Сцннтилляционные детекторы. 
Ядерная физика

Сцинтилляцией (от лат. scintillatio — мерцание) называется вспышка света, возникающая в среде, способной люминесцировать — люминофоре, или сцинтилляторе. Люминофорами могут служить неорганические кристаллы (сульфиды, галогениды), ароматические углеводороды (нафталин, антрацен и т. д.) в кристаллическом состоянии или в растворе, инертные газы. Сцинтилляции, сопровождающие ядерное излучение, вызываются возбуждением и ионизацией, которые производятся в веществе излучением (ПРИЛОЖЕНИЕ О). Таким образом, сцинтилляционный метод регистрации излучения сводится к наблюдению и счету световых вспышек.

Оптические свойства свечения (спектр излучения, продолжительность высвечивания) определяются свойствами люминссцирующсй среды, а его интенсивность — удельными ионизационными потерями.

Отношение энергии образовавшихся фотонов к поглощенной в сцинтилляторе энергии излучения называется физическим световым выходом. Эта величина меньше единицы (обычно несколько процентов), так как значительная часть энергии тратится на переходы без испускания света. Отношение световой энергии, выходящей из сцинтиллятора, к поглощенной энергии называется техническим световым выходом. Технический световой выход зависит от прозрачности сцинтиллятора к собственному излучению, его геометрических характеристик и химической чистоты. У качественных сцинтилляторов технический световой выход близок к физическому.

Световой выход для различных видов ионизирующих излучений в одном и том же сцинтилляторе различен: он зависит от массы, заряда и энергии частицы. Поэтому вводят характеристику, называемую отношением а/p, показывающую, какую долю составляет световой выход под действием а-частиц от светового выхода под действием электронов той же энергии.

Рис. 22.2. Фотоэлектронный умножитель:

I источник излучения; 2 — сцинтиллятор; 3 фотокатод; 4 — диафрагма; 5 — диноды; 6 — анод; /?i— R_h — делители напряжения: — резистор Процесс выхода световой энергии из сцинтиллятора называется высвечиванием. Интенсивность высвечивания убывает со временем по экспоненциальному закону / ~ е^{ч, Т}, где величина г называется временем высвечивания. Для регистрации ядерных излучений пригодны сцинтилляторы с малым временем высвечивания (10 -10 ⁹ с), так как в противном случае возрастает разрешающее время сцинтилляционного детектора.

Еще одной важной характеристикой сцинтиллятора является спектр люминесценции, т.с. распределение испускаемых фотонов по энергиям. Этот спектр должен соответствовать спектральной чувствительности вторичного регистрирующего прибора — фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Необходимость использования ФЭУ вызывается малой интенсивностью сцинтилляций. Так, в кристалле Nal с хорошим световым выходом на 100 эВ поглощенной энергии испускается всего 2−3 фотона. Фотоны, образующиеся внутри сцинтиллятора, попадают на фотокагод ФЭУ (рис. 22.2). На поверхности фотокатода приблизительно каждый десятый фотон выбивает фотоэлектрон. Таким образом, при поглощении сцинтиллятором частицы с энергией 1 МэВ образуется, в лучшем случае, 2−3 тысячи фотоэлектронов. Этот весьма малый начальный ток усиливается в ФЭУ следующим образом. Вырванные из фотокатода электроны ускоряются электрическим полем между фотокатодом и диафрагмой, а затем и первым электродом-умножителем — динодом. Вырванный из него электронный поток, существенно увеличенный за счет вторичной электронной эмиссии, попадает на второй динод и т. д. В результате многократного повторения такого каскадного процесса приходящий на анод импульсный электронный поток усиливается. Так как усиление ФЭУ К = <�т^я, где о — усиление одного каскада, ап- число каскадов, то при <�т = 3−5 и л =10 величина тока возрастает примерно в 10⁶ раз. Такой импульс после соответствующего радиотехнического усиления может быть достаточно просто зарегистрирован и измерен.

В правильно сконструированном ФЭУ все электроны, вырванные из фотокатода, проходят практически одинаковый путь. Вследствие этого форма импульса фототока не искажается при его усилении. Так как между фотокатодом, динодами и анодом прикладывается разность потенциалов в общей сложности порядка 1−2 кВ, весь процесс элекгронного умножения происходит достаточно быстро: за ~10 ^х с. Поэтому разрешающее время сцинтилляционного детектора — величина того же порядка.

Выбор того или иного типа сцинтиллятора обусловливается конкретной задачей исследования. Подобрать такой сцинтиллятор, который был бы универсальным дегектором для регистрации любых частиц, невозможно. В зависимости от характера задачи приходится жертвовать одними требованиями для оптимального удовлетворения других. В связи с этим набор сцинтилляторов, применяемых в ядерной физике, разнообразен.

В тех случаях, когда сцинтилляционный счетчик предполагается использовать для регистрации очень редких частиц или для измерения энергии частиц с большим пробегом, необходимо увеличить объем сцинтиллятора. Тогда на первое место выдвигается требование идеальной оптической прозрачности. Такому условию удовлетворяют жидкие и пластические сцинтилляторы, прозрачные даже при размерах в десятки сантиметров. Первые представляют собой растворы твердых органических люминофоров, например, в бензоле, вторые — твердые растворы люминофоров в прозрачных пластмассах.

Если необходимо измерить энергию частиц, используют неорганические и органические кристаллы, для которых в широком интервале энергий световая вспышка пропорциональна энергии, потерянной частицей в кристалле.

Лучшим сцинтиллятором для регистрации а-частиц является ZnS, активированный серебром. Этот материал имеет очень высокие значения светового выхода и а/p отношения. Однако величина его прозрачности для собственного излучения весьма мала, поэтому сцинтилляторы из ZnS делают небольшой толщины, сравнимой с пробегом а-частиц. Сцинтилляторы из ZnS иногда наносятся непосредственно на колбу фотоумножителя, однако чаще используется конструкция, в которой сульфидом покрывается прозрачный материал, находящийся в оптическом контакте с ФЭУ.

Несмотря на то что все сцинтилляторы чувствительны к электронам, наиболее широко для их регистрации применяются органические сцинтилляторы. Это объясняется малым временем высвечивания органических материалов, а также тем, что их можно приготовить в виде твердых и жидких растворов или в виде кристаллов. Особенно удобны органические сцинтилляторы для регистрации мягкого р-излучения. В этом случае р-излучатель можно смешать с жидким раствором люминофора. Концентрация сцинтиллятора в растворе, как правило, очень мала, и Р-частицы возбуждают в основном только молекулы растворителя. Однако возбуждение мигрирует с одной молекулы растворителя на другую до тех пор, пока не локализуется на молекуле люминофора, после чего происходит высвечивание фотона. При такой технике измерения исключается поглощение излучения как в окошке счетчика, так и в источнике.

Эффективность регистрации фотонного излучения сцинтилляционным детектором можно оценить путем определения доли фотонов, поглощенных в сцинтилляторе. Если предположить, что все процессы взаимодействия фотонное с веществом приводят к появлению сигнала, то для параллельного пучка фотонов, падающих нормально на пластинку толщиной л, эффективность регистрации.

где/I — коэффициент ослабления (п. 21.5).

Для регистрации фотонного излучения обычно используются неорганические кристаллы, в частности Nal, активированный таллием: благодаря своей высокой плотности и высокому атомному номеру он оказывается особенно подходящим для этой цели. Эффективность регистрации мягких рентгеновских фотонов с помощью Nal приближается к 100%. Однако для достижения высокой эффективности регистрации жестких у-квантов требуется существенно увеличивать размеры детектора, что возможно лишь при переходе к жидким и пластическим сцинтилляторам.