Сцинцилляционные счетчики

Фотоэлектроны, сфокусированные на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вто­ричные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в s 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 им­пульс напряжения.

Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умно­жения М. Если значение s для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодов равно n, то

			sn = (Aue-Bu)n

 

A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиле­ния 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 усиле­ния М'  ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электро­нов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позво­ляет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектро­метров ядерных излучений.

О помехах в фотоум­ножителях. В сцинтилляционных счетчиках даже при отсутст­вии внешнего облучения возможно появление большого числа импуль­сов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют небольшие ампли­туды и носят название шумовых. Наибольшее число шумовых им­пульсов обусловливается появле­нием термоэлектронов из фотока­тода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации излучений, соз­дающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы.

Рис. 5. Схема для подавления шумов 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 регистрируемой частицы. В самом деле, вспышка света, возник­шая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одно­временно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в каж­дом 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 приложенного напряжения, сначала довольно медленно, затем возрастание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона яв­ляется автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ.

В районе анода, где плотность тока наибольшая, возможно возникновение свечения как остаточного газа, так и конструктив­ных материалов. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопро­вождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10-8¸10-7 сек.

§ 4. Конструкции сцинтилляционных счетчиков

К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования:

Ø      наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде;

Ø      равномерное распределение света по фотокатоду;

Ø      затемнение от света посторонних источников;

Ø      отсутствие влияния магнитных полей;

Ø      стабильность коэффициента усиления ФЭУ.

При работе со сцинтилляционными счетчиками всегда необ­ходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает опти­мально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцин­тилляторе. Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного 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 желтеет и теряет свои сцинтилля­ционные свойства.

Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковы­вать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все твердые сцин­тилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилля­ции. Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт.

В некоторых экспериментах, например при измерениях в ва­кууме, 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 прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых экспе­риментах необходимо использовать изогнутые светопроводы.

Лучше применять светопроводы с большим радиусом кривизны. Светопроводы позволяют также сочленять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров. При этом используются конусообразные све­топроводы. Сочленение ФЭУ с жид­ким сцинтиллятором производится либо через светопровод, либо непо­средственным контактом с жидко­стью. На рис.6 приведен пример сочленения ФЭУ с жидким сцин­тиллятором. В различных режимах работы на ФЭУ подается напря­жение от 1000 до 2500в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зависит от напряжения, то источник питающего тока должен быть хорошо стабилизирован. Кро­ме того, возможно 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 делителя. Положительный полюс и другой конец делителя заземляются. Сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптималь­ный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи, иду­щие через ФЭУ.

Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором.

1—жидкий сцинтиллятор;

2—ФЭУ;  

3—светозащитный кожух.

При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном ре­жиме 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 ем­костями. За счет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная электроннооптическая си­стема, 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 изме­няется лишь коэффициент усиления его, но электроннооптические свойства остаются неизменными.

При непропорциональном изме­нении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изме­няются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал

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 D5 и D6 включена дополнительная батарея (Uб = 90 в). Для полу­чения наилучшего эффекта самостабилизации необходимо подо­брать величину сопротивления R'. Обычно R' больше R в 3— 4 раза.

§ 5. Свойства сцинтилляционных счетчиков

Сцинтилляционные счетчики обладают следующими достоинствами.

Высокая разрешающая способность по времени. Длительность импульса в зависимости от исполь­зуемых сцинтилляторов простирается от 10-6 до 10-9 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самостоятель­ным разрядом, что позволяет осуществлять намного большие скорости счета. Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10-9—10-8 сек). Это позволяет использовать схемы совпа­дений с малым разрешающим временем (<10-8 сек) и, следова­тельно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

Высокая эффективность регистрации g-лучей и нейтронов. Для регистрации g-кванта или нейтрона необходимо, чтобы они прореагировали с веществом детектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества на пути g-лучей или нейтронов, тем большей будет вероятность их поглощения, тем большей будет эффективность их регистрации. В настоящее время при исполь­зовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности реги­страции g-лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенны­ми веществами (10В, 6Li и др.) также намного превышает эффектив­ность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков.

Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения. В самом деле, для легких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе.

С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным анализаторам, можно изучать спектры электронов и g-лучей. Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (a-частицы и др.), создающих в сцин­тилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях про­порциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелиней­ная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц. Это иллюстрируется графиками на рис.1 и 2.

Возможность изготовления сцинтилля­торов очень больших геометрических размеров. Это означает возможность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших энергий (космические лучи), а также час­тиц, слабо взаимодействующих с веществом (нейтрино).

Возможность введения в состав сцин­тилляторов веществ, с которыми с боль­шим сечением взаимодействуют нейтроны. Для регистрации медленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленных нейтронов с 6Li идет реакция 6Li(n,a)3Н, в которой выделяется энергия в 4,8 Мэв.

§ 6. Примеры использования сцинтилляционных счетчиков

Измерение  времен   жизни возбужден­ных 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 характеристи­кой возбужденного состояния ядра является время его 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 несколь­ких секунд до очень малых долей секунды. В качестве примера использования сцинтилляционных счетчиков мы рассмотрим метод задержанных совпадений. Пусть ядро A (см. рис.10) путем b-распада превращается в ядро В в возбужденном состоянии, которое избыток своей энергии отдает на последовательное испу­скание двух g-квантов (g1,g2). Требуется определить время жизни возбужденного состояния I. Препарат, содержащий изо­топ A, устанавливается между двумя счетчиками с кристаллами NaJ(Tl) (рис.8). Импульсы, возникшие на выходе ФЭУ, по­даются 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 изме­рения времени жизни уровня I (см. рис. 10), амплитудный анализатор AAI должен пропускать только импульсы, соответ­ствующие энергии квантов g1 а анализатор AAII — g2.

Рис.8. Принципиальная схема для определения

 вре­мени жизни возбужденных состояний ядер.

Далее импульсы с анализаторов, а также с быстрой схемы совпадений подаются на медленную (t~10-6 сёк) схему тройных совпадений. 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 (рис.8).

Линия задержки должна включаться именно в тот канал, в котором регистрируется квант g1, так как он испускается раньше кванта g2. В результате эксперимента строится полулогарифми­ческий график 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 определе­нии периода полураспада с помощью одиночного детектора).

Используя сцинтилляционные счетчики 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 совпа­дений от величины задержки.

Гамма-дефектоскопия. Ядерные излучения, обладающие большой проникающей способностью, все чаще применяются в тех­нике для обнаружения дефектов в трубах, рельсах и других боль­ших металлических блоках. Для этих целей используется источник g-излучения и детектор g-лучей. Наилучшим детектором в этом слу­чае является сцинтилляционный счетчик, обладающий большой эффективностью регистрации. Ис­точник  излучения помещается в свинцовый контейнер, из которого через коллиматорное отвер­стие выходит узкий пучок g-лучей, освещающий трубу. С противо­положной стороны трубы устанавливается 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 g-лучей будет частично поглощаться; если труба однородна, поглощение будет всюду одинаковым, и счетчик будет всегда регистрировать одно и то же число (в среднем) g-квантов в единицу времени, если же в каком-то месте трубы имеется раковина, то g-лучи в этом месте будут поглощаться меньше, скорость счета увеличится. Местополо­жение раковины будет обнаружено. Примеров подобного исполь­зования сцинтилляционных счетчиков можно привести много.

Экспериментальное обнаружение  ней­трино. Нейтрино — самая загадочная из элементарных частиц. Практически все свойства нейтрино получены из косвенных дан­ных. Современная теория b-распада предполагает, что масса ней­трино mn равна нулю. Некоторые эксперименты позволяют утверждать, что               . Спин нейтрино равен 1/2, магнит­ный момент <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 распаде испускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

Создание ядерных реакторов, в которых образуется очень большое количество ядер с избытком нейтронов, вселило надежду на обнаружение антинейтрино. Все нейтронноизбыточные ядра распадаются с испусканием электронов, а следова­тельно, и антинейтрино. Вблизи ядерного реактора мощностью в несколько сотен тысяч киловатт поток антинейтрино составляет 1013 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. Авторы использовали следующую реакцию:

n + 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 ~1м3, с высоким содержанием водорода, насыщенный кадмием. Позитроны, возникающие в реак­ции (1), аннигилировали в два g-кванта с энергией 511 кэв каждый и обусловливали появление первой вспышки сцинтиллятора. Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедлялся и захватывался кадмием. При этом захвате кадмием испускалось несколько g-квантов с суммарной энергией около 9 Мэв. В резуль­тате 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 этих данных было получено, что сечение реак­ции ( рис. 1) s = (1,1 ± 0,4)10-43см2, что близко к расчетной величине.

В настоящее время жидкостные сцинтилляционные счетчики очень больших размеров используются во многих экспериментах, в частности в экспериментах по измерению потоков g-излучений, испускаемых человеком и другими живыми организмами.

Регистрация осколков деления. Для ре­гистрации осколков деления оказались удобными газовые сцин­тилляционные счетчики.

Обычно эксперимент по изучению сечения деления ставится следующим образом: слой изучаемого элемента наносится на ка­кую-то подложку и облучается потоком нейтронов. Конечно, чем больше будет использоваться делящегося вещества, тем больше будет происходить актов деления. Но так как обычно делящиеся вещества (например, трансурановые элементы) являются a-излучателями, то использование их в значительных количествах ста­новится затруднительным из-за большого фона от a-частиц. И если акты деления изучаются с помощью импульсных иониза­ционных камер, то возможно наложение импульсов от a-частиц на импульсы, возникшие от осколков деления. Только прибор, обладающий лучшим временным разрешением, позволит исполь­зовать большие количества делящегося вещества без наложения импульсов друг на друга. В этом отношении газовые сцинтилляционные счетчики обладают значительным преимуществом по сравнению с импульсными ионизационными камерами, так как длительность импульсов у последних на 2—3 порядка больше, чем у газовых сцинтилляционных счетчиков. Амплитуды импуль­сов от осколков деления много больше, чем от a-частиц и поэтому могут быть легко отделены с помощью амплитудного анализатора.

Очень важным свойством газового сцинтилляционного счет­чика является его низкая чувствительность к g-лучам, так как часто появление тяжелых заряженных частиц сопровождается интенсивным потоком g-лучей.

Люминесцентная камера. В 1952 г. советскими физиками Завойским и другими впервые было произведено фото­графирование следов ионизирующих частиц в люминесцирующих веществах с помощью чувствительных электроннооптических преобразователей (ЭОП). Этот метод регистрации частиц, назван­ный 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 стереоскопического наблюдения для воссоздания пространствен­ной траектории частиц. Изображения от каждой из двух групп взаимно перпендикулярных нитей направляются на отдельные электроннооптические преобразователи. Нити играют также роль светопроводов. Свет дают только те 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., ИЛ, 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. Эксперементальные методы ядерной физики(детекторы ядерных излучений).

     Издательство Ленинградского Университета, 1970.

5    Г.С. Ландсберга. Элементарный учебник физики ( том 3).М., Наука , 1971

Страницы: 1, 2