Dispozitivul de bază al unui contor de scintilație este destul de simplu. O particulă radioactivă lovește scintilatorul, drept urmare moleculele sale trec într-o stare excitată. După aceasta, revenirea lor la principal stare energeticăînsoțită de emisia unui foton, care este înregistrat de detector. Astfel, numărul de flash-uri (scintilații) este proporțional cu numărul de particule radioactive absorbite. Intensitatea măsurată radiații fotonice apoi transformată în intensitatea radiației particulelor radioactive.

Contoarele de scintilație sunt o alternativă la dispozitivele cu contoare Geiger-Muller, în timp ce au o serie de avantaje semnificative față de acestea din urmă. Eficiența înregistrării radiațiilor gamma cu ajutorul lor ajunge la 100%. Cu toate acestea, acesta nu este cel mai important lucru. Principalul lucru este că, cu ajutorul lor, puteți înregistra radiații beta și chiar alfa. După cum se știe, particulele alfa, exprimate în termeni de fizica nucleara, sunt grele, raza lor de acțiune chiar și în aer este de doar centimetri, iar o coală de hârtie simplă plasată în calea lor le va absorbi complet. Desigur, înregistrarea unor astfel de particule cu ajutorul unui tub de descărcare de gaz este exclusă; aceste particule pur și simplu nu pot pătrunde prin pereții săi. Contoare de scintilație lichidă, dispozitive de scintilație lichidă, vin în ajutor. Proba radioactivă este introdusă în cuvă cu soluția de scintilator și apoi instalată în contor. Într-o astfel de situație, o particulă radioactivă, părăsind molecula probei studiate, se ciocnește imediat cu moleculele scintilatoare care o înconjoară și apoi cu tot ceea ce este descris mai sus.

Contoarele de scintilație sunt utilizate pe scară largă în medicină și radiobiologie. Cele mai populare din întreaga lume sunt dispozitivele de la producătorii americani Beckman Coulter și Perkin Elmer.

Pe portalul nostru puteți găsi contoare de scintilație de pret favorabil. Dacă nu găsiți anunțul dorit printre „Oferte de la persoane fizice” din categorie, atunci consultați aceeași categorie în secțiunea „Propuneri de companii” sau începeți căutarea cu .

- Cum funcționează un contor de scintilații

- Scintilatoare

- Fotomultiplicatoare

- Modele de contoare de scintilație

- Proprietățile contoarelor de scintilație

- Exemple de utilizare a contoarelor de scintilație

- Lista literaturii folosite

CONTORE DE SCINTILATIE

Metoda de detectare a particulelor încărcate prin numărarea fulgerelor de lumină care apar atunci când aceste particule lovesc un ecran de sulfură de zinc (ZnS) este una dintre primele metode de detectare a radiațiilor nucleare.

Încă din 1903, Crookes și alții au arătat că, dacă un ecran de sulfură de zinc iradiat cu particule a este privit printr-o lupă într-o cameră întunecată, atunci pe el se poate observa apariția unor fulgere individuale de lumină pe termen scurt - scintilații . S-a descoperit că fiecare dintre aceste scintilații este creată de o particulă a separată care lovește ecranul. Crookes a construit un dispozitiv simplu numit spinthariscope Crookes, conceput pentru a număra particulele a.

Metoda scintilației vizuale a fost ulterior utilizată în principal pentru detectarea particulelor a și a protonilor cu o energie de câteva milioane de electroni volți. Nu a fost posibil să se înregistreze electroni rapizi individuali, deoarece aceștia provoacă scintilații foarte slabe. Uneori, atunci când un ecran de sulfură de zinc a fost iradiat cu electroni, era posibil să se observe fulgerări, dar acest lucru se întâmpla numai când suficient număr mare electroni.

Razele gamma nu provoacă blițuri pe ecran, creând doar o strălucire generală. Acest lucru face posibilă detectarea particulelor a în prezența unei radiații g puternice.

Metoda scintilației vizuale face posibilă înregistrarea unui număr foarte mic de particule pe unitatea de timp. Cele mai bune condiții pentru numărarea scintilaţiilor se obţin atunci când numărul lor se situează între 20 şi 40 pe minut. Desigur, metoda scintilației este subiectivă, iar rezultatele depind într-o oarecare măsură de calitati individuale experimentator.

În ciuda deficiențelor sale, metoda scintilației vizuale a jucat un rol rol uriașîn dezvoltarea fizicii nucleare şi atomice. Rutherford l-a folosit pentru a înregistra particulele a, deoarece acestea erau împrăștiate de atomi. Aceste experimente l-au condus pe Rutherford la descoperirea nucleului. Pentru prima dată, metoda vizuală a făcut posibilă detectarea protonilor rapizi eliminați din nucleele de azot atunci când sunt bombardați cu particule a, de exemplu. prima fisiune artificială a nucleului.

Metoda scintilatiei vizuale a avut mare importanță chiar până în anii treizeci, când apariția unor noi metode de înregistrare a radiațiilor nucleare l-a făcut să uite de ceva vreme. Metoda de înregistrare a scintilației a fost reînviată la sfârșitul anilor patru ai secolului XX noua baza. Până în acel moment, au fost dezvoltate tuburi fotomultiplicatoare (PMT) care au făcut posibilă înregistrarea fulgerelor de lumină foarte slabe. Au fost create contoare de scintilație, cu ajutorul cărora este posibilă creșterea ratei de numărare de 108 sau chiar de mai multe ori față de metoda vizuala, și este, de asemenea, posibil să se înregistreze și să analizeze în termeni de energie atât particulele încărcate, cât și neutronii și razele G.

§ 1. Principiul de functionare al contorului de scintilatii

Un contor de scintilație este o combinație între un scintilator (fosfor) și un tub fotomultiplicator (PMT). Setul de contor include, de asemenea, o sursă de alimentare PMT și un echipament radio care asigură amplificarea și înregistrarea impulsurilor PMT. Uneori combinația de fosfor cu PMT se face printr-o specială sistem optic(ghid de lumină).

Principiul de funcționare al contorului de scintilații este următorul. O particulă încărcată care intră în scintilator produce ionizarea și excitarea moleculelor sale, care, după o un timp scurt (10-6- 10-9 sec ) intră într-o stare stabilă prin emiterea de fotoni. Există un fulger de lumină (scntilație). Unii dintre fotoni lovesc fotocatodul PMT și scot fotoelectroni din acesta. Acestea din urmă, sub acțiunea tensiunii aplicate PMT, sunt focalizate și direcționate către primul electrod (dynod) al multiplicatorului de electroni. În plus, ca rezultat al emisiei de electroni secundari, numărul de electroni crește ca o avalanșă și apare un impuls de tensiune la ieșirea PMT, care este apoi amplificat și înregistrat de echipamente radio.

Amplitudinea și durata impulsului de ieșire sunt determinate de proprietățile atât ale scintilatorului, cât și ale PMT.

După cum se utilizează fosforul:

cristale organice,

scintilatoare organice lichide,

scintilatoare din plastic dur,

scintilatoare cu gaz.

Principalele caracteristici ale scintilatoarelor sunt: ​​puterea de lumină, compoziţia spectrală radiaţia şi durata scintilaţiilor.

Când o particulă încărcată trece printr-un scintilator, în ea ia naștere un anumit număr de fotoni cu o energie sau alta. Unii dintre acești fotoni vor fi absorbiți în volumul scintilatorului însuși, iar alți fotoni cu energie ceva mai mică vor fi emiși în schimb. Ca rezultat al proceselor de reabsorbție, vor ieși fotoni, al căror spectru este caracteristic unui scintilator dat.

Puterea luminii sau eficiența de conversie a scintilatorului c este raportul dintre energia fulgerului luminii , ieşind afară, la cantitatea de energie E particulă încărcată pierdută în scintilator

Unde - numărul mediu de fotoni care ies, - energie medie fotonii. Fiecare scintilator nu emite cuante monoenergetice, ci un spectru continuu caracteristic acestui scintilator.

Este foarte important ca spectrul de fotoni care ies din scintilator să coincidă sau cel puțin parțial să se suprapună cu caracteristica spectrală a fotomultiplicatorului.

Gradul de suprapunere a spectrului de scintilație exterior cu răspunsul spectral. a acestui PMT este determinat de coeficientul de potrivire

unde este spectrul extern al scintilatorului sau spectrul fotonilor care ies din scintilator. În practică, la compararea scintilatoarelor combinate cu datele PMT, se introduce conceptul de eficiență a scintilației, care este determinat de următoarea expresie:

Unde eu 0 - valoarea maximă a intensității scintilației; t - constanta de timp de dezintegrare, definită ca timpul în care intensitatea scintilației scade în e o singura data.

Numărul de fotoni de lumină n , emise în timp t după lovirea particulei detectate, este exprimată prin formula

Unde - numărul total fotonii emiși în timpul procesului de scintilație.

Procesele de luminescență (strălucire) a fosforului sunt împărțite în două tipuri: fluorescență și fosforescență. Dacă intermiterea are loc direct în timpul excitării sau într-o perioadă de timp de ordinul 10-8 sec, procesul se numește fluorescență. Interval 10-8 sec ales pentru că este egal în ordinea mărimii cu durata de viață a unui atom în stare excitată pentru așa-numitele tranziții permise.

Deși spectrele și durata fluorescenței nu depind de tipul de excitație, randamentul fluorescenței depinde în esență de acesta. Astfel, atunci când un cristal este excitat de particule a, randamentul fluorescenței este aproape cu un ordin de mărime mai mic decât atunci când este fotoexcitat.

Fosforescența este înțeleasă ca luminiscență, care continuă o perioadă considerabilă de timp după terminarea excitației. Dar principala diferență dintre fluorescență și fosforescență nu este durata strălucirii. Fosforescența fosforilor de cristal apare din recombinarea electronilor și a găurilor care au apărut în timpul excitației. În unele cristale, strălucirea ulterioară poate fi prelungită datorită faptului că electronii și găurile sunt captate de „capcane”, din care pot fi eliberate numai după primirea de energie suplimentară. energia necesară. Prin urmare, dependența duratei fosforescenței de temperatură este evidentă. În caz de complex molecule organice fosforescența este asociată cu prezența lor într-o stare metastabilă, probabilitatea de tranziție de la care la starea fundamentală poate fi mică. Și în acest caz, se va observa dependența ratei de degradare a fosforescenței de temperatură.

§ 2. Scintilatoare

Scintilatoare anorganice . Scintilatoarele anorganice sunt cristale săruri anorganice. Uz practicîn tehnica scintilației au în principal compuși halogeni ai unora Metale alcaline.

Procesul de formare a scintilației poate fi reprezentat folosind teoria zonei corp solid. Într-un atom separat care nu interacționează cu alții, electronii sunt localizați pe un discret bine definit niveluri de energie. Într-un solid, atomii sunt la distanțe apropiate, iar interacțiunea lor este destul de puternică. Datorită acestei interacțiuni, nivelurile de extern învelișuri de electroniîmpărțiți și formați zone separate una de cealaltă prin benzi interzise. Cea mai exterioară bandă permisă plină cu electroni este banda de valență. Deasupra ei este o zonă liberă - banda de conducere. Între banda de valență și banda de conducere există o bandă interzisă, a cărei lățime de energie este de câțiva electroni volți.

Dacă cristalul conține orice defecte, perturbări ale rețelei sau atomi de impurități, atunci în acest caz este posibilă apariția nivelurilor electronice de energie situate în band-gap. Sub acțiune externă, de exemplu, când o particulă încărcată rapid trece printr-un cristal, electronii pot trece din banda de valență în banda de conducție. Va rămâne în banda de valență posturi vacante, care au proprietățile particulelor încărcate pozitiv cu o sarcină unitară și se numesc găuri.

Procesul descris este procesul de excitare a cristalului. Excitația este eliminată prin tranziția inversă a electronilor de la banda de conducție la banda de valență și are loc recomandarea electronilor și a găurilor. În multe cristale, tranziția unui electron de la conducție la banda de valență are loc prin centri luminiscenți intermediari, ale căror niveluri se află în banda interzisă. Acești centri se datorează prezenței de defecte sau atomi de impurități în cristal. În timpul tranziției electronilor în două etape, fotonii sunt emiși cu o energie mai mică decât banda interzisă. Pentru astfel de fotoni, probabilitatea de absorbție în cristalul însuși este mică și, prin urmare, ieșirea de lumină pentru acesta este mult mai mare decât pentru un cristal pur, nedopat.

În practică, pentru a crește puterea de lumină a scintilatoarelor anorganice, se introduc impurități speciale ale altor elemente, numite activatori. De exemplu, taliul este introdus ca activator într-un cristal de iodură de sodiu. Scintilatorul bazat pe cristalul NaJ(Tl) are o putere de lumină ridicată. Scintilatorul NaJ(Tl) are avantaje semnificative față de contoarele umplute cu gaz:

eficiență mai mareînregistrarea razelor G (cu cristale mari, eficiența de înregistrare poate ajunge la zeci de procente);

durată scurtă de scintilație (2,5 10-7 sec);

conexiune liniarăîntre amplitudinea pulsului și cantitatea de energie pierdută de particula încărcată.

Ultima proprietate are nevoie de o explicație. Ieșirea de lumină a scintilatorului depinde într-o oarecare măsură de pierderea de energie specifică a unei particule încărcate.

La foarte cantitati mari sunt posibile încălcări semnificative. rețea cristalină scintilator, care duc la apariția unor centre de stingere locale. Această circumstanță poate duce la o scădere relativă a ieșirii luminii. Într-adevăr, faptele experimentale indică faptul că pentru particulele grele randamentul este neliniar și dependență liniarăîncepe să se manifeste numai cu o energie de câteva milioane de electroni volți. Figura 1 prezintă curbele de dependență E: curba 1 pentru electroni, curba 2 pentru particule.

Pe lângă scintilatoarele cu halogenuri alcaline indicate, se folosesc uneori și alte cristale anorganice: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4 etc.

Scintilatoare cristaline organice. Forțele de legătură moleculară din cristalele organice sunt mici în comparație cu forțele care acționează în cristalele anorganice. Prin urmare, moleculele care interacționează practic nu perturbă energia nivele electronice reciproc și procesul de luminiscență a unui cristal organic este un proces caracteristic moleculelor individuale. În starea electronică fundamentală, molecula are mai multe niveluri vibraționale. Sub influența radiației detectate, molecula trece într-un excitat stare electronică, care corespunde și mai multor niveluri vibraționale. Ionizarea și disocierea moleculelor sunt, de asemenea, posibile. Ca rezultat al recombinării unei molecule ionizate, aceasta se formează de obicei într-o stare excitată. Inițial moleculă excitată poate fi activat niveluri înalte emoție și după un timp scurt (~10-11 sec) emite un foton de mare energie. Acest foton este absorbit de o altă moleculă și o parte din energia de excitație a acestei molecule poate fi cheltuită pe mișcarea termică iar fotonul emis ulterior va avea o energie mai mică decât cel anterior. După mai multe cicluri de emisie și absorbție, se formează molecule care se află la primul nivel excitat; ei emit fotoni, a căror energie poate fi deja insuficientă pentru a excita alte molecule și astfel cristalul va fi transparent la radiația emergentă.

Orez. 2. Dependența de putere luminoasă

antracenul de la energie la diferite particule.

Mulțumită majoritatea energia de excitație este cheltuită pe mișcarea termică, puterea de lumină (eficiența de conversie) a cristalului este relativ mică și se ridică la câteva procente.

Pentru înregistrarea radiațiilor nucleare sunt cele mai utilizate următoarele cristale organice: antracen, stilben, naftalină. Antracenul are o putere de lumină destul de mare (~4%) și un timp de strălucire scurt (3 10-8 sec). Dar atunci când se înregistrează particule grele încărcate, o dependență liniară a intensității scintilației este observată doar la un nivel destul de energii înalte particule.

Pe fig. Figura 2 prezintă graficele dependenței de ieșire de lumină c (în unități arbitrare) de energia electronilor 1, protonilor 2 , deuteronii 3 și particulele a 4 .

Stilben, deși are o putere de lumină puțin mai mică decât antracenul, dar durata scintilației este mult mai scurtă (7 10-9 sec), decât cel al antracenului, ceea ce face posibilă utilizarea lui în acele experimente în care este necesară înregistrarea radiațiilor foarte intense.

scintilatoare din plastic. Scintilatoarele din plastic sunt soluții solide de compuși organici fluorescenți într-o substanță transparentă adecvată. De exemplu, soluții de antracen sau stilben în polistiren sau plexiglas. Concentrațiile substanței fluorescente dizolvate sunt de obicei scăzute, câteva zecimi de procente sau câteva procente.

Deoarece există mult mai mult solvent decât scintilatorul dizolvat, atunci, desigur, particula înregistrată produce în principal excitarea moleculelor de solvent. Energia de excitație este transferată ulterior către moleculele scintilatoare. Evident, spectrul de emisie al solventului trebuie să fie mai dur decât spectrul de absorbție al solutului sau macar se potrivesc cu el. Faptele experimentale arată că energia de excitație a solventului este transferată către moleculele scintilatoare datorită mecanismului fotonic, adică moleculele de solvent emit fotoni, care sunt apoi absorbiți de moleculele de dizolvat. Este posibil și un alt mecanism de transfer de energie. Deoarece concentrația scintilatorului este scăzută, soluția este practic transparentă la radiația scintilatorului rezultată.

Scintilatoarele din plastic au avantaje semnificative față de scintilatoarele cristaline organice:

Capacitatea de a produce scintilatoare este foarte dimensiuni mari;

Posibilitatea de a introduce mixere de spectru în scintilator pentru a realiza o mai bună potrivire a spectrului său de luminiscență cu caracteristica spectrală a fotocatodului;

Posibilitate de introducere în scintilator diverse substante necesare în experimente speciale (de exemplu, în studiul neutronilor);

Posibilitatea folosirii scintilatoarelor din plastic in vid;

timp scurt de strălucire (~3 10-9 sec). Scintilatoarele din plastic preparate prin dizolvarea antracenului în polistiren au cea mai mare putere de lumină. O soluție de stilben în polistiren are, de asemenea, proprietăți bune.

Scintilatoare organice lichide. Scintilatoarele organice lichide sunt soluții de scintilatoare organice în unii solvenți organici lichizi.

Mecanismul de fluorescență în scintilatoarele lichide este similar cu mecanismul care apare în soluțiile solide-scintilatoare.

Xilenul, toluenul și fenilciclohexanul s-au dovedit a fi cei mai adecvați solvenți, în timp ce p-terfenilul, difeniloxazolul și tetrafenilbutadiena s-au dovedit a fi cei mai adecvați solvenți.

p-terfenil în xilen la o concentrație de dizolvat de 5 g/l.

Principalele avantaje ale scintilatoarelor lichide:

Posibilitate de fabricare a volumelor mari;

Posibilitatea introducerii în scintilator a substanțelor necesare în experimente speciale;

Durată scurtă a blițului ( ~3 10-9sec).

scintilatoare cu gaz. Când particulele încărcate trec prin diferite gaze, s-a observat în ele apariția de scintilații. Gazele nobile grele (xenon și cripton) au cea mai mare putere de lumină. Un amestec de xenon și heliu are, de asemenea, o putere de lumină ridicată. Prezența a 10% xenon în heliu oferă o putere de lumină care este chiar mai mare decât cea a xenonului pur (Fig. 3). Impuritățile neglijabil de mici ale altor gaze reduc brusc intensitatea scintilațiilor în gazele nobile.

Orez. 3. Dependența puterii de lumină a gazului

scintilator asupra raportului dintre amestecul de heliu și xenon.

S-a demonstrat experimental că durata fulgerelor în gazele nobile este scurtă (10-9 -10-8 sec),și intensitatea fulgerelor gamă largă este proporțională cu energia pierdută a particulelor înregistrate și nu depinde de masa și sarcina acestora. Scintilatoarele cu gaz au o sensibilitate scăzută la radiațiile g.

Partea principală a spectrului de luminescență se află în regiunea ultravioletă îndepărtată, astfel încât convertoarele de lumină sunt utilizate pentru a se potrivi cu sensibilitatea spectrală a fotomultiplicatorului. Acesta din urmă ar trebui să aibă o rată de conversie mare, transparență optică în straturi subțiri, elasticitate scăzută vapori saturati precum si rezistenta mecanica si chimica. Ca materiale pentru convertoare de lumină, diverse compusi organici, de exemplu:

difenilstilben (eficiența de conversie aproximativ 1);

P1p'-quaterfenil (~1);

antracen (0,34), etc.

Convertorul de lumină este depus într-un strat subțire pe fotocatodul fotomultiplicator. Un parametru important al unui convertor de lumină este timpul său de aprindere. În acest sens, convertoarele organice sunt destul de satisfăcătoare (10-9 sec sau mai multe unități pentru 10-9 sec). Pentru a crește colectarea luminii, pereții interiori ai camerei scintilatorului sunt de obicei acoperiți cu reflectoare de lumină (MgO, email pe bază de oxid de titan, fluoroplast, oxid de aluminiu etc.).

§ 3. Multiplicatori fotoelectronici

Elementele principale ale PMT sunt: ​​fotocatodul, sistemul de focalizare, sistemul multiplicator (dynode), anodul (colector). Toate aceste elemente sunt amplasate într-un recipient de sticlă evacuat la vid înalt (10-6 mmHg.).

În scopul spectrometriei de radiații nucleare, fotocatodul este de obicei amplasat pe suprafata interioara partea de capăt plat a containerului PMT. Ca material al fotocatodului, se alege o substanță suficient de sensibilă la lumina emisă de scintilatoare. Cei mai răspândiți sunt fotocatozii antimoniu-cesiu, a căror sensibilitate spectrală maximă se află la l = 3900¸4200 A, care corespunde maximelor spectrelor de luminescență ale multor scintilatoare.

Orez. 4. Schema schematică a PMT.

Una dintre caracteristicile unui fotocatod este randamentul său cuantic, adică probabilitatea ca un fotoelectron să fie ejectat de un foton care lovește fotocatodul. Valoarea lui e poate ajunge la 10-20%. Proprietățile fotocatodului sunt, de asemenea, caracterizate de sensibilitatea integrală, care este raportul dintre fotocurent (mka) să incident pe fotocatod flux luminos (lm).

Fotocatodul este aplicat pe sticlă ca un strat subțire translucid. Grosimea acestui strat este semnificativă. Pe de o parte, pentru o absorbție mare a luminii, aceasta trebuie să fie semnificativă, pe de altă parte, fotoelectronii emergenti, având o energie foarte scăzută, nu vor putea părăsi stratul gros, iar randamentul cuantic efectiv se poate transforma în fi mic. Prin urmare, se selectează grosimea optimă a fotocatodului. De asemenea, este esențial să se asigure o grosime uniformă a fotocatodului, astfel încât sensibilitatea acestuia să fie aceeași pe întreaga zonă. În spectrometria g de scintilație, este adesea necesară utilizarea scintilatoarelor solide mari, atât ca grosime, cât și ca diametru. Prin urmare, devine necesară fabricarea fotomultiplicatoarelor cu diametre mari de fotocatod. În fotomultiplicatoarele domestice, fotocatozii sunt fabricați cu un diametru de la câțiva centimetri până la 15¸20 cm. fotoelectronii scoși din fotocatod trebuie concentrați pe primul electrod multiplicator. În acest scop, se folosește un sistem de lentile electrostatice, care este o serie de diafragme de focalizare. Pentru a obține caracteristici temporale bune ale PMT, este important să se creeze un astfel de sistem de focalizare încât electronii să lovească primul dinod cu o răspândire de timp minimă. Figura 4 prezintă o aranjare schematică a unui fotomultiplicator. Tensiunea înaltă care alimentează PMT este conectată la catod cu un pol negativ și distribuită între toți electrozii. Diferența de potențial dintre catod și diafragmă asigură focalizarea fotoelectronilor pe primul electrod de multiplicare. Electrozii multiplicatori se numesc dinozi. Dinodele sunt fabricate din materiale al căror coeficient de emisie secundară este mai mare decât unitatea (s>1). În PMT-urile domestice, dinodurile sunt realizate fie sub forma unei forme în formă de jgheab (Fig. 4), fie sub formă de jaluzele. În ambele cazuri, dinodele sunt aranjate într-o linie. Este de asemenea posibilă o aranjare inelară a dinodelor. PMT-urile cu un sistem de dinod în formă de inel au cele mai bune caracteristici de timp. Stratul emitent al dinodelor este un strat de antimoniu și cesiu sau un strat de aliaje speciale. Valoare maximă s pentru emițătorii de antimoniu-cesiu se realizează la o energie electronică de 350¸400 ev, iar pentru emițători din aliaj - la 500¸550 ev.În primul caz s= 12¸14, în al doilea s=7¸10. În modurile de operare PMT, valoarea lui s este oarecum mai mică. Un factor de reemisie destul de bun este s= 5.

Fotoelectronii concentrați pe primul dinod scot electronii secundari din acesta. Numărul de electroni care părăsesc primul dinod este de câteva ori mai mult număr fotoelectroni. Toți sunt trimiși la al doilea dinod, unde electronii secundari sunt și ei eliminați etc., de la dinod la dinod, numărul de electroni crește de s ori.

La trecerea prin întregul sistem de dinode, fluxul de electroni crește cu 5-7 ordine de mărime și intră în anod - electrodul colector al PMT. Dacă PMT funcționează în modul curent, atunci circuitul anodic include dispozitive care amplifică și măsoară curentul. La înregistrarea radiației nucleare, este de obicei necesar să se măsoare numărul de impulsuri care apar sub influența particulelor ionizante, precum și amplitudinea acestor impulsuri. În aceste cazuri, în circuitul anodului este inclusă o rezistență, la care apare un impuls de tensiune.

O caracteristică importantă PMT este factorul de multiplicare M. Dacă valoarea lui s pentru toate dinodele este aceeași (cu o colecție completă de electroni pe dinode), iar numărul de dinode este egal cu n , apoi

A și B sunt constante, u este energia electronilor. factor de multiplicare M nu egal cu coeficientul amplificare M", care caracterizează raportul dintre curentul la ieșirea PMT și curentul care iese din catod

M" =CM,

Unde DIN<1 - coeficientul de colectare a electronilor care caracterizează randamentul colectării fotoelectronilor pe primul dinod.

Este foarte important ca câștigul să fie constant. M" PMT atât în ​​timp, cât și cu o modificare a numărului de electroni care ies din fotocatod. Această din urmă împrejurare face posibilă utilizarea contoarelor de scintilație ca spectrometre de radiații nucleare.

Despre interferența în fotomultiplicatori. În contoarele de scintilație, chiar și în absența iradierii externe, la ieșirea PMT poate apărea un număr mare de impulsuri. Aceste impulsuri au de obicei amplitudini mici și se numesc impulsuri de zgomot. Cel mai mare număr de impulsuri de zgomot se datorează apariției termoelectronilor din fotocatod sau chiar din primele dinode. Răcirea este adesea folosită pentru a reduce zgomotul PMT. La înregistrarea radiațiilor care creează impulsuri de amplitudine mare, în circuitul de înregistrare este inclus un discriminator care nu transmite impulsuri de zgomot.

Orez. 5. Schema pentru suprimarea zgomotului PMT.

1. La înregistrarea impulsurilor a căror amplitudine este comparabilă cu zgomotul, este rațional să se folosească un scintilator cu două PMT incluse în circuitul de coincidență (Fig. 5). În acest caz, are loc o selecție temporală a impulsurilor care decurg din particula detectată. De fapt, un fulger de lumină care a apărut în scintilator de la o particulă înregistrată va lovi simultan fluorocatozii ambelor PMT, iar impulsurile vor apărea simultan la ieșirea lor, forțând circuitul de coincidență să funcționeze. Particula va fi înregistrată. Impulsurile de zgomot din fiecare dintre PMT apar independent unele de altele și cel mai adesea nu vor fi înregistrate de circuitul de coincidență. Această metodă face posibilă reducerea fondului intrinsec al PMT cu 2-3 ordine de mărime.

Numărul de impulsuri de zgomot crește odată cu tensiunea aplicată, la început destul de lent, apoi creșterea crește brusc. Motivul pentru această creștere bruscă a fundalului este emisia de câmp de la muchiile ascuțite ale electrozilor și apariția unei conexiuni ionice de feedback între ultimele dinode și fotocatodul PMT.

În regiunea anodului, unde densitatea de curent este cea mai mare, poate apărea strălucirea atât a gazului rezidual, cât și a materialelor structurale. Strălucirea slabă rezultată, precum și feedback-ul ionic, provoacă apariția așa-numitelor impulsuri însoțitoare, care sunt la 10-8 ¸10-7 în timp de cele principale. sec.

§ 4. Proiectări de contoare de scintilaţie

Următoarele cerințe sunt impuse pentru proiectarea contoarelor de scintilație:

Cea mai bună colecție de lumină de scintilație pe fotocatod;

Distribuție uniformă a luminii peste fotocatod;

Întunecare de la lumina surselor străine;

Fără influență a câmpurilor magnetice;

Stabilitatea câștigului PMT.

Când se lucrează cu contoare de scintilație, este întotdeauna necesar să se obțină cel mai mare raport dintre amplitudinea impulsului de semnal și amplitudinea impulsurilor de zgomot, ceea ce obligă la utilizarea optimă a intensităților blițului care apar în scintilator. De obicei, scintilatorul este ambalat într-un recipient metalic închis la un capăt cu sticlă plată. Intre recipient si scintilator este plasat un strat de material care reflecta lumina si contribuie la iesirea sa cea mai completa. Oxidul de magneziu (0.96), dioxidul de titan (0.95), gipsul (0.85-0.90) au cea mai mare reflectivitate, se folosește și aluminiul (0.55-0.85).

O atenție deosebită trebuie acordată ambalării cu grijă a scintilatoarelor higroscopice. Deci, de exemplu, cel mai des folosit fosfor NaJ (Tl) este foarte higroscopic și atunci când umiditatea pătrunde în el, acesta devine galben și își pierde proprietățile de scintilație.

Scintilatoarele din plastic nu trebuie să fie ambalate în recipiente etanșe, dar un reflector poate fi plasat în jurul scintilatorului pentru a crește colectarea luminii. Toate scintilatoarele solide trebuie să aibă o fereastră de ieșire la un capăt, care este conectată la fotocatodul fotomultiplicator. Poate exista o pierdere semnificativă a intensității luminii de scintilație la joncțiune. Pentru a evita aceste pierderi, între scintilator și PMT se introduc uleiuri de balsam canadian, minerale sau siliconice și se creează contact optic.

În unele experimente, de exemplu, măsurători în vid, în câmpuri magnetice, în câmpuri puternice de radiații ionizante, scintilatorul nu poate fi plasat direct pe fotocatodul PMT. În astfel de cazuri, un ghid de lumină este utilizat pentru a transmite lumina de la scintilator la fotocatod. Ca ghidaje de lumină se folosesc tije lustruite din materiale transparente - precum lucită, plexiglas, polistiren, precum și tuburi de metal sau plexiglas umplute cu un lichid transparent. Pierderea de lumină într-un ghidaj de lumină depinde de dimensiunile sale geometrice și de material. În unele experimente este necesar să se utilizeze ghidaje de lumină curbate.

Este mai bine să folosiți ghidaje de lumină cu o rază mare de curbură. Ghidurile de lumină permit, de asemenea, articularea scintilatoarelor și a PMT-urilor de diferite diametre. În acest caz, se folosesc ghidaje de lumină în formă de con. PMT este cuplat la scintilatorul de lichid fie printr-un ghidaj luminos, fie prin contact direct cu lichidul. Figura 6 prezintă un exemplu de îmbinare PMT cu un scintilator lichid. În diferite moduri de funcționare, PMT este alimentat cu o tensiune de la 1000 la 2500 în. Deoarece câștigul PMT depinde foarte mult de tensiune, sursa de curent de alimentare trebuie să fie bine stabilizată. În plus, auto-stabilizarea este posibilă.

PMT este alimentat de un divizor de tensiune, care permite ca fiecare electrod să fie alimentat cu potențialul corespunzător. Polul negativ al sursei de alimentare este conectat la fotocatod și la unul dintre capetele divizorului. Polul pozitiv și celălalt capăt al divizorului sunt împământate. Rezistoarele divizorului sunt selectate astfel încât să fie implementat modul optim de funcționare al PMT. Pentru o stabilitate mai mare, curentul prin divizor ar trebui să fie cu un ordin de mărime mai mare decât curenții de electroni care curg prin PMT.

Orez. 6. Cuplaj PMT cu un scintilator lichid.

1-scintilator lichid;

2- PMT;

3- scut de lumină.

Când contorul de scintilație funcționează în modul pulsat, scurt (~10-8 sec) impulsuri, a căror amplitudine poate fi de câteva unități sau de câteva zeci de volți. În acest caz, potențialele de pe ultimele dinode pot suferi schimbări bruște, deoarece curentul prin divizor nu are timp să umple sarcina transportată din cascadă de electroni. Pentru a evita astfel de potențiale fluctuații, ultimele rezistențe ale divizorului sunt șuntate cu capacități. Datorită selecției potențialelor pe dinode, se creează condiții favorabile pentru colectarea electronilor pe aceste dinode, adică. se implementează un anumit sistem electrono-optic corespunzător regimului optim.

Într-un sistem electron-optic, traiectoria electronilor nu depinde de modificarea proporțională a potențialelor la toți electrozii care formează acest sistem electron-optic. În mod similar, într-un multiplicator, atunci când tensiunea de alimentare se modifică, se modifică doar câștigul acestuia, dar proprietățile electron-optice rămân neschimbate.

Odată cu o modificare disproporționată a potențialelor pe dinodele PMT, se schimbă condițiile de focalizare a electronilor în zona în care proporționalitatea este încălcată. Această circumstanță este utilizată pentru auto-stabilizarea câștigului PMT. În acest scop, potenţialul

Orez. 7. Parte a circuitului divizor.

a unuia dintre dinode în raport cu potențialul dinodului anterior este stabilit constant, fie cu ajutorul unei baterii suplimentare, fie cu ajutorul unui divizor stabilizat suplimentar. Figura 7 prezintă o parte a circuitului divizor, unde o baterie suplimentară este conectată între dinodele D5 și D6 ( Ub = 90 în). Pentru a obține cel mai bun efect de auto-stabilizare, este necesar să selectați valoarea rezistenței R”. De obicei R" Mai mult R de 3-4 ori.

§ 5. Proprietăţile contoarelor de scintilaţie

Contoarele de scintilație au următoarele avantaje.

Rezoluție în timp mare. Durata pulsului, în funcție de scintilatoarele utilizate, variază de la 10-6 la 10-9 sec, acestea. cu câteva ordine de mărime mai puțin decât contoarele cu autodescărcare, ceea ce permite rate de numărare mult mai mari. O altă caracteristică de timp importantă a contoarelor de scintilație este valoarea mică a întârzierii pulsului după trecerea particulei înregistrate prin fosfor (10-9 -10-8). sec). Acest lucru permite utilizarea schemelor de coincidență cu timp de rezoluție scăzut (<10-8sec)și, în consecință, să măsoare coincidențele la multe sarcini mari pe canale individuale cu un număr mic de coincidențe aleatorii.

Eficiență ridicată a înregistrării g -razele si neutronii. Pentru a înregistra un g-cuantic sau un neutron, este necesar ca acestea să reacționeze cu substanța detectorului; în acest caz, particula încărcată secundară rezultată trebuie înregistrată de detector. Este evident că cu cât mai multe substanțe se află pe calea razelor G sau neutronilor, cu atât probabilitatea absorbției acestora va fi mai mare, cu atât eficiența înregistrării lor va fi mai mare. În prezent, când se folosesc scintilatoare mari, se realizează o eficiență de detectare a razelor G de câteva zeci de procente. Eficiența detectării neutronilor de către scintilatoare cu substanțe special introduse (10 V, 6 Li etc.) depășește, de asemenea, cu mult eficiența detectării neutronilor de către contoarele cu descărcare în gaz.

Posibilitatea analizei energetice a radiațiilor înregistrate. Într-adevăr, pentru particulele încărcate cu lumină (electroni), intensitatea fulgerului într-un scintilator este proporțională cu energia pierdută de particule în acest scintilator.

Folosind contoare de scintilație atașate analizoarelor de amplitudine, se pot studia spectrele electronilor și razelor G. Situația este oarecum mai gravă cu studiul spectrelor particulelor încărcate grele (particule a, etc.), care creează o ionizare specifică mare în scintilator. În aceste cazuri, proporționalitatea intensității exploziei energiei pierdute nu se observă deloc energii ale particulelor și se manifestă doar la energii mai mari decât o anumită valoare. Relația neliniară dintre amplitudinile pulsului și energia particulelor este diferită pentru diferiți fosfori și pentru diferitele tipuri de particule. Acest lucru este ilustrat de graficele din figurile 1 și 2.

Posibilitatea fabricarii scintilatoarelor de dimensiuni geometrice foarte mari. Aceasta înseamnă că este posibil să se detecteze și să se analizeze particule de energie cu energii foarte mari (razele cosmice), precum și particule care interacționează slab cu materia (neutrini).

Posibilitatea de a introduce în compoziția scintilatoarelor substanțe cu care neutronii interacționează cu o secțiune transversală mare. Fosforii LiJ(Tl), LiF, LiBr sunt utilizați pentru a detecta neutronii lenți. Când neutronii lenți interacționează cu 6 Li, are loc reacția 6 Li(n,a)3 H, în care o energie de 4,8 Mev.

§ 6. Exemple de utilizare a contoarelor de scintilație

Măsurarea duratelor de viață ale stărilor excitate ale nucleelor. În timpul dezintegrarii radioactive sau în diferite reacții nucleare, nucleele rezultate ajung adesea într-o stare excitată. Studiul caracteristicilor cuantice ale stărilor excitate ale nucleelor ​​este una dintre sarcinile principale ale fizicii nucleare. O caracteristică foarte importantă a stării excitate a nucleului este durata de viață t. Cunoașterea acestei valori permite obținerea multor informații despre structura nucleului.

Nucleele atomice pot fi într-o stare excitată de mai multe ori. Există diferite metode de măsurare a acestor timpi. Contoarele de scintilație s-au dovedit a fi foarte convenabile pentru măsurarea duratei de viață a nivelurilor nucleare de la câteva secunde la fracțiuni foarte mici de secundă. Ca exemplu de utilizare a contoarelor de scintilație, vom lua în considerare metoda coincidenței întârziate. Fie ca nucleul A (vezi Fig. 10) prin dezintegrare b să se transforme într-un nucleu LAîntr-o stare excitată, care eliberează un exces din energia sa pentru emisia succesivă a două g-quante (g1, g2). Este necesar să se determine durata de viață a stării excitate eu. Preparatul care conține izotopul A se instalează între două contoare cu cristale de NaJ(Tl) (Fig. 8). Impulsurile generate la ieșirea PMT sunt alimentate circuitului rapid de coincidență cu un timp de rezoluție de ~10-8 -10-7 sec.În plus, impulsurile sunt alimentate la amplificatoare liniare și apoi la analizoare de amplitudine. Acestea din urmă sunt configurate astfel încât să treacă impulsuri de o anumită amplitudine. Pentru scopul nostru, i.e. în scopul măsurării duratei de viață a nivelului eu(vezi fig. 10), analizor de amplitudine AAI trebuie să treacă doar impulsuri corespunzătoare energiei fotonice g1, iar analizorul AAII - g2 .

Fig.8. Diagrama schematică de definit

durata de viață a stărilor excitate ale nucleelor.

În plus, impulsurile de la analizoare, precum și din circuitul de coincidență rapidă, sunt alimentate la cel lent (t ~ 10-6 sec) model de potrivire triplă. În experiment se studiază dependența numărului de coincidențe triple de valoarea întârzierii în timp a impulsului inclus în primul canal al circuitului de coincidență rapidă. În mod obișnuit, întârzierea impulsului este efectuată folosind așa-numita linie de întârziere variabilă LZ (Fig. 8).

Linia de întârziere trebuie conectată exact la canalul în care este înregistrată cuantica g1, deoarece este emisă înaintea cuantii g2. Ca rezultat al experimentului, se construiește un grafic semilogaritmic al dependenței numărului de coincidențe triple de timpul de întârziere (Fig. 9), iar din acesta se determină durata de viață a nivelului excitat. eu(la fel cum se face la determinarea timpului de înjumătățire folosind un singur detector).

Folosind contoare de scintilație cu un cristal NaJ(Tl) și schema considerată a coincidențelor rapid-lent, este posibil să se măsoare duratele de viață 10-7 -10-9 sec. Dacă se folosesc scintilatoare organice mai rapide, atunci pot fi măsurate durate de viață mai scurte ale stărilor excitate (până la 10-11). sec).

Fig.9. Dependența numărului de coincidențe de mărimea întârzierii.

Detectarea defectelor gamma. Radiația nucleară, care are o putere mare de penetrare, este din ce în ce mai utilizată în tehnologie pentru detectarea defectelor în conducte, șine și alte blocuri metalice mari. În aceste scopuri, se utilizează o sursă de radiații G și un detector de raze G. Cel mai bun detector în acest caz este un contor de scintilație, care are o eficiență ridicată de detecție. Sursa de radiație este plasată într-un recipient de plumb, din care un fascicul îngust de raze G iese printr-o gaură de colimator, luminând tubul. Un contor de scintilație este instalat pe partea opusă a tubului. Sursa și contorul sunt plasate pe un mecanism mobil care le permite să fie deplasate de-a lungul țevii și rotite în jurul axei acesteia. Trecând prin materialul conductei, fasciculul de raze G va fi parțial absorbit; dacă tubul este omogen, absorbția va fi aceeași peste tot, iar contorul va înregistra întotdeauna același număr (în medie) de g-quanta pe unitatea de timp, dar dacă există o chiuvetă într-un loc al tubului, atunci razele G vor fi absorbite în acest loc mai puțin, viteza de numărare va crește. Locația chiuvetei va fi dezvăluită. Există multe exemple de astfel de utilizare a contoarelor de scintilație.

Detectarea experimentală a neutrinilor. Neutrino este cea mai misterioasă dintre particulele elementare. Aproape toate proprietățile neutrinilor sunt obținute din date indirecte. Teoria modernă a dezintegrarii b presupune că masa neutrinului mn este egală cu zero. Unele experimente ne permit să afirmăm că. Spinul neutrinului este 1/2, moment magnetic<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).

Crearea reactoarelor nucleare, în care un număr foarte mare de nuclee cu un exces de neutroni, a dat speranță pentru detectarea antineutrinilor. Toți nucleele bogate în neutroni se descompun cu emisia de electroni și, în consecință, antineutrini. În apropierea unui reactor nuclear cu o capacitate de câteva sute de mii de kilowați, fluxul antineutrini este de 1013 cm -2 · sec-1 - un flux de densitate enormă și, cu alegerea unui detector antineutrino potrivit, s-ar putea încerca să le detecteze. O astfel de încercare a fost făcută de Reines și Cowen în 1954. Autorii au folosit următoarea reacție:

n + p ® n+e+ (1)

În această reacție, particulele de produs sunt pozitronul și neutronul, care pot fi înregistrate.

Un scintilator lichid cu un volum de ~1 m3, cu un continut ridicat de hidrogen, saturat cu cadmiu. Pozitronii produși în reacția (1) s-au anihilat în două g-quante cu o energie de 511 kev fiecare și a provocat apariția primului fulger al scintilatorului. Neutronul a fost încetinit timp de câteva microsecunde și capturat de cadmiu. În această captare de către cadmiu, au fost emise mai multe g-quante cu o energie totală de aproximativ 9 Mev. Drept urmare, în scintilator a apărut un al doilea fulger. Au fost măsurate coincidențele întârziate a două impulsuri. Pentru a înregistra blițuri, scintilatorul lichid a fost înconjurat de un număr mare de fotomultiplicatori.

Rata de numărare a coincidențelor întârziate a fost de trei numărări pe oră. Din aceste date s-a obținut că secțiunea transversală a reacției (Fig. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10 -43 cm2, care este aproape de valoarea calculată.

În prezent, contoare de scintilație lichidă foarte mari sunt utilizate în multe experimente, în special, în experimente pentru a măsura fluxurile de radiații g emise de oameni și alte organisme vii.

Înregistrarea fragmentelor de fisiune. Pentru înregistrarea fragmentelor de fisiune, contoarele de scintilație de gaz s-au dovedit a fi convenabile.

De obicei, un experiment pentru studierea secțiunii transversale de fisiune se realizează după cum urmează: un strat al elementului studiat este depus pe un fel de substrat și iradiat cu un flux de neutroni. Desigur, cu cât se folosește mai mult material fisionabil, cu atât vor avea loc mai multe evenimente de fisiune. Dar, deoarece de obicei substanțele fisionabile (de exemplu, elementele transuraniu) sunt emițători a, utilizarea lor în cantități semnificative devine dificilă din cauza fondului mare din particulele a. Și dacă evenimentele de fisiune sunt studiate cu ajutorul camerelor de ionizare în impulsuri, atunci este posibil să se suprapună impulsuri de la particule a pe impulsuri care decurg din fragmente de fisiune. Doar un instrument cu o rezoluție temporală mai bună va face posibilă utilizarea unor cantități mari de material fisionabil fără a se impune impulsuri unul altuia. În acest sens, contoarele de scintilație cu gaz au un avantaj semnificativ față de camerele de ionizare în impulsuri, deoarece durata pulsului acestora din urmă este cu 2-3 ordine de mărime mai mare decât cea a contoarelor de scintilație cu gaz. Amplitudinile pulsului de la fragmentele de fisiune sunt mult mai mari decât cele de la particulele a și, prin urmare, pot fi separate cu ușurință folosind un analizor de amplitudine.

O proprietate foarte importantă a unui contor de scintilație cu gaz este sensibilitatea sa scăzută la razele G, deoarece apariția particulelor încărcate grele este adesea însoțită de un flux intens de raze G.

Aparat foto luminos. În 1952, fizicienii sovietici Zavoisky și alții au fotografiat pentru prima dată urmele de particule ionizante din substanțele luminiscente folosind convertoare electron-optice sensibile (EOC). Această metodă de detectare a particulelor, numită cameră fluorescentă, are o rezoluție în timp mare. Primele experimente au fost făcute folosind un cristal CsJ (Tl).

Mai târziu, pentru fabricarea camerei luminiscente au început să fie folosite scintilatoare din plastic sub formă de tije lungi și subțiri (fire). Firele sunt stivuite pe rânduri, astfel încât firele din două rânduri adiacente să fie în unghi drept unul față de celălalt. Aceasta oferă posibilitatea observării stereoscopice pentru a recrea traiectoria spațială a particulelor. Imaginile din fiecare dintre cele două grupuri de filamente perpendiculare reciproc sunt direcționate către convertoare electron-optice separate. Firele joacă și rolul de ghidaj de lumină. Lumina este dată doar de acele fire pe care particula le traversează. Această lumină iese prin capetele firelor respective, care sunt fotografiate. Sistemele sunt produse cu un diametru de fire individuale de la 0,5 la 1,0 mm.

Literatură :

1. J. Birks. contoare de scintilație. M., IL, 1955.

2. V.O. Vyazemsky, I.I. Lomonosov, V.A. Ruzin. Metoda scintilației în radiometrie. M., Gosatomizdat, 1961.

3. Yu.A. Egorov. Metoda de stimulare a spectrometriei radiațiilor gamma și neutronilor rapizi. M., Atomizdat, 1963.

4. P.A. Tishkin. Metode experimentale de fizică nucleară (detectori de radiații nucleare).

Editura Universității din Leningrad, 1970.

5 G.S. Landsberg. Manual elementar de fizică (volumul 3). M., Nauka, 1971

Contor de scintilații

Principiul de funcționare și domeniul de aplicare

Într-un contor de scintilație, radiația ionizantă provoacă o fulgerare de lumină în scintilatorul corespunzător, care poate fi solid sau lichid. Acest blitz este transmis unui tub fotomultiplicator, care il transforma intr-un impuls de curent electric. Pulsul de curent este amplificat în etapele PMT ulterioare datorită coeficientului lor ridicat de emisie secundară.

În ciuda faptului că, în general, sunt necesare echipamente electronice mai complexe atunci când se lucrează cu contoare de scintilație, aceste contoare au avantaje semnificative față de contoarele Geiger-Muller.

1. Eficiența de numărare a razelor X și a radiațiilor gamma este mult mai mare; în circumstanțe favorabile, ajunge la 100%.

2. Ieșirea luminii din unele scintilatoare este proporțională cu energia particulei sau cuantumului excitant.

3. Rezoluția temporală este mai mare.

Contorul de scintilație este astfel un detector potrivit pentru detectarea radiațiilor de intensitate scăzută, pentru analiza distribuției energiei cu cerințe de rezoluție nu prea mare și pentru măsurători coincidente la intensitate mare de radiație.

B) Scintilatoare

1) Protoni și alte particule puternic ionizante. Dacă vorbim doar despre înregistrarea acestor particule, atunci toate tipurile de scintilatoare sunt la fel de potrivite și, datorită puterii lor mari de oprire, sunt suficiente straturi cu o grosime de ordinul unui milimetru și chiar mai puțin. Trebuie, totuși, avut în vedere faptul că puterea luminoasă a protonilor și particulelor β în scintilatoarele organice este doar aproximativ 1/10 din puterea luminoasă a electronilor de aceeași energie, în timp ce în scintilatoarele anorganice ZnS și NaJ acestea sunt ambele din aceeași ordine.

Relația dintre energia fulgerelor luminii și mărimea impulsurilor asociate cu aceasta, precum și energia particulelor transferate la scintilator, pentru substanțele organice este, în general, neliniară. Pentru ZnS 1 NaJ și CsJ, totuși, această dependență este aproape liniară. Datorită transparenței lor bune la radiația fluorescentă proprie, cristalele NaJ și CsJ oferă o rezoluție excelentă a energiei; trebuie totuși să se asigure că suprafața prin care particulele intră în cristal este foarte curată.

2) Neutroni. Neutronii lenți pot fi detectați folosind reacțiile Li6Hs, B10Li" sau CdlisCd114. Ca scintilatoare în acest scop, monocristale de LiJ, amestecuri de pulberi, de exemplu, 1 parte în greutate B 2 O 3 și 5 părți în greutate ZnS, sunt depuse direct pe Fereastra PMT; poate fi de asemenea aplicată

Schema bloc a unui spectrometru de scintilație. 1 - scintilator, 2 - PMT, h - sursă de înaltă tensiune, 4 - urmăritor catodic, e - amplificator liniar, 6 - analizor de puls de amplitudine, 7 - dispozitiv de înregistrare.

ZnS suspendat în B 2 O 3 topit, compușii corespunzători de bor în scintilatoare sintetice și amestecuri de metil borat sau propionat de cadmiu cu scintilatoare lichide. Dacă este necesar să se excludă efectul radiației z în măsurătorile de neutroni, atunci în acele reacții care provoacă emisia de particule grele, relația de mai sus pentru puterea luminoasă a diferitelor scintilatoare, în funcție de tipul de particule, trebuie luată în considerare. cont.

Neutronii rapizi sunt detectați folosind protoni de recul produși în substanțe care conțin hidrogen. Deoarece un conținut ridicat de hidrogen apare numai în scintilatoarele organice, este dificil să se reducă efectul radiației γ din motivele de mai sus. Cele mai bune rezultate sunt obținute dacă procesul de formare a protonilor de recul este separat de excitația scintilatorului de către raze r. În acest caz, stratul acestuia din urmă trebuie să fie subțire, grosimea acestuia fiind determinată de intervalul protonilor de recul, astfel încât probabilitatea de detectare a radiației z este substanțial redusă. În acest caz, este de preferat să folosiți ZnS ca scintilator. De asemenea, este posibil să se suspende ZnS pulbere într-o substanță artificială transparentă care conține hidrogen.

Este aproape imposibil de studiat spectrul energetic al neutronilor rapizi folosind scintilatoare. Acest lucru se explică prin faptul că energia protonilor de recul poate lua tot felul de valori, până la energia totală a neutronilor, în funcție de modul în care se produce coliziunea.

3) Electroni, p-particule. Ca și în cazul altor tipuri de radiații, rezoluția energetică a scintilatorului pentru electroni depinde de raportul dintre energia luminii și energia transferată scintilatorului de către particula ionizantă. Acest lucru se datorează faptului că jumătatea lățimii curbei de distribuție a mărimilor impulsurilor cauzate de particulele incidente monoenergetice, din cauza fluctuațiilor statistice, în prima aproximare, este invers proporțională cu rădăcina pătrată a numărului de fotoelectroni knock-out. de la fotocatodul PMT. Dintre scintilatoarele utilizate în prezent, NaJ 1 dă cele mai mari amplitudini ale impulsurilor, iar pentru scintilatoarele organice, antracenul, care, celelalte lucruri fiind egale, dă impulsuri cu o amplitudine de aproximativ două ori mai mică decât NaJ.

Deoarece secțiunile transversale efective de împrăștiere a electronilor cresc puternic odată cu creșterea numărului atomic, atunci când se utilizează NaJ, 80-90% din toți electronii incidenti sunt din nou împrăștiați din cristal; la utilizarea antracenului, acest efect ajunge la aproximativ 10%. Electronii împrăștiați provoacă impulsuri, a căror magnitudine este mai mică decât valoarea corespunzătoare energiei totale a electronilor. Ca rezultat, este foarte dificil de cuantificat spectrele β obținute cu cristale de NaJ. Prin urmare, pentru spectroscopie β este adesea mai oportun să se utilizeze scintilatoare organice, care constau din elemente cu numere atomice scăzute.

Backscattering poate fi, de asemenea, slăbită prin următoarele metode. Substanța a cărei radiație β urmează să fie investigată este fie amestecată cu scintilatorul dacă nu suprimă radiația fluorescentă, fie plasată între două suprafețe de scintilatoare a căror Iryny 1 Ienne fluorescentă acționează asupra fotocatodului sau, în final, se folosește un scintilator cu un canal intern în care trece în radiație.

Dependența dintre energia luminii și energia transferată scintilatorului prin radiație este liniară pentru NaJ. Pentru toate scintilatoarele organice, acest raport scade la energii scăzute ale electronilor. Această neliniaritate trebuie luată în considerare la cuantificarea spectrelor.

4) Raze X și radiații gamma. Procesul de interacțiune a radiației electromagnetice cu un scintilator constă în principal din trei procese elementare.

În efectul fotoelectric, energia unui cuantic este convertită aproape complet în energia cinetică a unui fotoelectron, iar datorită razei scurte a fotoelectronului, este în majoritatea cazurilor absorbită în scintilator. Cuantumul secundar corespunzător energiei de legare a electronului fie este absorbit de scintilator, fie îl părăsește.

În efectul Compton, doar o parte din energia cuantică este transferată către electron.Această parte este absorbită cu mare probabilitate în scintilator.Fotonul împrăștiat, a cărui energie a scăzut cu o cantitate egală cu energia electronului Compton, este de asemenea, fie absorbit de scintilator, fie îl părăsește.

În timpul formării perechilor, energia cuantei primare, minus energia formării perechilor, trece în energia cinetică a acestei perechi și este absorbită în principal de scintilator. Radiația generată în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron este absorbită în scintilator sau o părăsește.

Dependența energetică a secțiunilor transversale efective pentru aceste procese este astfel încât, la energii fotonice scăzute, efectul fotoelectric are loc în principal; Începând cu o energie de 1,02 Mae se poate observa formarea perechilor, dar probabilitatea acestui proces atinge o valoare apreciabilă doar la energii semnificativ mai mari. În regiunea intermediară, rolul principal îl joacă efectul Compton.

Odată cu creșterea numărului atomic Z, secțiunile transversale efective pentru efectul fotoelectric și pentru formarea perechilor cresc mult mai puternic decât cu efectul Compton. Cu toate acestea, în acest caz, electronul este transferat:

1) cu efectul fotoelectric, - pe lângă energia cuantei, care se transformă în energia electronului deja în timpul efectului primar, există încă doar energia de legare a fotoelectronului, care corespunde radiației secundare, moale și ușor de absorbit;

2) în formarea perechilor - numai radiații de anihilare cu o energie cunoscută discretă. Cu efectul Compton, energia electronilor secundari și a cuantelor împrăștiate are o gamă largă de valori posibile. Deoarece, după cum sa menționat deja, cuantele secundare pot să nu experimenteze absorbție și să părăsească scintilatorul, pentru a facilita interpretarea spectrelor, este oportun să se îngusteze pe cât posibil regiunea în care predomină efectul Komhtohj prin alegerea scintilatoarelor cu H mare, de exemplu, NaJ. În plus, raportul dintre energia luminii și energia transferată la scintilator pentru NaJ este practic independent de energia electronilor, prin urmare, în toate procesele complexe în care sunt absorbite cuante, este eliberată aceeași cantitate de lumină. .Astfel de procese complexe apar cu o probabilitate mai mare, cu atât dimensiunea scintilatorului este mai mare.

Atenuarea razelor gamma în antracen, μ este coeficientul de atenuare; f este coeficientul de fotoabsorbție, a este coeficientul de împrăștiere Compton, p este coeficientul de formare a perechii.

contor de scintilații, un dispozitiv pentru detectarea radiațiilor nucleare și a particulelor elementare (protoni, neutroni, electroni, g-quanta, mezoni etc.), ale căror elemente principale sunt o substanță care luminesce sub acțiunea particulelor încărcate (scintilator) și fotomultiplicator (FEU). Observațiile vizuale ale fulgerelor (scintilațiilor) sub acțiunea particulelor ionizante (particule α, fragmente de fisiune nucleară) au fost metoda principală a fizicii nucleare la începutul secolului al XX-lea. (cm. Spinthariscope ). Mai târziu S. cu. a fost complet înlăturat camere de ionizare și contoare proporționale. Revenirea sa la fizica nucleară s-a produs la sfârșitul anilor 1940, când au fost folosite PMT-uri cu mai multe etape cu un câștig mare pentru a detecta scintilații, capabile să detecteze fulgerări extrem de slabe.

Principiul de acţiune al lui S. cu. constă în următoarele: o particulă încărcată care trece printr-un scintilator, împreună cu ionizarea atomilor și moleculelor, îi excită. Revenind la starea neexcitată (de bază), atomii emit fotoni (vezi Fig. Luminescență ). Fotonii care lovesc catodul PMT scot electronii (vezi Fig. Emisia fotoelectronica ), ca urmare, pe anodul PMT apare un impuls electric, care este amplificat și înregistrat în continuare (vezi Fig. orez. ). Detectarea particulelor neutre (neutroni, g -quanta) are loc de particulele încărcate secundare formate în timpul interacțiunii neutronilor și g -quanta cu atomii scintilatori.

Ca scintilatoare se folosesc diverse substante (solide, lichide, gazoase). Materialele plastice sunt utilizate pe scară largă, care sunt ușor de fabricat, prelucrat și conferă o strălucire intensă. O caracteristică importantă a unui scintilator este fracția de energie a particulei detectate care este convertită în energie luminoasă (eficiența conversiei h). Scintilatoarele cristaline au cele mai mari valori h: NaI, Tl activat, antracen și ZnS. Dr. o caracteristică importantă este timpul de strălucire t, care este determinat de durata de viață la nivelurile excitate. Intensitatea strălucirii după trecerea particulei se modifică exponențial: , Unde eu 0 - intensitatea initiala. Pentru majoritatea scintilatoarelor, t se află în intervalul 10–9 - 10–5 sec. Materialele plastice au timpi de strălucire scurti (Tabelul 1). Cu cât t mai mic, cu atât se poate face S. mai rapid.

Pentru ca un fulger luminos să fie înregistrat de un PMT, este necesar ca spectrul de emisie al scintilatorului să coincidă cu regiunea spectrală de sensibilitate a fotocatodului PMT, iar materialul scintilatorului trebuie să fie transparent la propria radiație. Pentru înregistrare neutroni lenți La scintilator se adaugă Li sau B. Neutronii rapizi sunt detectați folosind scintilatoare care conțin hidrogen (vezi Fig. Detectoare de neutroni ). Pentru spectrometria cuantei g și a electronilor de înaltă energie, se utilizează Nal (Tl), care are o densitate mare și un număr atomic efectiv ridicat (vezi Fig. Radiația gamma ).

S. s. sunt realizate cu scintilatoare de diferite dimensiuni - de la 1-2 mm 3 la 1-2 m 3 . Pentru a nu „pierde” lumina emisă este necesar un contact bun între PMT și scintilator. În S. cu. un mic scintilator este lipit direct de fotocatodul PMT. Toate celelalte părți sunt acoperite cu un strat de material reflectorizant (de exemplu, MgO, TiO 2). În S. cu. utilizare de dimensiuni mari ghiduri de lumină (de obicei sticla organica lustruita).

PMT-urile destinate S. s. trebuie să aibă o eficiență fotocatodică ridicată (până la 2,5%), câștig mare (10 8 -10 8), timp scurt de colectare a electronilor (10 -8). sec) la stabilitate ridicată a acestui timp. Acesta din urmă face posibilă realizarea rezoluției în timp S. s. £10 -9 sec. Câștigul mare al PMT, împreună cu un nivel scăzut de zgomot intrinsec, face posibilă detectarea electronilor individuali scoși din fotocatod. Semnalul la anodul PMT poate ajunge la 100 în.

Tab. 1. - Caracteristicile unor scintilatoare solide și lichide,

folosit la contoarele de scintilaţie

Substanţă	Densitate, g/cm 3	Timp de strălucire, t , 10 -9 sec.		Eficiența conversiei h, % (pentru electroni)
cristale
Antracen C 14 H 10
Stilben C14H12
Lichide
Soluţie R-terfenil în xilen (5 g/l) cu adaos de POPOP 1 (0,1 g/l)
Soluţie R-terfenil în toluen (4 g/l) cu adaos de POPOP (0,1 g/l)
Materiale plastice
Polistiren cu adaos R-terfenil (0,9%) și a-NPO2 (0,05% în greutate)
Poliviniltoluen cu adaos de 3,4% R-terfenil și 0,1% în greutate POPOP

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

Avantajele S. cu.: randament ridicat de înregistrare a diferitelor particule (practic 100%); viteză; posibilitatea de a produce scintilatoare de diferite dimensiuni și configurații; fiabilitate ridicată și cost relativ scăzut. Datorită acestor calităţi S. cu. utilizat pe scară largă în fizica nucleară, fizica particulelor elementare și raze cosmice, în industrie (controlul radiațiilor), dozimetrie, radiometrie, geologie, medicină etc. Dezavantaje ale S. S.: sensibilitate scăzută la particulele cu energie scăzută (£ 1 kev), rezoluție energetică scăzută (vezi Fig. Spectrometru de scintilație ).

Pentru a studia particulele încărcate de energii joase (< 0,1 mev) și fragmente de fisiune nucleară, gazele sunt folosite ca scintilatoare (Tabelul 2). Gazele au o dependență liniară a mărimii semnalului de energia particulei într-o gamă largă de energii, răspuns rapid și capacitatea de a schimba puterea de oprire prin schimbarea presiunii. În plus, sursa poate fi introdusă în volumul scintilatorului cu gaz. Cu toate acestea, scintilatoarele cu gaz necesită puritate ridicată a gazului și un PMT special cu ferestre de cuarț (o parte semnificativă a luminii emise se află în regiunea ultravioletă).

Tab. 2. - Caracteristicile unor gaze utilizate ca

scintilatoare în contoare de scintilație (la o presiune de 740 mm

rt. Artă., pentru particule a cu energie 4.7 mev)

	timpul de iluminare t,	Lungimea de undă la maximul spectrului,	Eficiența conversiei n, %
	3×10 -9

Lit.: Birke J., Contoare de scintilație, trad. din engleză, M., 1955; Kalashnikova V. I., Kozodaev M. S., Detectori de particule elementare, în cartea: Metode experimentale de fizică nucleară, M., 1966; Ritson D., Metode experimentale în fizica energiilor înalte, trad. din engleză, M., 1964.

Marea Enciclopedie Sovietică M.: „Enciclopedia Sovietică”, 1969-1978

- Cum funcționează un contor de scintilații

- Scintilatoare

- Fotomultiplicatoare

- Modele de contoare de scintilație

- Proprietățile contoarelor de scintilație

- Exemple de utilizare a contoarelor de scintilație

- Lista literaturii folosite

CONTORE DE SCINTILATIE

Metoda de detectare a particulelor încărcate prin numărarea fulgerelor de lumină care apar atunci când aceste particule lovesc un ecran de sulfură de zinc (ZnS) este una dintre primele metode de detectare a radiațiilor nucleare.

Încă din 1903, Crookes și alții au arătat că, dacă un ecran de sulfură de zinc iradiat cu particule a este privit printr-o lupă într-o cameră întunecată, atunci pe el se poate observa apariția unor fulgere individuale de lumină pe termen scurt - scintilații . S-a descoperit că fiecare dintre aceste scintilații este creată de o particulă a separată care lovește ecranul. Crookes a construit un dispozitiv simplu numit spinthariscope Crookes, conceput pentru a număra particulele a.

Metoda scintilației vizuale a fost ulterior utilizată în principal pentru detectarea particulelor a și a protonilor cu o energie de câteva milioane de electroni volți. Nu a fost posibil să se înregistreze electroni rapizi individuali, deoarece aceștia provoacă scintilații foarte slabe. Uneori, atunci când un ecran de sulfură de zinc era iradiat cu electroni, era posibil să se observe fulgerări, dar acest lucru se întâmpla numai atunci când un număr suficient de mare de electroni cădea simultan pe același cristal de sulfură de zinc.

Razele gamma nu provoacă blițuri pe ecran, creând doar o strălucire generală. Acest lucru face posibilă detectarea particulelor a în prezența unei radiații g puternice.

Metoda scintilației vizuale face posibilă înregistrarea unui număr foarte mic de particule pe unitatea de timp. Cele mai bune condiții de numărare a scintilațiilor se obțin atunci când numărul acestora este între 20 și 40 pe minut. Desigur, metoda scintilației este subiectivă, iar rezultatele depind într-o oarecare măsură de calitățile individuale ale experimentatorului.

În ciuda deficiențelor sale, metoda scintilației vizuale a jucat un rol imens în dezvoltarea fizicii nucleare și atomice. Rutherford l-a folosit pentru a înregistra particulele a, deoarece acestea erau împrăștiate de atomi. Aceste experimente l-au condus pe Rutherford la descoperirea nucleului. Pentru prima dată, metoda vizuală a făcut posibilă detectarea protonilor rapizi eliminați din nucleele de azot atunci când sunt bombardați cu particule a, de exemplu. prima fisiune artificială a nucleului.

Metoda scintilației vizuale a avut o importanță deosebită până în anii 1930, când apariția unor noi metode de detectare a radiațiilor nucleare a făcut-o uitată de ceva timp. Metoda de înregistrare a scintilației a fost reînviată la sfârșitul anilor 1940 pe o nouă bază. Până în acel moment, au fost dezvoltate tuburi fotomultiplicatoare (PMT) care au făcut posibilă înregistrarea fulgerelor de lumină foarte slabe. Au fost create contoare de scintilație, cu ajutorul cărora este posibilă creșterea ratei de numărare cu un factor de 108 și chiar mai mult în comparație cu metoda vizuală și, de asemenea, se pot înregistra și analiza din punct de vedere energetic atât particulele încărcate, cât și neutroni și raze G.

§ 1. Principiul de functionare al contorului de scintilatii

Un contor de scintilație este o combinație între un scintilator (fosfor) și un tub fotomultiplicator (PMT). Setul de contor include, de asemenea, o sursă de alimentare PMT și un echipament radio care asigură amplificarea și înregistrarea impulsurilor PMT. Uneori, combinația de fosfor cu un fotomultiplicator este produsă printr-un sistem optic special (ghid de lumină).

Principiul de funcționare al contorului de scintilații este următorul. O particulă încărcată care intră în scintilator produce ionizarea și excitarea moleculelor sale, care după un timp foarte scurt (10 -6 - 10 -9 sec ) intră într-o stare stabilă prin emiterea de fotoni. Există un fulger de lumină (scntilație). Unii dintre fotoni lovesc fotocatodul PMT și scot fotoelectroni din acesta. Acestea din urmă, sub acțiunea tensiunii aplicate PMT, sunt focalizate și direcționate către primul electrod (dynod) al multiplicatorului de electroni. În plus, ca rezultat al emisiei de electroni secundari, numărul de electroni crește ca o avalanșă și apare un impuls de tensiune la ieșirea PMT, care este apoi amplificat și înregistrat de echipamente radio.

Amplitudinea și durata impulsului de ieșire sunt determinate de proprietățile atât ale scintilatorului, cât și ale PMT.

După cum se utilizează fosforul:

cristale organice,

scintilatoare organice lichide,

scintilatoare din plastic dur,

scintilatoare cu gaz.

Principalele caracteristici ale scintilatoarelor sunt: ​​puterea de lumină, compoziția spectrală a radiației și durata scintilațiilor.

Când o particulă încărcată trece printr-un scintilator, în ea ia naștere un anumit număr de fotoni cu o energie sau alta. Unii dintre acești fotoni vor fi absorbiți în volumul scintilatorului însuși, iar alți fotoni cu energie ceva mai mică vor fi emiși în schimb. Ca rezultat al proceselor de reabsorbție, vor ieși fotoni, al căror spectru este caracteristic unui scintilator dat.

Puterea luminii sau eficiența de conversie a scintilatorului c este raportul dintre energia fulgerului luminii , ieşind afară, la cantitatea de energie E particulă încărcată pierdută în scintilator
Unde - numărul mediu de fotoni care ies, - energie fotonică medie. Fiecare scintilator nu emite cuante monoenergetice, ci un spectru continuu caracteristic acestui scintilator.

Este foarte important ca spectrul de fotoni care ies din scintilator să coincidă sau cel puțin parțial să se suprapună cu caracteristica spectrală a fotomultiplicatorului.

Gradul de suprapunere a spectrului de scintilație exterior cu răspunsul spectral. a acestui PMT este determinat de coeficientul de potrivire unde este spectrul extern al scintilatorului sau spectrul fotonilor care ies din scintilator. În practică, la compararea scintilatoarelor combinate cu datele PMT, se introduce conceptul de eficiență a scintilației, care este determinat de următoarea expresie:

Unde eu 0 - valoarea maximă a intensității scintilației; t 0 - constanta de timp de dezintegrare, definită ca timpul în care intensitatea scintilației scade în e o singura data.

Numărul de fotoni de lumină n , emise în timp t după lovirea particulei detectate, este exprimată prin formula

unde este numărul total de fotoni emiși în timpul procesului de scintilație.

Procesele de luminescență (strălucire) a fosforului sunt împărțite în două tipuri: fluorescență și fosforescență. Dacă intermiterea are loc direct în timpul excitării sau într-un interval de timp de ordinul 10 -8 sec, procesul se numește fluorescență. Interval 10 -8 sec ales pentru că este egal în ordinea mărimii cu durata de viață a unui atom în stare excitată pentru așa-numitele tranziții permise.

Deși spectrele și durata fluorescenței nu depind de tipul de excitație, randamentul fluorescenței depinde în esență de acesta. Astfel, atunci când un cristal este excitat de particule a, randamentul fluorescenței este aproape cu un ordin de mărime mai mic decât atunci când este fotoexcitat.

Fosforescența este înțeleasă ca luminiscență, care continuă o perioadă considerabilă de timp după terminarea excitației. Dar principala diferență dintre fluorescență și fosforescență nu este durata strălucirii. Fosforescența fosforilor de cristal apare din recombinarea electronilor și a găurilor care au apărut în timpul excitației. În unele cristale, strălucirea ulterioară poate fi prelungită datorită faptului că electronii și găurile sunt captate de „capcane” din care pot fi eliberate numai după primirea energiei suplimentare necesare. Prin urmare, dependența duratei fosforescenței de temperatură este evidentă. În cazul moleculelor organice complexe, fosforescența este asociată cu prezența lor într-o stare metastabilă, probabilitatea de tranziție de la care la starea fundamentală poate fi mică. Și în acest caz, se va observa dependența ratei de degradare a fosforescenței de temperatură.