Сцинцилляционные счетчики

Сцинтилляционные счетчики Содержание q Принцип работы сцинтилляционного счетчика q Сцинтилляторы q Фотоэле ктронные умножители q Конструкции сцинтилляционных счетчиков q Свойства сцинтилляционных счетчиков q Примеры использования сцинтилляционных счетчиков q Список использованной литературы СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ Метод регистрации заряж енных частиц с помощью счета вспы шек света , возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS), является одним из первых методов регистрации ядерных излучений. Еще в 1903 г . Крукс и другие показали , что если рассматри вать экран из с ернистого цинка , облучаемый -частицами , через увеличительное стекло в темном помещении , то на нем можно за метить появление отдельных кратковременных вспышек света — сцинтилляций . Было установлено , что каждая из этих сцинтил ляций создается отдельной -частицей , попадающей на экран . Круксом был построен простой прибор , названный спинтари скопом Крукса , предназначенный для счета -частиц. Визуальный метод сцинтилляц ий был использован в дальней шем в основном для регистрации -частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электронвольт . Отдельные быстрые элек троны регистрировать не удалось , так как они вызывают очень слабые сцинтилля ции . Иногда при облучении электронами серни сто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки , но это происходило лишь тогда , когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов. Гамма-лучи никаких вс пышек на экране не вызывают , создавая лишь общее свечение . Это позволяет регистрировать -частицы в присутствии сильного -излучения. Визуальный метод сцинтилляций позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени . Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда , когда их число лежит между 20 и 40 в минуту . Конечно , метод сцинтилля ций является субъективным , и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальны х качеств экспериментатора. Несмотря на недостатки , визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики . С помощью него Резерфорд регистрировал -частицы при их рассеянии на атомах . Именно эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра . Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны , выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их -частицами , т.е . первое искусственное расщепление ядра . Визуальный метод с цинтилляций имел большое значение вплоть до тридцатых годов , когда появление новых методов регистрации ядерных излучений заставило на некоторое время забыть его . Сцинтилляционный метод регистрации возродился в конце сороковых годов XX века на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света . Были созданы сцинтилляционные счетчики , с помощью которых можно увеличить скорость счета в 10 8 и даже более раз по сравнению с визуал ьным методом , а также можно регистрировать и анализи ровать по энергии как заряженные частицы , так и нейтроны и -лучи. § 1. Принцип работы сцинтилляционного счетчика Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинт иллятора (фосфора ) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура , обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ . Иногда сочетание фос фора с ФЭУ производится ч е рез специальную оптическую систему (светопровод ). Принцип работы сцинтилляционного счетчика состоит в сле дующем . Заряженная частица , попадая в сцинтиллятор , произво дит ионизацию и возбуждение его молекул , которые через очень короткое время (10 -6 — 10 -9 с ек ) переходят в стабильное состоя ние , испуская фотоны . Возникает вспышка света (сцинтилляция ). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны . Последние под действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направл яются на первый электрод (динод ) электронного умножителя . Далее в результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается , и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения , который затем уже усиливается и регистрируется радиотех н иче ской аппаратурой. Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора , так и ФЭУ. В качестве фосфоров используются : Ш органические кристаллы , Ш жидкие органические сцинтилляторы , Ш твердые пластмассовые сцинтиллят оры , Ш газовые сцинтилляторы. Основными характеристиками сцинтилляторов являются : све товой выход , спектральный состав излучения и длительность сцинтилляций. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией . Часть этих фотонов будет поглощена в объеме самого сцинтилля тора , и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией . В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны , спектр которых характерен д л я данного сцинтиллятора. Световым выходом или конверсионной эффективностью сцин тиллятора называется отношение энергии световой вспышки , выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы , потерянной в сцинтилляторе , где — среднее число фотонов , в ыходящих наружу, — сред няя энергия фотонов . Каждый сцинтиллятор испускает не моно энергетические кванты , а сплошной спектр , характерный для данного сцинтиллятора. Очень важно , чтобы спектр фотонов , выходящих из сцинтилля тора , совпадал или хотя бы ча стично перекрывался со спектраль ной характеристикой ФЭУ. Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спек трально й характеристикой . данного ФЭУ определяется коэф фициентом согласования где — внешний спектр сцинтиллятора или спектр фотонов , выходящих наружу из сцинтиллятора . На практике при сравне нии сцинтилляторо в , сочетаемых с данными ФЭУ , вводят понятие сцинтилляционной эффективности , которая определяется следу ющим выражением : Сцинтилляционная эффективность учитывает как число фотонов , испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энер гии , так и чувствительность данного ФЭУ к этим фотонам. Обычно сцинтилляционную э ффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения со сцинтилляционной эффек тивностью сцинтиллятора , принятого за эталон. Интенсивность сцинтилляции изменяется со временем по экспоненциальному закону где I 0 — максимальное значение интенсивности сцинтилляции ; t 0 — постоянная времени затухания , определяемая как время , в течение которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз. Число фотонов света n , испущенных за время t после попада ния регистрируемой частицы , выражается формулой где — полное число фотонов , испущенных в процессе сцинтил ляции. Процессы люминесценции (высвечивания ) фосфора д елят на два вида : флуоресценции и фосфоресценции . Если высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек, то процесс называется флуоресценцией . Интервал 10 -8 сек выбран потому , что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов. Хотя спектры и длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения , выход же флуоресценции существенно зависит от него . Так при возбуждении кристалл а -частицами выход флуо ресценции почти на порядок меньше , чем при фотовозбуждении. Под фосфоресценцией понимают люминесценцию , которая продолжается значительное время после прекращения возбужде ния . Но основное различие между флуоресценцией и фосфорес ценцией заключается не в длительности послесвечения . Фосфо ресценция кристаллофосфоров возникает при рекомбинации элек тронов и дырок , возникших при возбуждении . В некоторых кри сталлах возможно затягивание послесвечения за счет того , что электроны и дырки захватываются “ловушками” , из которых они могут освободиться , лишь получив дополнительную необхо димую энергию . Отсюда очевидна зависимость длительности фос форесценции от температуры . В случае сложных органических молекул фосф о ресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии , вероятность перехода из которого в основное состояние может быть малой . И в этом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфоресценции от темпера туры. § 2. Сцинтилляторы Неор ганические сцинтилляторы . Неорга нические сцинтилляторы представляют собой кристаллы неорга нических солей . Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов. Процесс возникновения сци нтилляций можно представить при помощи зонной теории твердого тела . В отдельном атоме , не взаи модействующем с другими , электроны находятся на вполне опре деленных дискретных энергетических уровнях . В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях , и их взаимодействие достаточно сильно . Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны , отделенные друг от друга запрещенными зонами . Самой внешней разрешенной зоной , заполненной электронами , является валент н а я зона . Выше ее располагается свободная зона — зона прово димости . Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона , энергетическая ширина которой составляет несколько электронвольт. Если в кристалле имеются какие-либо дефекты , нарушен ия решетки или примесные атомы , то в этом случае возможно появле ние энергетических электронных уровней , расположенных в за прещенной зоне . При внешнем воздействии , например при про хождении через кристалл быстрой заряженной частицы , электроны могут перех о дить из валентной зоны в зону проводимости . В ва лентной зоне останутся свободные места , обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и назы ваемые дырками. Описанный процесс и является процессом возбуждения кри сталла . Возбужде ние снимается путем обратного перехода элек тронов из зоны проводимости в валентную зону , происходит рекомендация электронов и дырок . Во многих кристаллах пере ход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные це н тры , уровни которых находятся в запрещенной зоне . Указанные центры обусловли ваются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов . При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энер гией , меньшей ширины запрещенной зоны . Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому све товой выход для него много больше , чем для чистого , беспримес ного кристалла. На практике , для увеличения светового выхода неорганиче ских сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элемен тов , называемых активаторами . Так , например , в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий . Сцинтиллятор , построенный на основе кристалла NaJ(Tl), обладает большим световым выходом . Сцинтиллятор NaJ (Т l) имеет значильтельные преимущества по сравнению с газонаполненными счет чиками : большую эффективность регистрации -лучей (с большими кристаллами эффективность регистрации может достигать десят ков процентов ); малую длительность сцинтилляции (2,5 • 10 -7 сек ); л инейную связь между амплитудой импульса и величиной энергии , потерянной заряженной частицей. Последнее свойство требует пояснений . Световой выход сцинтиллятора имеет некоторую зависимость от удельных потерь энергии заряженной частицы . Рис . 1. Зависимость светового выхода кристалла NaJ (T1) от энергии частиц. При очень больших ве личинах возможны зна чительные нарушения кристал лической решетки сцинтилля тора , которые приводят к воз никновению локальных центров тушения . Это обстоятельство может прив ести к относитель ному уменьшению светового вы хода . Действительно , экспери ментальные факты свидетельствуют о том , что для тяжелых частиц выход нелинеен , а линейная зависимость начинает проявляться только с энергии в несколько миллионов электронвольт . На рис. 1 приведены кривые зависи мости от Е : кривая 1 для электронов , кривая 2 для частиц. Кроме указанных щелочно-галоидных сцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы : Z nS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4 , CdWO 4 и др. Органические кристаллические сцинтилляторы. Молекулярные силы связи в органических кристаллах малы по сравнению с силами , действующими в не органических кристаллах . Поэтому взаимодействующие моле кулы практич ески не возмущают энергетические электронные уровни друг у друга и процесс люминесценции органического кристалла является процессом , характерным для отдельных молекул . В основном электронном состоянии молекула имеет несколько колебательных уровней . Под во з действием регистрируе мого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние , которому также соответствует несколько колебатель ных уровней . Возможны также ионизация и диссоциация молекул . В результате рекомбинации ионизованной молекулы , о на , как правило , образуется в возбужденном состоянии . Первоначально возбужденная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время (~ 10 -11 сек ) испускает фотон высокой энергии . Этот фотон поглощается другой молекулой , причем ч асть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движение и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией по сравнению с пре дыдущим . После нескольких циклов испускания и поглощения образуются молекулы , находя щиеся на первом возбужденном уровне ; они испускают фотоны , энергия которых может оказаться уже недостаточной для возбужде ния других молекул и , таким обра зом , кристалл будет прозрачным для возникающего излучения. Рис. 2. Зависимость светового выхода антрацена от энергии для различных частиц. Благодаря тому , что большая часть энергии возбуждения расхо дуется на тепловое движение , све товой выход (конверсионная эффек тивность ) кристалла сравнительн о невелик и составляет несколько процентов. Для регистрации ядерных излу чений наибольшее распростране ние получили следующие органи ческие кристаллы : антрацен , стильбен , нафталин . Антрацен обладает достаточно большим световым выходом (~4%) и малым времене м высвечивания (3• 1 0 -8 сек ). Но при регистрации тяжелых заря женных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтил ляции наблюдается лишь при довольно больших энергиях час тиц. На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода (в произвольных единицах ) от энергии электронов 1 , протонов 2 , дейтонов 3 и -частиц 4 . Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым вы ходом , чем антрацен , но зато длительность сцинтилляции у него значитель но меньше (7• 10 -9 сек ), чем у антрацена , что позволяет использовать его в тех экспериментах , где требуется регистрация очень интенсивного излучения. Пластмассовые сцинтилляторы. Пластмас совые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующ их органических соединений в подходящем проз рачном веществе . Например , растворы антрацена или стильбена в полистироле , или плексигласе . Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или нес к олько процентов. Так как растворителя много больше , чем растворенного сцин-тиллятора , то , естественно , регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя . Энергия возбуж дения в дальнейшем передается молекулам сцинтиллятора . Оче видно , что спектр испускания растворителя должен быть более жестким , чем спектр поглощения растворенного вещества , или по крайней мере совпадать с ним . Экспериментальные факты пока зывают , что энергия возбуждения растворителя передается моле кулам сцинтил л ятора за счет фотонного механизма , т . е . моле кулы растворителя испускают фотоны , которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества . Возможен и другой меха низм передачи энергии . Так как концентрация сцинтиллятора мала , то раствор оказывается пр а ктически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора. Пластмассовые сцинтилляторы имеют значительные преиму щества по сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами : Ш возможность изготовления сцинтилляторов очень больших раз меров ; Ш в озможность введения в сцинтиллятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода ; Ш возможность введения в сцинтиллятор различных веществ , необходимых в специальных эксперимента х (например , при иссле довании нейтронов ); Ш возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме ; малое время высвечивания (~3• 10 -9 сек ). Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцин тилляторы , приготовленные растворением антрацена в полисти роле . Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле. Жидкие органические сцинтилляторы. Жидкие органические сцинтилляторы представляют собой рас творы органических сцинтиллирующих веществ в некоторых жидких органических раст ворителях. Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах анало гичен механизму , происходящему в твердых растворах— сцинтил ляторах. Наиболее подходящими растворителями оказались ксилол , толуол и фенилциклогексан , а сцинтиллирующими веществами р-терфенил , дифенилоксазол и тетрафенилбутадиен. Наибольшим световым выходом обладает сцинтиллятор , изго товленный при растворении р-терфенила в ксилоле при концен трации растворенного вещества 5 г /л. Основные достоинства жидких сцинтилляторов : Ш возможность изгот овления больших объемов ; Ш возможность введения в сцинтиллятор веществ , необходимых в специальных экспериментах ; Ш малая длительность вспышки ( ~3• 10 -9 сек ). Газовые сцинтилляторы. При прохождении за ряженных частиц через различные газы в них наблюдалос ь появле ние сцинтилляций . Наибольшим световым - выходом обладают тяжелые благородные газы (ксенон и криптон ). Большим световым выходом обладает также смесь ксенона и гелия . Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход , даже больший , чем у ч истого ксенона (рис. 3). Ничтожно малые примеси других газов резко уменьшают интен сивность сцинтилляций в бла городных газах. Рис. 3. Зависимость светового вы хода газового сцинтиллятора от соот н ошения смеси гелия и ксенона. Экспериментально было по казано , что длительность вспы шек в благородных газах мала (10 -9 -10 -8 сек ), а интенсив ность вспышек в широком диапа зоне пропорциональна потерян ной энергии регистрируемых частиц и не зависит от их массы и заряда . Газовые сцинтилля торы обладают малой чувстви тельностью к -излучению. Основная часть спектра лю минесценции лежит в области далекого ультрафиолета , поэтому для приведения в соответствие со спектральной чувс твительностью ФЭУ используются светопреобразователи . Последние должны обладать высоким коэффи циентом конверсии , оптической прозрачностью в тонких слоях , низкой упругостью насыщенных паров , а также механической и химической устойчивостью . В качестве матер и алов для светопреобразователей в основном используются различные органиче ские соединения , например : дифенилстильбен (эффективность преобразования около 1); P 1 p ’ -кватерфенил (~1); антрацен (0,34) и др. Светопреобразователь наносится тонким слоем на фотокат од ФЭУ . Важным параметром светопреобразователя является его время высвечивания . В этом отношении органические преобразо ватели являются вполне удовлетворительными (10 -9 сек или не сколько единиц на 10 -9 сек ). Для увеличения светосбора внутрен ние стенки ка меры сцинтиллятора обычно покрываются светоотражателями (MgO, эмаль на основе окиси титана , фторопласт , окись алюминия и др .). § 3. Фотоэлектронные умножители Основными элементами ФЭУ являются : фотокатод , фокуси рующая система , умножительная система (дино ды ), анод (коллек тор ). Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне , откаченном до высокого вакуума ( 10 -6 мм рт.ст .). Для целей спектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торце вой части баллон а ФЭУ . В качестве материала фотокатода выби рается вещество достаточно чувствительное к свету , испускаемому сцинтилляторами . Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды , максимум спектральной чувствительности которых лежит при = 3900 4200 А , что соответствует , максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов. Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ. Одной из характеристик фотокатода является его квантовый выход в , т . е . вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном , попавшим на фотокатод . Величина может достигать 10-20%. Свойства фотокатода ха рактеризуются также интегральной чув ствительностью , представляющей собой отношение фототока (мка ) к падающему на фотокатод световому потоку (лм ). Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрач ного слоя . Существенна толщина этого слоя . С одной с тороны , для большого поглощения света она должна быть значительной , с другой стороны , возникающие фотоэлектроны , обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффектив ный квантовый выход может оказаться малым . Поэтому подби рается оп т имальная толщина фотокатода . Существенно также обеспечить равномерную толщину фотокатода , чтобы его чувстви тельность была одинакова на всей площади . В сцинтилляционной -спектрометрии часто необходимо использовать твердые сц интилляторы больших размеров , как по толщине , так и по диаметру . Поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с боль шими диаметрами фотокатодов . В отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15 20 см . фотоэлектроны , выбитые из фотокатода , должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод . Для этой цели используется система электростатических линз , которые пред ставляют собой ряд фокусирующих диафрагм . Для получения хороших време нных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему , чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом . На рис. 4 при ведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя . Высокое напряжение , питающее ФЭУ , отрицат ельным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электро дами . Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспе чивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод . Умножающие электроды носят название динодов . Диноды и з готовляются из материалов , коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы ( >1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жалюзи . В обоих случаях диноды располагаютс я в линию . Возможно также и кольцеобразное располо жение динодов . ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обла дают лучшими временными характеристиками . Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов . Максимальное з начение для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350 400 эв, а для сплавных эмиттеров — при 500 550 эв. В первом случае = 12 14, во втором =7 10. В рабочих режимах ФЭУ значение несколько меньше . Достаточно хорошим коэф фициентом втор ичной эмиссии является = 5. Фотоэлектроны , сфокусированные на первый динод , выбивают из него вторичные электроны . Число электронов , покидающих первый динод , в несколько раз больше числа фотоэлектронов . Все они направляются н а второй динод , где также выбивают вто ричные электроны и т . д. , от динода к диноду , число электронов увеличивается в раз. При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5 — 7 порядков и попадает на анод — собирающий электрод ФЭУ . Если ФЭУ работает в токовом режиме , то в цепь анода включаются приборы , усиливающие и измеряющие ток . При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов , возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов . В этих случаях в цепь анода включается сопротивление , на котором и возникает им пульс напряжения. Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умно жения М. Если значение для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах ), а число динодов равно n , то A и B постоянные , u – энергия электронов . Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиле ния М ' , который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току , выходящему из катода М ' = СМ, где С < 1 — коэффициент сбора электронов , характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод. Очень важным является постоянство коэффициента усиле ния М ' ФЭУ как во времени , так и при изменении числа электро нов , выходящих из фото катода . Последне е обстоятельство позво ляет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектро метров ядерных излучений. О помехах в фотоум ножителях. В сцинтилляционных счетчиках даже при отсутст вии внешнего облучения возможно появление большого числа импуль сов на выходе ФЭУ . Эти импульсы обычно имеют небольшие ампли туды и носят название шумовых . Наибольшее число шумовых им пульсов обусловливается появле нием термоэлектронов из фотока тода или даже из первых динодов . Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется е го охлаждение . При регистрации излучений , соз дающих большие по амплитуде импульсы , в регистрирующую схему включается дискриминатор , не пропускающий шумовые импульсы. Рис. 5. Схема для подавления шу мов ФЭУ. 1. При регистрации импульсов , амплитуда которых сравнима с шумовыми , рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ , включенными в схему совпадений (рис. 5). В этом случае происходит временная селекция импульсов , возникших от регистрируем ой частицы . В самом деле , вспышка света , возник шая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы , попадет одно временно на фтокатоды обоих ФЭУ , и на их выходе одновременно появятся импульсы , заставляющие сработать схему совпадений . Частица будет зарегистриро в ана . Шумовые же импульсы в каж дом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зарегистрированы схемой совпадений . Такой способ позволяет уменьшать собственный фон ФЭУ на 2 — 3 порядка. Число шумовых импульсов растет с ростом приложенног о напряжения , сначала довольно медленно , затем возрастание резко увеличивается . Причиной этого резкого возрастания фона яв ляется автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатод о м ФЭУ. В районе анода , где плотность тока наибольшая , возможно возникновение свечения как остаточного газа , так и конструктив ных материалов . Возникшее слабое свечение , а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопро вождающих им пульсов , отстоящих по времени от основных на 10 -8 10 -7 сек. § 4. Конструкции сцинтилляционных счетчиков К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования : Ш наилучший сбор света сцинтилляций на фот окатоде ; Ш равномерное распределение света по фотокатоду ; Ш затемнение от света посторонних источников ; Ш отсутствие влияния магнитных полей ; Ш стабильность коэффициента усиления ФЭУ. При работе со сцинтилляционными счетчиками всегда необ ходимо добива ться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов , что принуждает опти мально использовать интенсивности вспышек , возникающих в сцин тилляторе . Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер , закрываемый с одн о го конца плоским стеклом . Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой материала , отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу . Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85 — 0,90), используется также алюминий (0,55 — 0,85). Особое внимание должно быть обращено на тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов . Так , например , наиболее часто используемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги желте ет и теряет свои сцинтилля ционные свойства. Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковы вать в герметические контейнеры , но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем . Все твердые сцин тилляторы должны иметь на одном из то рцов выходное окно , которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ . В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилля ции . Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам , минеральные или силиконовые м асла и создается оптический контакт. В некоторых экспериментах , например при измерениях в ва кууме , в магнитных полях , в сильных полях ионизирующих излучений сцинтиллятор не может быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ . В таких случаях для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод . В качестве светопроводов применяются полированные стержни из прозрачных материалов — таких , как люсит , плексиглас , полистирол , а также металлические или плексигласовые трубки , заполненные прозр а чной жидкостью . Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала . В некоторых экспе риментах необходимо использовать изогнутые светопроводы. Лучше применять светопроводы с большим радиусом кривизны . Светопроводы позволяют т акже сочленять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров . При этом используются конусообразные све топроводы . Сочленение ФЭУ с жид ким сцинтиллятором производится либо через светопровод , либо непо средственным контактом с жидко стью . На рис. 6 приведен пример со членения ФЭУ с жидким сцин тиллятором . В различных режимах работы на ФЭУ подается напря жение от 1000 до 2500 в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зависит от напряжения , то источник питающего тока должен быть хорошо стабилизирован . Кро ме того , в озможно осуществление самостабилизации. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения , который позволяет подавать на каждый электрод соответствующий потенциал . Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов де лителя . Положительный полюс и другой конец делителя заземляются . Сопротивления делителя подбираются таким образом , чтобы был осуществлен оптималь ный режим работы ФЭУ . Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи , иду щие через ФЭУ. Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором. 1 — жидкий сцинтиллятор ; 2 — ФЭУ ; 3 — с ветозащитный кожух. При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном ре жиме на выходе ФЭУ возникают короткие (~10 -8 сек ) импульсы , амплитуда которых может составлять несколько единиц или несколько десятков вольт . При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие изменения , так как ток через делитель не успевает восполнить заряд , уносимый с каскада электронами . Чтобы избежать таких колебаний потенциалов , несколько последних сопротивлений делителя шунтируются ем костями . За счет подбора пот е нциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах , т.е . осуществляется определенная электроннооптическая си стема , соответствующая оптимальному режиму. В электроннооптической системе траектория электрона не зависит от пропорционального изменения потенциалов на всех электродах , образующих данную электроннооптическую систему . Так и в умножителе при изменении напряжения питания изме няется лишь коэффициент усиления его , но электроннооптические свойства остаются неизменным и . При непропорциональном изме нении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке , где нарушена пропорциональность , изме няются . Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ . Для этой цели потенци ал Рис. 7. Часть схемы делителя. одного из динодов по отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным , либо с помощью дополнительной батареи , либо с помощью дополнительно стабилизированного делителя . На рис. 7 приведена часть схемы делителя , где между динодами D 5 и D 6 включена дополнительная батарея ( U б = 90 в ). Для полу чения наилучшего эффекта самостабилизации необходимо подо брать величину сопротивления R'. Обычно R' бол ьше R в 3 — 4 раза. § 5. Свойства сцинтилляционных счетчиков Сцинтилляционные счетчики обладают следующими достоинствами. Высокая разрешающая способность по времени. Длительность импульса в зависимости от исполь зуемых сцинтилляторов простирается от 10 -6 д о 10 -9 сек, т.е . на несколько порядков меньше , чем у счетчиков с самостоятель ным разрядом , что позволяет осуществлять намного большие скорости счета . Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания и мпульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10 -9 — 10 -8 сек ). Это позволяет использовать схемы совпа дений с малым разрешающим временем ( < 10 -8 сек ) и , следова тельно , производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельны м каналам при малом числе случайных совпадений. Высокая эффективность регистрации -лучей и нейтронов. Для регистрации -кванта или нейтрона необходимо , чтобы они прореагировали с веществом детект ора ; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором . Очевидно , что чем больше находится вещества на пути -лучей или нейтронов , тем большей будет вероятность их поглощения , тем большей будет эффективность их регистрации . В настоящее время при исполь зовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности реги страции -лучей в несколько десятков процентов . Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенны ми веществами ( 10 В, 6 Li и др .) также намного превышает эффектив ность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков. Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения . В самом деле , для легких заряженных частиц (электр оны ) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии , потерянной частицей в этом сцинтилляторе. С помощью сцинтилляционных счетчиков , присоединенных к амплитудным анализаторам , можно изучать спектры электронов и -лучей . Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц ( -частицы и др .), создающих в сцин тилляторе большую удельную ионизацию . В этих случаях про порциональность интенсивности вспышки потерянной э нергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии , больших некоторой величины . Нелиней ная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц . Это иллюстрирует с я графиками на рис .1 и 2. Возможность изготовления сцинтилля торов очень больших геометрических размеров . Это означает возможность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших энергий (космические лучи ), а также час тиц , слабо взаимодействующ их с веществом (нейтрино ). Возможность введения в состав сцин тилляторов веществ , с которыми с боль шим сечением взаимодействуют нейтроны . Для регистрации медленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленных нейтронов с 6 Li идет реакция 6 Li(n, ) 3 Н , в которой выделяется энергия в 4,8 Мэв. § 6. Примеры использования сцинтилляционных счетчиков Измерение времен жизни возбужден ных состояний ядер . При радиоактивном распаде или в различных ядерных реакциях образующиеся ядра часто оказываются в возбужденном состоянии . Изучение квантовых характеристик возбужденных состояний ядер является одной из главных задач ядерной физики . Очень важной характеристи кой возбужденного состояния ядра является время е го жизни t. Знание этой величины позволяет получать многие сведения о структуре ядра. Атомные ядра могут находиться в возбужденном состоянии различные времена . Для измерения этих времен существуют различные методы . Сцинтилляционные счетчики оказались очень удобными для измерения времен жизни уровней ядер от несколь ких секунд до очень малых долей секунды . В качестве примера использования сцинтилляционных счетчиков мы рассмотрим метод задержанных совпадений . Пусть ядро A (см . рис. 10 ) путем -распада превращается в ядро В в возбужденном состоянии , которое избыток своей энергии отдает на последовательное испу скание двух -квантов ( 1 , 2 ) . Треб уется определить время жизни возбужденного состояния I . Препарат , содержащий изо топ A, устанавливается между двумя счетчиками с кристаллами NaJ(Tl) (рис. 8). Импульсы , возникшие на выходе ФЭУ , по даются на схему быстрых совпадений с разрешающим временем ~10 -8 — 10 -7 сек. Кроме того , импульсы подаются на линейные усилители и далее на амплитудные анализаторы . Последние настраиваются таким образом , что они пропускают импульсы определенной амплитуды . Для нашей цели , т.е . для цели изме рения времени жизни уровня I (см . рис. 10), амплитудный анализатор AAI должен пропускать только импульсы , соответ ствующие энергии квантов 1 а анализатор AAII — 2 . Рис. 8. Принципиальная схема для определения вре мени жизни возбужденных состояний ядер. Далее импульсы с анализаторов , а также с быстрой схемы совпадений подаются на медленную ( ~10 -6 сёк ) схему тройных совпаден ий . В эксперименте изучаются зависимость числа тройных совпадений от величины временной задержки импульса , включенной в первый канал схемы быстрых совпадений . Обычно задержка импульса осуществляется с помощью так называемой переменной линии задержки ЛЗ (р и с. 8). Линия задержки должна включаться именно в тот канал , в котором регистрируется квант 1 , так как он испускается раньше кванта 2 . В результате эксперимента строится полулогарифми ческий графи к зависимости числа тройных совпадений от времени задержки (рис. 9), и уже по нему определяется время жизни возбужденного уровня I (так же , как это делается при определе нии периода полураспада с помощью одиночного детектора ). Используя сцинтилляционные сче тчики с кристаллом NaJ(Tl) и рассмотренную схему быстро-медленных совпадений , можно измерять времена жизни 10 -7 — 10 -9 сек. Если же использовать более быстрые органические сцинтилляторы , то можно измерять и меньшие времена жизни возбужденных состояний (до 10 -11 сек ) . Рис. 9. Зависимость числа совпа дений от величины задержки. Гамма-дефектоскопия. Ядерные излучения , обладающие большой проникающей способностью , все чаще применяются в тех нике для обнаружения дефектов в тру бах , рельсах и других боль ших металлических блоках . Для этих целей используется источник -излучения и детектор - лучей . Наилучшим детектором в этом слу чае является сцинтилляционный счетчик , обл адающий большой эффективностью регистрации . Ис точник излучения помещается в свинцовый контейнер , из которого через коллиматорное отвер стие выходит узкий пучок -лучей , освещающий трубу . С противо положной стороны трубы уста навливается сцинтилляционный счетчик . Источник и счетчик помещаются на подвижный механизм , позволяющий передвигать их вдоль трубы , а также поворачивать около ее оси . Проходя через материал трубы , пучок -лучей будет частично п оглощаться ; если труба однородна , поглощение будет всюду одинаковым , и счетчик будет всегда регистрировать одно и то же число (в среднем ) -квантов в единицу времени , если же в каком-то месте трубы имеется раковина , то -лучи в этом месте будут поглощаться меньше , скорость счета увеличится . Местополо жение раковины будет обнаружено . Примеров подобного исполь зования сцинтилляционных счетчиков можно привести много. Экспериментальное обнаружение ней трино. Нейтрино — самая загадочная из элементарных частиц . Практически все свойства нейтрино получены из косвенных дан ны х . Современная теория -распада предполагает , что масса ней трино m равна нулю . Некоторые эксперименты позволяют утверждать , что . Спин нейтрино равен 1/2 , магнит ный момент <10 -9 ма гнетона 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 ( -частица ). При электронном распаде испускается электрон (частица ) и антинейтрино ( -античастйца ). Создание ядерных реакторов , в которых образуется очень бо льшое количество ядер с избытком нейтронов , вселило надежду на обнаружение антинейтрино . Все нейтронноизбыточные ядра распадаются с испусканием электронов , а следова тельно , и антинейтрино . Вблизи ядерного реактора мощностью в несколько сотен тысяч килова т т поток антинейтрино составляет 10 13 см -2 сек -1 — поток огромной плотности , и при выборе подходящего детектора антинейтрино можно было попытаться их обнаружить . Такая попытка была осуществлена Рейнесом и Коуэном в 1954 г . Авто ры использовали следующую реакцию : p n + e + (1) этой реакции частицами-продуктами являются позитрон и нейтрон , которые могут быть зарегистрированы. Детектором и одновременно водородной мишенью служил жидкий сцинтиллятор , объемом ~1 м 3 , с высоким содержанием водорода , насыщенный кадмием . Позитроны , возникающие в реак ции ( 1 ), аннигилировали в два -кванта с энергией 511 кэв каждый и о бусловливали появление первой вспышки сцинтиллятора . Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедлялся и захватывался кадмием . При этом захвате кадмием испускалось несколько -квантов с суммарной энергией около 9 Мэв. В резу ль тате в сцинтилляторе возникала вторая вспышка . Измерялись запаздывающие совпадения двух импульсов . Для регистрации вспышек жидкий сцинтиллятор окружался большим количеством ФЭУ. Скорость счета запаздывающих совпадений составляла три отсчета в час . Из эт их данных было получено , что сечение реак ции ( рис . 1 ) = (1,1 ± 0,4) 10 -43 см 2 , что близко к расчетной величине. В настоящее время жидкостные сцинтилляционные счетчики очень больших размеров используются во многих эксперимент ах , в частности в экспериментах по измерению потоков -излучений , испускаемых человеком и другими живыми организмами. Регистрация осколков деления . Для ре гистрации осколков деления оказались удобными газовые сцин тилляционные счетчики. Обычно эксперимент по изучению сечения деления ставится следующим образом : слой изучаемого элемента наносится на ка кую-то подложку и облучается потоком нейтронов . Конечно , чем больше будет использоваться делящегося вещества , тем больше будет пр оисходить актов деления . Но так как обычно делящиеся вещества (например , трансурановые элементы ) являются -излучателями , то использование их в значительных количествах ста новится затруднительным из-за большого фона от -частиц . И если акты деления изучаются с помощью импульсных иониза ционных камер , то возможно наложение импульсов от -частиц на импульсы , возникшие от осколков деления . Только прибор , обладающий лучшим в ременным разрешением , позволит исполь зовать большие количества делящегося вещества без наложения импульсов друг на друга . В этом отношении газовые сцинтилляционные счетчики обладают значительным преимуществом по сравнению с импульсными ионизационными кам е рами , так как длительность импульсов у последних на 2 — 3 порядка больше , чем у газовых сцинтилляционных счетчиков . Амплитуды импуль сов от осколков деления много больше , чем от -частиц и поэтому могут быть легко отделены с помо щью амплитудного анализатора. Очень важным свойством газового сцинтилляционного счет чика является его низкая чувствительность к -лучам , так как часто появление тяжелых заряженных частиц сопровождается интенсивным потоком -лучей. Люминесцентная камера. В 1952 г . советскими физиками Завойским и другими впервые было произведено фото графирование следов ионизирующих частиц в люминесцирующих веществах с помощью чувствительных электроннооптических пре образователей (ЭОП ). Этот метод регистрации частиц , назван ный люминесцентной камерой , имеет высокую разрешающую способность по времени . Первые опыты были произведены при использовании кристалла CsJ (Tl). В дальнейшем для изготовления люминесцентной камеры стали использовать пластмассовые сцинтилляторы в виде длинных тонких стерженьков (нитей ). Нити укладываются в виде стопки рядами так , что нити в двух соседних рядах расположены под прямым углом друг к другу . Этим обеспечивается возможность стереоскопичес к ого наблюдения для воссоздания пространствен ной траектории частиц . Изображения от каждой из двух групп взаимно перпендикулярных нитей направляются на отдельные электроннооптические преобразователи . Нити играют также роль светопроводов . Свет дают только т е нити , которые пересекает частица . Этот свет выходит через торцы соответствующих нитей , которые фотографируются . Изготовляются системы с диаметром отдельных нитей от 0,5 до 1,0 мм. Литература : 1. Дж.Биркс . Сцинтилляционные счетчики . М ., И Л , 1955. 2. В.О.Вяземский , И.И . Ломоносов , В.А . Рузин . Сцинтилляционный метод в радиометрии . М.,Госатомиздат , 1961. 3. Ю.А . Егоров . Стинцилляционный метод спектрометрии гамма излучения и быстрых нейтронов . М ., Атомиздат , 1963. 4. П.А . Тишкин . Эксперемен тальные методы ядерной физики (детекторы ядерных излучений ). Издательство Ленинградского Университета , 1970. 5 Г.С . Ландсберга . Элементарный учебник физики ( том 3).М ., Наука , 1971