Сцинтилляционные детекторы и датчики
Сцинтилляционными детекторами, или сцинтилляторами, называются вещества, в которых при попадании ионизирующей частицы возникает световая вспышка. Это происходит за счет поглощения энергии частицы веществом, отчего атомы молекул приходят в возбужденное состояние, выделяя фотоны. Отношение энергии световой вспышки к энергии вызвавшей ее частицы называется эффективностью сцинтиллятора. Эти короткие вспышки (10в-9—10в-6 сек.) лежат в области спектра от 800 до 6000 А. Каждому сцинтиллятору соответствует свой максимум спектра. Все сцинтилляторы прозрачны. По виду они бывают твердые, жидкие или газообразные.
В настоящее время предложено большое количество сцинтилляторов (фосфоров). Очень удобны фосфоры в виде монокристаллов органических и неорганических веществ: антрацена, стильбена, нафталина, флуорена, терфипила, NaJ(Ti), KJ(Ti), CsJ, NaCl(AgCl), ZnS(Ag), CdWO4 и др.
Для предупреждения от загрязнения, влаги и механических повреждений кристаллы выпускают в герметических контейнерах с тонкой алюминиевой крышкой и прозрачным стеклом — оптическим выходом. Из жидких сцинтилляторов можно назвать: р-терфенил, РРО, POPOP2 и др. В качестве растворителя обычно берется толуол. Жидкие сцинтилляторы помещаются в стеклянных или металлических контейнерах с прозрачным оптическим выходом.
Особого внимания заслуживают пластические сцинтилляторы, представляющие собой включенные в полистирол органические сцинтилляторы: стильбен, антрацен, n-терфенил с добавкой РОРОР, 2 %-ный и-терфенил + 0,1 %-ный α-NPO 8 и др.
Выбор сцинтиллятора зависит от вида ионизирующего излучения: чем больше поглощается энергия измеряемой частицы сцинтиллятором, тем эффективней будет его работа. Сцинтилляторы в сочетании с фотоумножителем ФЭУ называются сцинтилляционным датчиком или сцинтилляционным счетчиком (рис. 4).
Фотоумножитель — электровакуумный прибор, состоящий из фоточув-ствительного катода и системы умножения (см. рис. 4). По внешнему виду фотоумножитель напоминает большую радиолампу, внутри которой размещен ряд электродов, на которые подается положительное напряжение. В качестве катода фотоумножителя служит полупрозрачный светочувствительный слой, который наносится с внутренней стороны плоского торца фотоумножителя. Принцип работы ФЭУ состоит в том, что кванты света, попадая на фотокатод, выбивают из него за счет фотоэлектрического эффекта электроны, которые, ускоряясь, движутся на первый электрод (динод). В результате вторичной эмиссии электроны выбивают из первого динода вторичные электроны и, возрастая в количестве и ускоряясь, попадают на второй динод, затем на третий, четвертый и т. д. Направление движения и их ускорение происходит с помощью электрического поля между катодом и первым электродом, между первым и вторым электродом и т. д. В результате происходит умножение числа электронов, которые лавинообразно достигают анода фотоумножителя, образуя электрический сигнал на внешнем нагрузочном сопротивлении ФЭУ. В сцинтилляционных датчиках используются ФЭУ с коэффициентом усиления от 10в6до 10в9 раз.
По конструкции фотоумножители имеют несколько разновидностей, условно их можно разбить на две группы: с фокусирующими электродами и с нефокусирующими электродами. К первой группе относятся ФЭУ-19, ФЭУ-24, ФЭУ-29, ФЭУ-35, ФЭУ-23 и др.; ко второй — ФЭУ-11, ФЭУ-13, ФЭУ-16. Фотоумножители разных марок имеют число электродов от 8 до 14. Материалом фотокатода служат сурмяно-цезиевые висмуто-серебряно-цезиевые или другие покрытия.
Сцинтилляционные датчики. Принцип работы сцинтилляционного датчика описан выше. Для большей эффективности работы сцинтилляционного датчика необходимо, чтобы фотоумножитель имел максимальную чувствительность фотокатода в области максимума спектра сцинтиллятора. Разрешающее время пересчетной схемы радиометра должно быть также согласовано со сцинтилляционным датчиком. Как и счетчики Гейгера—Мюллера, сцинтилляционный счетчик имеет свой «фон», который следует учитывать при подсчете результатов измерений. Правильность работы сцинтилляционных счетчиков контролируется эталонами. Применять сцинтилляционные счетчики можно для любого вида излучения, но особенно широкое применение они получили при работе с α-частицами и в γ-спектроскопии.
Учитывая малую проникающую способность α-частиц, для их счета используют сцинтилляторы с тонким слоем фосфора на стекле, плексигласе или органической пленке. Мягкое β-излучение, например С14, в органическом соединении можно определять путем непосредственного введения препарата в жидкие сцинтилляторы. При помощи пластмассовых фосфоров в сцинтилляционных датчиках подсчитываются тепловые и быстрые нейтроны. Отсутствие инертности у сцинтилляционных датчиков и короткие сигналы позволяют регистрировать высокоактивные препараты. Тонкие слои сцинтиллятора позволяют раздельно учитывать α-частицы на фоне β- и γ-излучения. Поскольку интенсивность световой вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии ионизирующей частицы, можно путем введения дополнительного прибора (амплитудного дискриминатора) регистрировать не только частоту импульсов во времени, но определять их энергию. На этом принципе основан метод γ-спектроскопии.
Совершенным прибором для снятия спектра амплитуд импульсов, статистически распределенных во времени, являются амплитудные анализаторы АИ-128, АИ-256. В последнее время находит все более широкое применение метод γ-спектроскопии на основе полупроводниковых детекторов (ППД) ядерных излучений. Полупроводниковые γ-спектрометры имеют повышенное (на порядок) энергетическое разрешение. Совершенным отечественным спектрометром рентгеновского и γ-излучения с германиевым полупроводниковым детектором излучений является СЭГ-П2 («Лангур») в комплекте с анализатором АИ 1024-4. Амплитудные анализаторы применяются при исследовании спектров ядерных излучений, при анализе горных пород и радиоактивных руд.
Счетчики ионизирующего излучения при работе должны быть защищены от влияния посторонних излучений. Имеются разные типы свинцовых защит. Газоразрядные счетчики (торцовые и цилиндрические) помещают в универсальный домик ДС с толщиной свинцовой защиты 40 мм. В малофоновой установке УМФ-1500 толщина защиты 50 мм.
