Сцинтиляційний детектор: принцип дії

Сцинтиляційні Детектори - це одна з різновидів вимірювальної апаратури, призначеної для реєстрації елементарних частинок. Їх особливістю є те, що зчитування відбувається за рахунок використання світлочутливих систем. Вперше дані прилади були використані в 1944 р. для вимірювання випромінювання урану. Існує кілька різновидів детекторів в залежності від типу робочого агента.

Призначення

Сцинтиляційні Детектори широко використовуються в наступних цілях:

• реєстрація радіаційних забруднень навколишнє середовище;
• аналіз радіоактивних матеріалів та інші фізико-хімічні дослідження;
• застосування в якості елемента для запуску більш складних детекторних систем;
• спектрометричне дослідження речовин;
• сигналізує компонент в системах радіаційного захисту (наприклад, дозиметрична апаратура, призначена для оповіщення про входження морського судна в зону радіоактивного зараження).

Лічильники можуть виробляти як якісну реєстрацію випромінювання, так і вимірювати величину його енергії.

Пристрій детекторів

Принциповий пристрій сцинтиляційного детектора випромінювань показано на малюнку нижче.

Основними елементами апаратури є наступні:

• фотопомножувач;
• сцинтилятор, призначений для перекладу збудження кристалічної решітки у видиме світло і його передачі на оптичний перетворювач;
• оптичний контакт між першими двома пристроями;
• стабілізатор напруги;
• електронна система для реєстрації електричних імпульсів.

Тип

Існує наступна класифікація основних типів сцинтиляційних детекторів по виду речовини, яка флуоресціює під впливом випромінювання:

• Неорганічні лужно-галогенідні лічильники. Вони застосовуються для реєстрації альфа-, бета -, гамма-і нейтронних випромінювань. У промисловості випускають кілька видів монокристалів: йодистий натрій, цезій, калій і літій, сірчистий цинк, вольфрамати лужноземельних металів. Їх активують спеціальними домішками.
• Органічні монокристали і прозорі розчини. До першої групи належать: антрацен, толан, транс-стильбен, нафталін та інші сполуки, до другої – терфеніл, суміші антрацену з нафталіном, тверді розчини в пластмасах. Вони застосовуються для тимчасових вимірювань і для реєстрації швидких нейтронів. Активуючі добавки в органічні сцинтилятори не вносять.
• Газове середовище (He, Ar, Kr, Xe). Такі Детектори використовують в основному для реєстрації осколків ділення важких ядер. Довжина хвилі випромінювання знаходиться в ультрафіолетовому спектрі, тому для них потрібні відповідні фотодіоди.

Для сцинтиляційних детекторів нейтронів з кінетичною енергією до 100 КЕВ застосовують кристали сірчистого цинку, активовані ізотопом бору з масовим числом 10 і ⁶Li. При реєстрації альфа-частинок сірчистий цинк наносять тонким шаром на прозору підкладку.

Серед органічних сполук найбільшого поширення набули сцинтиляційні пластмаси. Вони являють собою розчини люмінесцирующих речовин в високомолекулярних пластиках. Найчастіше сцинтиляційні пластмаси виготовляють на основі полістиролу. Для реєстрації альфа - і бета-випромінювань застосовують тонкі пластинки, а для гамма - і рентгенівських променів-товсті. Вони випускаються у вигляді прозорих полірованих циліндрів. У порівнянні з іншими типами сцинтиляторів пластмасові мають ряд переваг:

• малий час висвічування;
• стійкість до механічних пошкоджень, впливу вологи;
• сталість характеристик при великих дозах опромінення радіація;
• низька вартість;
• простота виготовлення;
• висока ефективність реєстрації.

Фотопомножувач

Основним функціональним компонентом даної апаратури служить фотоумножитель. Він являє собою систему електродів, змонтованих в трубці зі скла. Для захисту від зовнішніх магнітних полів його поміщають в металевий кожух з матеріалу, що володіє високою магнітною проникністю. Завдяки цьому відбувається екранування електромагнітних завад.

У фотоумножителе світловий спалах перетворюється в електричний імпульс, а також відбувається посилення електричного струму в результаті вторинної емісії електронів. Величина струму залежить від кількості динодів. Фокусування електронів відбувається за рахунок електростатичного поля, що залежить від форми електродів і потенціалу між ними. Вибитий заряджена частинка прискорюються в міжелектродному просторі і, потрапляючи на наступний динод, викликають чергову емісію. Завдяки цьому кількість електронів зростає в кілька разів.

Сцинтиляційний детектор: принцип дії

Лічильники працюють наступним чином:

1. Заряджена частинка потрапляє в робочу речовину сцинтилятора.
2. Відбувається іонізація і збудження молекул кристала, розчину або газу.
3. Молекули випускають фотони і через мільйонні частки секунди повертаються в рівноважний стан.
4. У фотоумножителе спалах світла «нарощується " і потрапляє на анод.
5. В анодного ланцюга відбувається посилення і вимір електричного струму.

В основі принципу роботи сцинтиляційного детектора лежить явище люмінесценції. Основною характеристикою даних приладів служить конверсійна ефективність-відношення енергії спалаху світла до енергії, втраченої часткою в активній речовині сцинтилятора.

Переваги і недоліки

До переваг сцинтиляційних детекторів випромінювання відносяться наступні:

• висока ефективність реєстрації, особливо щодо короткохвильових гамма-променів з великою енергією;
• гарне тимчасове дозвіл, тобто можливість давати роздільне зображення двох об`єктів (воно досягає 10^-10 з);
• одночасне вимірювання енергії реєстрованих частинок;
• можливість виготовлення лічильників різної форми, простота технічного рішення.

Недоліками даних лічильників є низька чутливість до частинок з невисокою енергією. При їх застосуванні в складі спектрометрів значно ускладнюється обробка отриманих даних, так як спектр має складний вигляд.