ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5819
Скачиваний: 1
141
принципе, получили название сцинтилляционных счетчиков.
Первоначально вспышки света, возникающие в фосфоре под
действием излучения, наблюдались визуально. Современный
сцинтилляционный счетчик (рисунок 10.1) состоит из нескольких
элементов.
Вспышку света регистрируют уже не таким несовершенным
прибором, как человеческий глаз, а специальным электронным
прибором–фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Он преобразует
вспышку света в импульс электрического тока и усиливает этот
импульс в 10
6
раз. Получаемый на выходе ФЭУ импульс напряжения
пропускают через импульсный усилитель и затем регистрируют
обычными
электронными
регистраторами
(интенсиметры,
пересчетные устройства).
Предуси-
литель
Формирую-
щий каскад
Регистратор
Фото-
умножитель
Источник
напряжения
Фосфор
Светопровод
Излучение
Рисунок 10.1 – Структурная схема сцинтилляционного счетчика
Заметим, что в сцинтилляционном счетчике в отличие от
ионизационных детекторов вещество (фосфор), с которым
взаимодействует излучение, и преобразователь (ФЭУ) этого эффекта
взаимодействия в величину, удобную для регистрации, разделены
светопроводом.
Сцинтилляционный
детектор
сложнее
ионизационного, однако, он имеет перед ним ряд преимуществ. Эти
преимущества приводят к постепенному вытеснению ионизационных
детекторов сцинтилляционными счетчиками в системах регистрации
излучения. Перечислим некоторые преимущества сцинтилляционных
счетчиков перед ионизационными.
1 Сцинтилляционный счетчик позволяет легко отличить один тип
излучения от другого.
2 На основе сцинтилляционного детектора можно построить
высокоэффективный спектрометр излучения.
3 Сцинтилляционный счетчик обладает высокой эффективностью
регистрации всех типов излучения, включая γ-излучение.
4 Наконец,
сцинтилляционному
методу
присуще
малое
142
разрешающее время (10
-7
—10
-9
с) или высокое быстродействие. Это
позволяет измерять интенсивные потоки излучения и изучать
процессы, протекающие в столь короткие интервалы времени.
10.2 Фосфоры
Качество сцинтилляционного счетчика и область его применения
в значительной степени зависят от свойств фосфора.
Одной из основных характеристик фосфора является его
конверсионная способность. Она показывает долю энергии,
поглощенной фосфором, которая превращается в световую энергию.
Если в фосфоре полностью поглощается частица с энергией Е
а
и при
этом испускаются фотоны с суммарной энергией Е
ф
, то
конверсионная способность такого фосфора
η= (Е
ф
/Е
а
)100%.
(10.1)
Чем больше конверсионная способность и чем лучше качество
фосфора, тем легче зарегистрировать частицу, тормозящуюся в
фосфоре. Высокой конверсионной способностью обладает фосфор
NaI(Tl), преобразующий в световую энергию около 6% поглощенной
энергии. Число фотонов, испускаемых фосфором при поглощении
частицы с энергией Е
а
:
h
E
h
E
n
a
ô
(10.2)
где hv – средняя энергия фотона. Для видимой части спектра
значение hv~3 кэВ. Поэтому при поглощении электрона с энергией
Е
е
=1 МэВ в фосфоре NaI(Tl) образуется п=0,06
(10
3
/3)=20 фотонов.
Количество света, испускаемого фосфором, характеризуется также
световым выходом, который равен отношению числа испущенных
фотонов к поглощенной в фосфоре энергии частицы. При полном
поглощении энергии Е
а
:
h
E
n
a
(10.3)
Время высвечивания световой энергии фосфором – еще одна
характеристика фосфора. После попадания частицы в фосфор
происходит накопление возбужденных атомов. Часть из них,
испуская фотоны, переходит в основное состояние еще до полной
остановки частицы в фосфоре. Так как количество возбужденных
атомов увеличивается во время торможения частицы, то и
интенсивность излучения фосфора возрастает. Сразу же после
143
остановки частицы число возбужденных атомов достигает
максимального значения. Поэтому максимальная интенсивность
света наблюдается через время t
0
=10
-10
с, равное времени
торможения частицы в фосфоре (рисунок 10.2). По значению это
время небольшое, так что нарастание интенсивности света с момента
попадания частицы в фосфор до максимальной интенсивности в
момент t
0
можно рассматривать как мгновенное, изменяющееся
скачком от нуля до своего максимального значения. Для t>t
0
начинается относительно медленная убыль интенсивности света,
обусловленная уменьшением числа возбужденных атомов.
t
t
0
J
J
0
Рисунок 10.2 – Зависимость интенсивности света в фосфоре от
времени
Изменение интенсивности света J для этого интервала времени
описывается законом:
J = J
0
ехр(-t/τ),
(10.4)
где t – время, отсчитываемое от момента t
o
. Постоянную τ,
характеризующую среднее время жизни возбужденного атома,
называют временем высвечивания фосфора. Оно численно равно
времени, в течение которого интенсивность света падает в 2,72 раз.
Для полного высвечивания фосфора требуется время около (3
5)τ.
Время высвечивания для различных фосфоров может изменяться в
широких пределах от 10
-9
до 10
-5
с. Чем меньше время высвечивания
фосфора, тем короче образующийся в ФЭУ импульс тока, тем лучше
разрешающая способность сцинтилляционного счетчика.
Кроме физических характеристик, связанных с образованием и
144
испусканием света, фосфор должен обладать еще рядом свойств.
Во–первых, фосфор должен быть достаточно прозрачным к
испускаемому свету. В этом случае большая часть света дойдет до
ФЭУ и преобразуется в импульс тока. Прозрачность фосфора
характеризуют длиной поглощения света. Под длиной поглощения
света понимают толщину фосфора, ослабляющего испускаемый им
свет в 2.72 разa.
Во–вторых, длина волн испускаемого фосфором света должна
соответствовать максимуму чувствительности фотокатода ФЭУ для
более полного преобразования света в электрический ток ФЭУ.
В–третьих, излучение должно интенсивно взаимодействовать с
материалом фосфора. Это условие определяет эффективность
сцинтилляционного счетчика. Так как невозможно подобрать
фосфор, материал которого одинаково взаимодействовал бы с любым
излучением, то для каждого типа излучения выбирают наиболее
приемлемый фосфор. Например, для регистрации γ-излучения
материал фосфора должен обладать высокой плотностью и большим
порядковым номером Z. Наоборот, для регистрации быстрых
нейтронов по протонам отдачи пригоден фосфор с большим
содержанием водорода. Такому условию удовлетворяют некоторые
органические вещества с плотностью, близкой к плотности воды, и с
малым порядковым номером Z.
Наконец, желательно, чтобы фосфор был дешевым и мог быть
изготовлен достаточно больших размеров.
Последнее требование особенно предъявляется к органическим и
неорганическим монокристаллам. В сцинтилляционных счетчиках
используют твердые, жидкие и газообразные фосфоры, которые
можно разделить на несколько классов.
10.2.1 Органические монокристаллы
Фосфоры этого класса представляют собой монокристаллы
некоторых органических соединений–стильбена, антрацена, толана,
нафталина. Наибольшей конверсионной способностью обладает
антрацен. Но он очень чувствителен к резкому изменению
температуры, в процессе которого монокристалл трескается,
распадается на большое число мелких кристаллов и теряет свойства
фосфора.
Более устойчивым органическим монокристаллом является
стильбен. Он характеризуется относительно большим значением
145
η=0,01, а также малой постоянной времени высвечивания τ
б
~6
10
-9
с.
Стильбен удобен для разделения при регистрации одних заряженных
частиц от других.
Органические монокристаллы применяются для регистрации
заряженных частиц, быстрых нейтронов по протонам отдачи. Они
чувствительны также и к γ–излучению.
10.2.2 Жидкие фосфоры
Жидкие фосфоры – это растворы органических и неорганических
веществ в органических жидкостях. Они состоят из растворителя
(толуол, ксилол) и активатора (р–терфенил) и помещаются в
герметичные контейнеры.
Процесс образования вспышки света в жидких фосфорах
протекает в три стадии. Плотность молекул растворителя в жидком
фосфоре значительно больше плотности молекул активатора.
Поэтому на первой стадии заряженные частицы преимущественно
образуют возбужденные молекулы растворителя. На второй стадии в
межмолекулярных
столкновениях
энергия
возбуждения
распространяется по жидкому фосфору и может возбудить молекулы
активатора, который обладает свойствами сцинтиллятора. На третьей
стадии возбужденные молекулы активатора испускают фотоны.
Жидкие фосфоры имеют ряд преимуществ перед органическими
монокристаллами. Жидкие фосфоры относительно дешевы, а их
объем практически неограничен. В жидкие фосфоры можно вводить
необходимые для регистрации излучений растворимые добавки
веществ. Недостаток жидких фосфоров – малый световой выход.
10.2.3 Пластики
Твердые растворы органических веществ в органических
жидкостях называют пластиками. По своей физической природе и
механизму высвечивания света пластики подобны жидким
фосфорам. В процессе изготовления в жидкий органический
растворитель (полистирол, поливинилтолуол) добавляют 1–5
весовых процентов активатора (терфенилбутадиен, стильбен и т. д.).
После затвердевания раствора образуется прозрачный пластик с
хорошими оптическими свойствами.
Пластики легко поддаются механической обработке (резке,
шлифовке и т. д.). Для них не нужен специальный герметичный
контейнер, что удобно при конструировании сцинтилляционного
счетчика. Пластики применяются для регистрации γ-излучения и