Сцинтилляционные счетчики

В сцинтилляционном счетчике регистрация заряженной частицы связана с возбуждением атомов и молекул вдоль ее траектории. Возбужденные атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ, называемых фосфорами или люминофорами, часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение заряженной частицы через такое вещество вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в фосфоре в последний добавляют так называемые активаторы. Вид активатора указывают в скобках после обозначения фосфора. Например, кристалл NaI, активированный таллием, обозначают NaI(Tl).

Попадание быстрой заряженной частицы в фосфор вызывает световую вспышку — сцинтилляцию. Последняя преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10⁵—10⁶ раз фотоэлектрическим умножителем (ФЭУ). Подобное сочетание двух элементов — фосфора и ФЭУ—используют в сцинтилляционных счетчиках (рис. 5.7).

2

4

3

1

5

R

^{1200 В}

Рис. 5.7. Принципиальная схема сцинтилляционного счётчика.

1 – кристалл NaI; 2 – фотокатод; 3 – фокусирующая электронная линза;

4 – эмиттеры (диноды); 5 - анод

Регистрация γ-квантов в сцинтилляционном счетчике происходит благодаря вторичным электронам и позитронам, образующимся при поглощении γ-квантов фосфором. Поскольку фосфоры обладают хорошей оптической прозрачностью, обеспечивающей сбор света на фотокатод ФЭУ со значительного объема фосфора, для регистрации γ-квантов можно применять фосфоры большой толщины. Это обеспечивает высокую эффективность регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком, на порядок и более превышающую эффективность газонаполненных счетчиков .

Фотоэлектронные умножители состоят из фотокатода, умножающих электродов (динодов) ианода (см. рис. 5.7). Потенциал каждого последующего электрода на некоторую величину (около 10 В) превышает потенциал предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними. Фотоны, поступающие из фосфора на фотокатод, выбивают из него несколько десятков или сотен электронов, которые фокусируются и ускоряются электрическим полем и бомбардируют первый динод. При торможении в диноде каждый ускоренный электрон выбивает до 5—10 вторичных электронов. Такой процесс, повторяясь на каждом последующем диноде, обеспечивает умножение электронов до многих миллионов раз.

Сцинтилляционные счетчики в ядерной геологии и геофизике используют для регистрации γ-квантов, реже нейтронов и β-частиц. При регистрации тяжелых заряженных частиц возникает трудность с обеспечением их ввода в фосфор. Поэтому для регистрации α-частиц чаще всего используют ионизационные камеры или торцовые счетчики. Лишь для регистрации α-активности эманации широко применяют сцинтилляционную камеру, внутренние стенки которой покрыты ZnS (Ag) .

Из-за термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых динодов на выходе даже полностью затемненного ФЭУ возникает некоторый темновой ток, создающий небольшие фоновые импульсы. Для их отсечения в схему регистрации вводят дискриминаторы.

Особенности использования сцинтилляционных счетчиков для спектрометрии γ-излучения. При регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком амплитуда импульса на его выходе пропорциональна энергии электрона и позитрона, образовавшихся при взаимодействии кванта с сцинтиллятором. Если при фотоэффекте энергия фотоэлектрона равна энергии кванта (за вычетом небольшой величины — энергии связи К-электрона), то электрону при комптоновском рассеянии и паре электрон—позитрон в эффекте образования пар передается лишь часть энергии кванта. При комптон-эффекте в зависимости от угла рассеяния γ-кванта энергия электрона может меняться в широких пределах (рис. 5.8.), а при эффекте образования пар — кинетическая энергия пары на 1,02 МэВ меньше, чем энергия кванта.

Рис. 5.8. Упрощенная схема распределения энергии вторичных

электронов в люминофоре при: а – фотоэффекте, б – комптоновском рассеянии,

в – образовании пар; N - число импульсов, Е – энергия вторичных электронов.

В результате спектр энергии вторичных частиц, образованных в сцинтилляторе монохроматическим пучком γ-квантов имеет сложный вид. Появление дополнительных линий Е_v = 0,51 МэВ и Е_у при эффекте образования пар обусловлено тем, что в ряде случаев один или даже оба γ-кванта с энергией 0,51 МэВ, образующихся при аннигиляции позитрона, поглощаются в сцинтилляторе в результате фотоэффекта и вспышка от этих фотоэлектродов сливается со вспышкой от первичной пары электрон—позитрон. Максимальная энергия комптоновского электрона

. (5.17)

Реальное амплитудное распределение импульсов на выходе ФЭУ более расплывчатое, чем спектр электронов на рис. 5.8 из-за статистического характера процессов в фосфоре и ФЭУ. Оно не дискретное, а непрерывное. Типичный аппаратурный спектр изотопа ²⁴Na (Е_Y=1,38 и 2,76 МэВ) приведен на рис.5.9.

Для линии 1,38 МэВ вклад эффекта образования пар ничтожен и соответствующие пики почти незаметны, образуется лишь пик 1,38 МэВ, обусловленный фотоэффектом, а также менее четкий комптоновский пик с энергией 1,17 МэВ. Для линии 2,76 МэВ наблюдаются три пика с энергиями 1,74, 2,25 и 2,76 МэВ. Два первых пика обязаны эффекту образования пар, а последний пик (2,76 МэВ) трем процессам: фотоэффекту, эффекту образования пар, сопровождающемуся поглощением обоих квантов аннигиляции; комптон-эффекту, когда рассеянный квант также поглощается фосфором в результате фотоэффекта. Во всех трех процессах в световую энергию превращается вся энергия кванта. Поэтому этот пик называют пиком полного поглощения.

Форма пика полного поглощения близка к гауссовой кривой. Отношение μ=ΔЕ/Е полуширины пика ΔЕ на половине его высоты к средней энергии Е называют амплитудным разрешением счетчика. Чем меньше μ, тем лучше спектрометр. Значение μ обычно растет с уменьшением энергии и для хороших сцинтилляционных спектрометров при Е_v = l,33 МэВ (⁶⁰Со) составляет 6%.

Сцинтилляционные счетчики обеспечивают гораздо большую эффективность регистрации γ-квантов (до 30—50 % и более), чем газоразрядные, и дают возможность изучения спектрального состава излучения. К преимуществам сцинтилляционных счетчиков относится также более низкий уровень их собственного и космического фона.

Рис. 5.9. Аппаратурный спектр γ-излучения , содержащий линии

с энергией 1,38 и 2,76 МэВ.

Однако сцинтилляционные счетчики более сложны и требуют более квалифицированного обслуживания, чем разрядные. Это обусловлено большим влиянием температуры на световыход фосфоров, несравненно более высокими требованиями к стабилизации источника питания, а также более сильным изменением характеристик сцинтилляционных счетчиков во времени.