador de cintilação, que possui uma alta eficiência de detecção. A fonte de radiação é colocada em um recipiente de chumbo, do qual um estreito feixe de raios G emerge através de um orifício do colimador, iluminando o tubo. Um contador de cintilação é instalado no lado oposto do tubo. A fonte e o contador são colocados em um mecanismo móvel que permite que eles sejam movidos ao longo do tubo e girados em torno de seu eixo. Passando pelo material do tubo, o feixe de raios-G será parcialmente absorvido; se o tubo for homogêneo, a absorção será a mesma em todos os lugares, e o contador sempre registrará o mesmo número (em média) de g-quanta por unidade de tempo, mas se houver um sumidouro em algum lugar do tubo, então o os raios-G serão menos absorvidos neste local, a velocidade de contagem aumentará. A localização da pia será revelada. Existem muitos exemplos de tal uso de contadores de cintilação.

Detecção experimental de neutrinos. Neutrino é a mais misteriosa das partículas elementares. Quase todas as propriedades dos neutrinos são obtidas a partir de dados indiretos. A teoria moderna do decaimento b assume que a massa do neutrino mn é igual a zero. Alguns experimentos nos permitem afirmar isso. O spin do neutrino é 1/2, momento magnético<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).

A criação de reatores nucleares, nos quais um número muito grande de núcleos com excesso de nêutrons, deu esperança para a detecção de antineutrinos. Todos os núcleos ricos em nêutrons decaem com a emissão de elétrons e, consequentemente, de antineutrinos. Perto de um reator nuclear com capacidade de várias centenas de milhares de quilowatts, o fluxo de antineutrinos é 1013 cm -2 · seg-1 - um fluxo de enorme densidade, e com a escolha de um detector de antineutrinos adequado, pode-se tentar detectá-los. Tal tentativa foi feita por Reines e Cowen em 1954. Os autores usaram a seguinte reação:

n + p ® n+e+ (1)

Nesta reação, as partículas do produto são o pósitron e o nêutron, que podem ser registrados.

Um cintilador líquido com um volume de ~1 m3, com alto teor de hidrogênio, saturado com cádmio. Os pósitrons produzidos na reação (1) aniquilaram em dois g-quanta com uma energia de 511 kev cada e causou o aparecimento do primeiro flash do cintilador. O nêutron foi desacelerado por vários microssegundos e capturado pelo cádmio. Nesta captura por cádmio, vários g-quanta foram emitidos com uma energia total de cerca de 9 Mev. Como resultado, um segundo flash apareceu no cintilador. Coincidências atrasadas de dois pulsos foram medidas. Para registrar os flashes, o cintilador líquido foi cercado por um grande número de fotomultiplicadores.

A taxa de contagem de coincidências atrasadas foi de três contagens por hora. A partir desses dados, obteve-se que a seção transversal da reação (Fig. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10 -43 cm2, que está próximo do valor calculado.

Atualmente, contadores de cintilação líquida muito grandes são usados ​​em muitos experimentos, em particular, em experimentos para medir fluxos de radiação g emitidos por humanos e outros organismos vivos.

Registro de fragmentos de fissão. Para o registro de fragmentos de fissão, os contadores de cintilação gasosa mostraram-se convenientes.

Normalmente, um experimento para estudar a seção de choque da fissão é montado da seguinte forma: uma camada do elemento em estudo é depositada sobre algum tipo de substrato e irradiada com um fluxo de nêutrons. Obviamente, quanto mais material físsil for usado, mais eventos de fissão ocorrerão. Mas como geralmente as substâncias físseis (por exemplo, elementos transurânicos) são emissores a, seu uso em quantidades significativas torna-se difícil devido ao grande fundo de partículas a. E se os eventos de fissão são estudados com a ajuda de câmaras de ionização pulsadas, então é possível sobrepor pulsos de partículas a em pulsos provenientes de fragmentos de fissão. Somente um instrumento com melhor resolução temporal permitirá utilizar grandes quantidades de material físsil sem impor pulsos uns aos outros. A este respeito, os contadores de cintilação de gás têm uma vantagem significativa sobre as câmaras de ionização pulsadas, uma vez que a duração do pulso do último é 2-3 ordens de grandeza maior do que a dos contadores de cintilação de gás. As amplitudes de pulso dos fragmentos de fissão são muito maiores do que as das partículas a e, portanto, podem ser facilmente separadas usando um analisador de amplitude.

Uma propriedade muito importante de um contador de cintilação gasosa é sua baixa sensibilidade aos raios G, uma vez que o aparecimento de partículas carregadas pesadas é frequentemente acompanhado por um fluxo intenso de raios G.

Câmera luminosa. Em 1952, os físicos soviéticos Zavoisky e outros fotografaram pela primeira vez os traços de partículas ionizantes em substâncias luminescentes usando conversores elétron-ópticos sensíveis (EOCs). Este método de detecção de partículas, chamado de câmera fluorescente, tem uma alta resolução de tempo. Os primeiros experimentos foram feitos usando um cristal CsJ (Tl).

Mais tarde, cintiladores de plástico na forma de hastes longas e finas (fios) começaram a ser usados ​​para fabricar a câmara luminescente. As roscas são empilhadas em fileiras de modo que as roscas em duas fileiras adjacentes fiquem em ângulos retos entre si. Isso oferece a possibilidade de observação estereoscópica para recriar a trajetória espacial das partículas. Imagens de cada um dos dois grupos de filamentos mutuamente perpendiculares são direcionadas para conversores elétron-ópticos separados. Os fios também desempenham o papel de guias de luz. A luz é dada apenas por aqueles fios que a partícula atravessa. Esta luz sai pelas extremidades dos respectivos fios, que são fotografados. Os sistemas são produzidos com um diâmetro de roscas individuais de 0,5 a 1,0 milímetros.

Literatura :

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2. V.O. Vyazemsky, I.I. Lomonossov, V. A. Ruzin. Método de cintilação em radiometria. M., Gosatomizdat, 1961.

3. Yu.A. Egorov. Método de cintilação de espectrometria de radiação gama e nêutrons rápidos. M., Atomizdat, 1963.

4. P.A. Tishkin. Métodos experimentais de física nuclear (detectores de radiação nuclear).

Editora da Universidade de Leningrado, 1970.

5 G. S. Landsberg. Livro elementar de física (volume 3). M., Nauka, 1971

Contador de cintilação

Princípio de operação e escopo

Em um contador de cintilação, a radiação ionizante causa um flash de luz no cintilador correspondente, que pode ser sólido ou líquido. Esse flash é transmitido para um tubo fotomultiplicador, que o transforma em um pulso de corrente elétrica. O pulso de corrente é amplificado nos estágios PMT subsequentes devido ao seu alto coeficiente de emissão secundária.

Apesar do fato de que, em geral, equipamentos eletrônicos mais complexos são necessários ao trabalhar com contadores de cintilação, esses contadores apresentam vantagens significativas sobre os contadores Geiger-Muller.

1. A eficiência na contagem de raios X e radiação gama é muito maior; em circunstâncias favoráveis, atinge 100%.

2. A saída de luz em alguns cintiladores é proporcional à energia da partícula excitante ou quântica.

3. A resolução temporal é maior.

O contador de cintilação é, portanto, um detector adequado para detectar radiação de baixa intensidade, para análise de distribuição de energia com requisitos de resolução não muito altos e para medições de coincidência em alta intensidade de radiação.

B) Cintilantes

1) Prótons e outras partículas altamente ionizantes. Se estamos falando apenas do registro dessas partículas, todos os tipos de cintiladores são igualmente adequados e, devido ao seu alto poder de parada, camadas com espessura da ordem de um milímetro e até menos são suficientes. Deve-se, no entanto, ter em mente que a saída de luz de prótons e partículas β em cintiladores orgânicos é apenas cerca de 1/10 da saída de luz de elétrons da mesma energia, enquanto em cintiladores inorgânicos ZnS e NaJ ambos são os mesmos. mesma ordem.

A relação entre a energia dos flashes de luz e a magnitude dos pulsos associados a ele, bem como a energia das partículas transferidas para o cintilador, para substâncias orgânicas é, em geral, não linear. Para ZnS 1 NaJ e CsJ, no entanto, essa dependência é quase linear. Devido à sua boa transparência à sua própria radiação fluorescente, os cristais NaJ e CsJ fornecem excelente resolução de energia; No entanto, deve-se tomar cuidado para garantir que a superfície através da qual as partículas penetram no cristal esteja muito limpa.

2) Nêutrons. Os nêutrons lentos podem ser detectados usando as reações Li6Hs, B10Li" ou CdlisCd114. Como cintiladores para este fim, cristais simples de LiJ, misturas de pó, por exemplo, 1 parte em peso de B 2 O 3 e 5 partes em peso de ZnS, são depositados diretamente no Janela PMT; também pode ser aplicado

Diagrama de blocos de um espectrômetro de cintilação. 1 - cintilador, 2 - PMT, h - fonte de alta tensão, 4 - seguidor de cátodo, e - amplificador linear, 6 - analisador de pulso de amplitude, 7 - dispositivo de gravação.

ZnS suspenso em B 2 O 3 fundido, compostos de boro correspondentes em cintiladores sintéticos e misturas de borato ou propionato de metil cádmio com cintiladores líquidos. Se for necessário excluir o efeito da radiação z nas medições de nêutrons, nas reações que causam a emissão de partículas pesadas, a relação acima para a saída de luz de vários cintiladores, dependendo do tipo de partículas, deve ser levada em consideração conta.

Os nêutrons rápidos são detectados usando prótons de recuo produzidos em substâncias contendo hidrogênio. Uma vez que um alto teor de hidrogênio ocorre apenas em cintiladores orgânicos, é difícil reduzir o efeito da radiação γ devido às razões acima. Os melhores resultados são alcançados se o processo de formação de prótons de recuo for separado da excitação do cintilador por raios-r. Neste caso, a camada deste último deve ser fina, sendo sua espessura determinada pelo alcance dos prótons de recuo, de modo que a probabilidade de detectar a radiação z seja substancialmente reduzida. Neste caso, é preferível usar ZnS como cintilador. Também é possível suspender ZnS em pó em uma substância artificial transparente contendo hidrogênio.

É quase impossível estudar o espectro de energia de nêutrons rápidos usando cintiladores. Isso é explicado pelo fato de que a energia dos prótons de recuo pode assumir todos os tipos de valores, até a energia total dos nêutrons, dependendo de como a colisão ocorre.

3) Elétrons, partículas p. Como para outros tipos de radiação, a resolução de energia do cintilador para elétrons depende da razão entre a energia da luz e a energia transferida para o cintilador pela partícula ionizante. Isso se deve ao fato de que a meia largura da curva de distribuição das magnitudes dos pulsos causados ​​por partículas monoenergéticas incidentes, devido a flutuações estatísticas, na primeira aproximação, é inversamente proporcional à raiz quadrada do número de fotoelétrons nocauteados do fotocátodo PMT. Dos cintiladores usados ​​atualmente, o NaJ 1 fornece as maiores amplitudes de pulso, e para os cintiladores orgânicos, o antraceno, que, outras coisas sendo iguais, fornece pulsos de amplitude aproximadamente duas vezes menor que o NaJ.

Como as seções de choque efetivas de espalhamento de elétrons aumentam fortemente com o aumento do número atômico, quando NaJ é usado, 80-90% de todos os elétrons incidentes são novamente dispersos do cristal; ao usar o antraceno, esse efeito chega a aproximadamente 10%. Elétrons espalhados causam impulsos, cuja magnitude é menor que o valor correspondente à energia total dos elétrons. Como resultado, é muito difícil quantificar os espectros β obtidos com cristais de NaJ. Portanto, para a espectroscopia β, muitas vezes é mais conveniente usar cintiladores orgânicos, que consistem em elementos com baixo número atômico.

A retrodifusão também pode ser enfraquecida pelos seguintes métodos. A substância cuja radiação β deve ser investigada é misturada com o cintilador se não suprimir a radiação fluorescente, ou colocada entre duas superfícies de cintiladores cuja Iryny 1 Ienne fluorescente atua no fotocátodo ou, finalmente, um cintilador é usado com um canal interno no qual passa a radiação.

A dependência entre a energia luminosa e a energia transferida para o cintilador por radiação é linear para NaJ. Para todos os cintiladores orgânicos, essa proporção diminui em baixas energias eletrônicas. Essa não linearidade deve ser levada em consideração na quantificação dos espectros.

4) Raios-X e radiação gama. O processo de interação da radiação eletromagnética com um cintilador consiste principalmente em três processos elementares.

No efeito fotoelétrico, a energia de um quantum é convertida quase completamente na energia cinética de um fotoelétron e, devido ao curto alcance do fotoelétron, é na maioria dos casos absorvida no cintilador. O quantum secundário correspondente à energia de ligação do elétron é absorvido pelo cintilador ou o deixa.

No efeito Compton, apenas parte da energia quântica é transferida para o elétron. Essa parte é absorvida com alta probabilidade no cintilador. O fóton espalhado, cuja energia diminuiu em uma quantidade igual à energia do elétron Compton, é também é absorvido pelo cintilador ou o deixa.

Durante a formação dos pares, a energia do quantum primário, menos a energia de formação dos pares, passa para a energia cinética deste par e é principalmente absorvida pelo cintilador. A radiação gerada durante a aniquilação de um elétron e um pósitron é absorvida no cintilador ou sai dele.

A dependência energética das seções de choque efetivas para esses processos é tal que, em baixas energias de fótons, ocorre principalmente o efeito fotoelétrico; A partir de uma energia de 1,02 Mae, pode-se observar a formação de pares, mas a probabilidade desse processo atinge um valor apreciável apenas em energias significativamente mais altas. Na região intermediária, o papel principal é desempenhado pelo efeito Compton.

Com o aumento do número atômico Z, as seções de choque efetivas para o efeito fotoelétrico e para a formação de pares aumentam muito mais fortemente do que com o efeito Compton. No entanto, neste caso, o elétron é transferido:

1) com o efeito fotoelétrico, - além da energia do quantum, que se transforma em energia do elétron já durante o efeito primário, ainda existe apenas a energia de ligação do fotoelétron, que corresponde à radiação secundária, mole e facilmente absorvido;

2) na formação de pares - apenas radiação de aniquilação com uma energia conhecida discreta. Com o efeito Compton, a energia dos elétrons secundários e quanta espalhados tem uma ampla gama de valores possíveis. Como, como já mencionado, os quanta secundários podem não sofrer absorção e deixar o cintilador, para facilitar a interpretação dos espectros, é conveniente estreitar ao máximo a região em que o efeito Komhtohj predomina escolhendo cintiladores com grande H, por exemplo, NaJ. Além disso, a razão entre a energia da luz e a energia transferida para o cintilador para NaJ é praticamente independente da energia dos elétrons, portanto, em todos os processos complexos em que os quanta são absorvidos, a mesma quantidade de luz é liberada .Tais processos complexos ocorrem com maior probabilidade, quanto maior o tamanho do cintilador.

A atenuação dos raios gama no antraceno, μ é o coeficiente de atenuação; f é o coeficiente de fotoabsorção, a é o coeficiente de espalhamento Compton, p é o coeficiente de formação de pares.

contador de cintilação, um dispositivo para detectar radiação nuclear e partículas elementares (prótons, nêutrons, elétrons, g-quanta, mésons, etc.), cujos principais elementos são uma substância que luminesce sob a ação de partículas carregadas (cintilador) e fotomultiplicador (FEU). As observações visuais de flashes de luz (cintilações) sob a ação de partículas ionizantes (partículas α, fragmentos de fissão nuclear) foram o principal método da física nuclear no início do século XX. (cm. Spintariscope ). Mais tarde S. com. foi completamente expulso câmaras de ionização e contadores proporcionais. Seu retorno à física nuclear ocorreu no final da década de 1940, quando PMTs multiestágios com alto ganho foram usados ​​para detectar cintilações, capazes de detectar flashes de luz extremamente fracos.

O princípio de ação de S. com. consiste no seguinte: uma partícula carregada que passa por um cintilador, juntamente com a ionização de átomos e moléculas, os excita. Retornando ao estado não excitado (terra), os átomos emitem fótons (veja a Fig. Luminescência ). Os fótons que atingem o cátodo PMT eliminam os elétrons (veja a Fig. Emissão fotoeletrônica ), como resultado, um pulso elétrico aparece no ânodo PMT, que é posteriormente amplificado e registrado (ver Fig. arroz. ). A detecção de partículas neutras (nêutrons, g-quanta) ocorre por partículas carregadas secundárias formadas durante a interação de nêutrons e g-quanta com átomos cintiladores.

Várias substâncias (sólidas, líquidas, gasosas) são usadas como cintiladores. São amplamente utilizados os plásticos, que são facilmente fabricados, usinados e dão um brilho intenso. Uma característica importante de um cintilador é a fração da energia da partícula detectada que é convertida em energia luminosa (a eficiência de conversão h). Os cintiladores cristalinos apresentam os maiores valores de h: NaI, Tl ativado, antraceno e ZnS. Dr. uma característica importante é o tempo de brilho t, que é determinado pelo tempo de vida nos níveis excitados. A intensidade do brilho após a passagem da partícula muda exponencialmente: , Onde EU 0 - intensidade inicial. Para a maioria dos cintiladores, t está na faixa de 10–9 - 10–5 seg. Os plásticos têm tempos de brilho curtos (Tabela 1). Quanto menor t, mais rápido o S. pode ser feito.

Para que um flash de luz seja registrado por um PMT, é necessário que o espectro de emissão do cintilador coincida com a região espectral de sensibilidade do fotocátodo PMT, e o material cintilador deve ser transparente à sua própria radiação. Para Registro nêutrons lentos Li ou B é adicionado ao cintilador. Nêutrons rápidos são detectados usando cintiladores contendo hidrogênio (veja a Fig. Detectores de nêutrons ). Para espectrometria de g-quanta e elétrons de alta energia, Nal (Tl) é usado, que tem uma alta densidade e um alto número atômico efetivo (ver Fig. Radiação gama ).

S. s. são feitos com cintiladores de tamanhos diferentes - de 1-2 milímetros 3 a 1-2 m 3 . Para não "perder" a luz emitida, é necessário um bom contato entre o PMT e o cintilador. Em S. com. um pequeno cintilador é colado diretamente no fotocátodo PMT. Todos os outros lados são cobertos com uma camada de material refletivo (por exemplo, MgO, TiO 2). Em S. com. uso de tamanho grande guias de luz (geralmente vidro orgânico polido).

Os PMTs destinados a S. s. devem ter uma alta eficiência de fotocatodo (até 2,5%), alto ganho (10 8 -10 8), tempo de coleta de elétrons curto (10 -8 segundo) em alta estabilidade deste tempo. Este último permite alcançar a resolução no tempo S. s. £ 10 -9 seg. O alto ganho do PMT, juntamente com um baixo nível de ruído intrínseco, torna possível detectar elétrons individuais eliminados do fotocátodo. O sinal no ânodo PMT pode chegar a 100 dentro.

Aba. 1. - Características de alguns cintiladores sólidos e líquidos,

usado em contadores de cintilação

Substância	Densidade, g/cm3	Tempo de brilho, t , 10 -9 seg.		Eficiência de conversão h, % (para elétrons)
cristais
Antraceno C 14 H 10
Estilbeno C 14 H 12
Líquidos
Solução R-terfenil em xileno (5 g/l) com a adição de POPOP 1 (0,1 g/l)
Solução R-terfenil em tolueno (4 g/l) com a adição de POPOP (0,1 g/l)
Plásticos
Poliestireno com adição R-terfenil (0,9%) e a-NPO 2 (0,05% em peso)
Poliviniltolueno com adição de 3,4% R-terfenil e 0,1% em peso de POPOP

1 POPOP - 1,4-di-benzeno. 2 NPO-2-(1-naftil)-5-feniloxazol.

Vantagens de S. com.: alta eficiência de registro de várias partículas (praticamente 100%); Rapidez; a possibilidade de fabricar cintiladores de diferentes tamanhos e configurações; alta confiabilidade e custo relativamente baixo. Graças a essas qualidades S. com. amplamente utilizado em física nuclear, física de partículas elementares e raios cósmicos, na indústria (controle de radiação), dosimetria, radiometria, geologia, medicina, etc. Desvantagens do S.S.: baixa sensibilidade a partículas de baixa energia (£ 1 kev), resolução de baixa energia (ver Fig. Espectrômetro de cintilação ).

Para estudar partículas carregadas de baixas energias (< 0,1 mev) e fragmentos de fissão nuclear, gases são usados ​​como cintiladores (Tabela 2). Os gases têm uma dependência linear da magnitude do sinal com a energia da partícula em uma ampla faixa de energias, resposta rápida e capacidade de alterar o poder de parada alterando a pressão. Além disso, a fonte pode ser introduzida no volume do cintilador de gás. No entanto, os cintiladores de gás requerem alta pureza do gás e um PMT especial com janelas de quartzo (uma parte significativa da luz emitida está na região ultravioleta).

Aba. 2. - Características de alguns gases utilizados como

cintiladores em contadores de cintilação (a uma pressão de 740 milímetros

art. Arte., para partículas a com energia 4,7 mev)

	Tempo de iluminação t,	Comprimento de onda no máximo do espectro,	Eficiência de conversão n, %
	3 × 10 -9

Aceso.: Birke J., Scintillation counters, trad. de English, M., 1955; Kalashnikova V. I., Kozodaev M. S., Detectores de partículas elementares, no livro: Métodos experimentais de física nuclear, M., 1966; Ritson D., Métodos experimentais em física de alta energia, trans. de Inglês, M., 1964.

Grande Enciclopédia Soviética M.: "Enciclopédia Soviética", 1969-1978

- Como funciona um contador de cintilação

- Cintiladores

- Fotomultiplicadores

- Projetos de contadores de cintilação

- Propriedades dos contadores de cintilação

- Exemplos de uso de contadores de cintilação

- Lista de literatura usada

CONTADORES DE CINTILAÇÃO

O método de detecção de partículas carregadas contando flashes de luz que ocorrem quando essas partículas atingem uma tela de sulfeto de zinco (ZnS) é um dos primeiros métodos para detectar radiação nuclear.

Já em 1903, Crookes e outros mostraram que, se uma tela de sulfeto de zinco irradiada com partículas a for vista através de uma lupa em uma sala escura, pode-se notar o aparecimento de flashes individuais de luz de curto prazo - cintilações. Descobriu-se que cada uma dessas cintilações é criada por uma partícula a separada que atinge a tela. Crookes construiu um dispositivo simples chamado spintariscope Crookes, projetado para contar partículas a.

O método de cintilação visual foi posteriormente usado principalmente para detectar partículas a e prótons com uma energia de vários milhões de elétron-volts. Não foi possível registrar elétrons rápidos individuais, pois causam cintilações muito fracas. Às vezes, quando uma tela de sulfeto de zinco era irradiada com elétrons, era possível observar flashes, mas isso acontecia apenas quando um número suficientemente grande de elétrons atingia o mesmo cristal de sulfeto de zinco ao mesmo tempo.

Os raios gama não causam flashes na tela, criando apenas um brilho geral. Isso torna possível detectar partículas a na presença de forte radiação g.

O método de cintilação visual permite registrar um número muito pequeno de partículas por unidade de tempo. As melhores condições para a contagem de cintilações são obtidas quando o seu número se situa entre 20 e 40 por minuto. Claro, o método de cintilação é subjetivo, e os resultados até certo ponto dependem das qualidades individuais do experimentador.

Apesar de suas deficiências, o método de cintilação visual desempenhou um grande papel no desenvolvimento da física nuclear e atômica. Rutherford usou-o para registrar partículas a à medida que eram espalhadas por átomos. Foram esses experimentos que levaram Rutherford à descoberta do núcleo. Pela primeira vez, o método visual tornou possível detectar prótons rápidos eliminados de núcleos de nitrogênio quando bombardeados com partículas a, ou seja, primeira fissão artificial do núcleo.

O método visual das cintilações teve grande importância até a década de 30, quando o surgimento de novos métodos de registro da radiação nuclear o deixou esquecido por algum tempo. O método de registro de cintilação foi revivido no final da década de 1940 em uma nova base. Nessa época, foram desenvolvidos tubos fotomultiplicadores (PMTs) que permitiam registrar flashes de luz muito fracos. Foram criados contadores de cintilação, com os quais é possível aumentar a taxa de contagem por um fator de 108 e ainda mais em comparação com o método visual, e também é possível registrar e analisar em termos de energia tanto partículas carregadas quanto nêutrons e raios-G.

§ 1. O princípio de funcionamento do contador de cintilação

Um contador de cintilação é uma combinação de um cintilador (fósforo) e um tubo fotomultiplicador (PMT). O kit contador também inclui uma fonte de alimentação PMT e equipamento de rádio que fornece amplificação e registro de pulsos PMT. Às vezes, a combinação de fósforo com um fotomultiplicador é produzida por meio de um sistema óptico especial (guia de luz).

O princípio de funcionamento do contador de cintilação é o seguinte. Uma partícula carregada que entra no cintilador produz ionização e excitação de suas moléculas, que após um tempo muito curto (10 -6 - 10 -9 segundos ) entrar em um estado estável emitindo fótons. Há um flash de luz (cintilação). Alguns dos fótons atingem o fotocátodo PMT e eliminam fotoelétrons dele. Estes últimos, sob a ação da tensão aplicada ao PMT, são focados e direcionados para o primeiro eletrodo (dinodo) do multiplicador de elétrons. Além disso, como resultado da emissão secundária de elétrons, o número de elétrons aumenta como uma avalanche, e um pulso de voltagem aparece na saída do PMT, que é então amplificado e gravado pelo equipamento de rádio.

A amplitude e a duração do pulso de saída são determinadas pelas propriedades do cintilador e do PMT.

Como o fósforo é usado:

cristais orgânicos,

Cintiladores orgânicos líquidos,

cintiladores de plástico duro,

cintiladores de gás.

As principais características dos cintiladores são: emissão de luz, composição espectral da radiação e duração das cintilações.

Quando uma partícula carregada passa por um cintilador, um certo número de fótons com uma energia ou outra surgem nele. Alguns desses fótons serão absorvidos no volume do próprio cintilador, e outros fótons com energia um pouco mais baixa serão emitidos em seu lugar. Como resultado dos processos de reabsorção, sairão fótons, cujo espectro é característico de um determinado cintilador.

A saída de luz ou eficiência de conversão do cintilador c é a razão da energia do flash de luz , indo para fora, para a quantidade de energia E partícula carregada perdida no cintilador
Onde - o número médio de fótons saindo, - energia média do fóton. Cada cintilador emite não quanta monoenergéticos, mas um espectro contínuo característico desse cintilador.

É muito importante que o espectro de fótons que emergem do cintilador coincida ou pelo menos parcialmente se sobreponha com a característica espectral do fotomultiplicador.

O grau de sobreposição do espectro de cintilação externo com a resposta espectral. deste PMT é determinado pelo coeficiente de correspondência onde é o espectro externo do cintilador ou o espectro de fótons que saem do cintilador. Na prática, ao comparar cintiladores combinados com dados PMT, introduz-se o conceito de eficiência de cintilação, que é determinado pela seguinte expressão:

Onde EU 0 - valor máximo de intensidade de cintilação; t 0 - constante de tempo de decaimento, definida como o tempo durante o qual a intensidade de cintilação diminui em e uma vez.

Número de fótons de luz n , emitido ao longo do tempo t após o acerto da partícula detectada, é expresso pela fórmula

onde é o número total de fótons emitidos durante o processo de cintilação.

Os processos de luminescência (brilho) do fósforo são divididos em dois tipos: fluorescência e fosforescência. Se a intermitência ocorrer diretamente durante a excitação ou durante um intervalo de tempo da ordem de 10 -8 segundo, o processo é chamado de fluorescência. Intervalo 10 -8 segundo escolhido porque é igual em ordem de grandeza ao tempo de vida de um átomo em estado excitado para as chamadas transições permitidas.

Embora os espectros e a duração da fluorescência não dependam do tipo de excitação, o rendimento da fluorescência depende essencialmente dele. Assim, quando um cristal é excitado por partículas a, o rendimento de fluorescência é quase uma ordem de magnitude menor do que quando é fotoexcitado.

A fosforescência é entendida como luminescência, que continua por um tempo considerável após o término da excitação. Mas a principal diferença entre fluorescência e fosforescência não é a duração do pós-brilho. A fosforescência de fósforos de cristal surge da recombinação de elétrons e buracos que surgiram durante a excitação. Em alguns cristais, o brilho residual pode ser prolongado devido ao fato de que elétrons e buracos são capturados por "armadilhas" das quais podem ser liberados somente após receberem energia adicional necessária. Assim, a dependência da duração da fosforescência na temperatura é óbvia. No caso de moléculas orgânicas complexas, a fosforescência está associada à sua presença em um estado metaestável, a probabilidade de transição para o estado fundamental pode ser pequena. E neste caso, a dependência da taxa de decaimento da fosforescência na temperatura será observada.