«Сцинтилляционный счётчик»

прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, γ-квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (α-частиц, осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики в начале 20 в. (см. Спинтарископ). Позднее С. с. был полностью вытеснен ионизационными камерами (См. Ионизационная камера) и пропорциональными счётчиками (См. Пропорциональный счётчик). Его возвращение в ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки.

Принцип действия С. с. состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны (см. Люминесценция). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны (см. Фотоэлектронная эмиссия), в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется (см. рис.). Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ-квантов с атомами сцинтиллятора.

В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили пластики, которые легко изготовляются, механически обрабатываются и дают интенсивное свечение. Важной характеристикой сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию (конверсионная эффективность η). Наибольшими значениями ηобладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, активированный Tl [NaI (Tl)], антрацен и ZnS. Др. важной характеристикой является время высвечивания τ, которое определяется временем жизни на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется экспоненциально: , где I₀— начальная интенсивность. Для большинства сцинтилляторов τ лежит в интервале 10^–9 — 10^–5 сек. Короткими временами свечения обладают пластики (табл. 1). Чем меньше τ, тем более быстродействующим может быть сделан С. с.

Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения. Для регистрации медленных нейтронов (См. Медленные нейтроны) в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водородсодержащие сцинтилляторы (см. Нейтронные детекторы). Для спектрометрии γ-квантов и электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером (см. Гамма-излучение).

С. с. изготавливают со сцинтилляторами разных размеров — объёмом от 1—2 мм³ до 1—2 м³. Чтобы не «потерять» излученный свет, необходим хороший контакт ФЭУ со сцинтиллятором. В С. с. небольших размеров сцинтиллятор непосредственно приклеивается к фотокатоду ФЭУ. Все остальные его стороны покрываются слоем светоотражающего вещества (например, MgO, TiO₂). В С. с. большого размера используют Световоды (обычно из полированного органического стекла).

ФЭУ, предназначенные для С. с., должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (10⁸—10⁸), малым временем собирания электронов (Сцинтилляционный счётчик 10^–8 сек) при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени С. с. ≤10^–9 сек.Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 в.

Табл. 1. — Характеристики некоторых твёрдых и жидких сцинтилляторов,

применяемых в сцинтилляционных счётчиках

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|      |       | Время     | Длина волны   | Конверсионная        |

| Вещество      | Плотность, г/см³    | высвечивания, τ,    | в максимуме   | эффективность η,    |

|      |       | 10^-9 сек.  | спектра,Å | % (для электронов)  |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Кристаллы   |       |       | |         |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Антрацен C₁₄ H₁₀     | 1,25        | 30   | 4450 | 4       |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Стильбен C₁₄H₁₂     | 1,16        | 6     | 4100 | 3       |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| NaI (Tl)   | 3,67        | 250         | 4100 | 6       |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ZnS (Ag)        | 4,09        | 11   | 4500 | 10     |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Csl (Tl)   | 4,5  | 700         | 5600 | 2       |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Жидкости    |       |       | |         |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Раствор р-терфенила в ксилоле (5 г/л) с        | 0,86        | 2     | 3500 | 2       |

| добавлением РОРОР¹ (0,1 г/л)       |       |       | |         |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Раствор р-терфенила в толуоле (4 г/л) с        | 0,86        | 2,7  | 4300 | 2,5    |

| добавлением РОРОР (0,1г/л)         |       |       | |         |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Пластики     |       |       | |         |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Полистирол с добавлением р-терфенила (0,9%) и  | 1,06        | 2,2  | 4000 | 1,6    |

| a-NPO² (0,05 весовых %)       |       |       | |         |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Поливинилтолуол с добавлением 3,4% р-       | 1,1  | 3     | 4300 | 2       |

| терфенила и 0,1 весовых % РОРОР      |       |       | |         |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

¹РОРОР — 1,4-ди-[2-(5-фенилоксазолил)]-бензол. ²NPO — 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол.

Достоинства С. с.: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам С. с. широко применяется в ядерной физике, физике элементарных частиц и космических лучей (См. Космические лучи), в промышленности (радиационный контроль), дозиметрии (См. Дозиметрия), радиометрии (См. Радиометрия), геологии, медицине и т. д. Недостатки С. с.: малая чувствительность к частицам низких энергий (≤ 1 кэв), невысокая разрешающая способность по энергии (см. Сцинтилляционный спектрометр).

Для исследования заряженных частиц малых энергий (Мэв) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов применяются газы (табл. 2). Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введён в объём газового сцинтиллятора. Однако газовые сцинтилляторы требуют высокой чистоты газа и специального ФЭУ с кварцевыми окнами (значительная часть излучаемого света лежит в ультрафиолетовой области).

Табл. 2. — Характеристики некоторых газов, применяемых в качестве

сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках (при давлении 740 мм

рт. ст., для α-частиц с энергией 4,7 Мэв)

------------------------------------------------------------------------------------------------

|   | Время      | Длина волны  | Конверсионная  |

| Газ     | высвечивания  | в максимуме  | эффективность |

|   | τ,      | спектра, Å      | n, %   |

|   | сек   |        |   |

|----------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ксенон      | 10^–8          | 3250        | 14      |

|----------------------------------------------------------------------------------------------|

| Криптон    | 10^–8          | 3180        | 8,7     |

|----------------------------------------------------------------------------------------------|

| Аргон        | 10^–8          | 2500        | 3        |

|----------------------------------------------------------------------------------------------|

| Азот   | 3․10^–9        | 3900        | 2        |

------------------------------------------------------------------------------------------------

Лит.: Бирке Дж., Сцинтилляционные счетчики, пер. с англ., М., 1955; Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, в кн.: Экспериментальные методы ядерной физики, М., 1966; Ритсон Д., Экспериментальные методы в физике высоких энергий, пер. с англ., М., 1964.

В. С. Кафтанов.

Схема сцинтилляционного счётчика: кванты света (фотоны) «выбивают» электроны с фотокатода; двигаясь от динода к диноду, электронная лавина размножается.

scintillation counter

scintillation counter

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК

детектор ядерных ч-ц, осн. элементами к-рого являются в-во, люминесцирующее под действием заряж. ч-ц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием a-частиц и осколков деления атомных ядер были осн. методом ядерной физики в нач. 20 в. Позднее этот метод был вытеснен ионизационными камерами и пропорциональными счётчиками.

Рис. 1. Схематич. изображение сцинтилляп. счётчика.

Его возвращение в яд. физику в кон. 40-х гг. связано с появлением многокаскадных фотоумножителей, способных регистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки.

Табл. 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕК-РЫХ КРИСТ. И ЖИДКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В С. с.

1 РОРОР — 1,4-ди (-2- (5-фенилоксазолил))-бензол.

2 NPO — 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол.

Заряж. ч-ца, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул, возбуждает их. Возвращаясь в осн. состояние, они испускают фотоны (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают эл-ны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрич. импульс, к-рый далее усиливается и регистрируется (рис. 1). Регистрация нейтр. ч-ц (нейтронов, g-квантов и др.) происходит по вторичным заряж. ч-цам, образующимся при их вз-ствии с атомами сцинтиллятора.

Доля энергии регистрируемой ч-цы, к-рая превращается в световую энергию, наз. конверсионной эффективностью т). Наибольшими h обладают кристаллы NaI, активированные Тl, антрацена и ZnS (табл. 1). Интенсивность свечения после прохождения ч-цы изменяется во времени экспоненциально: I=I0еt/t, где I0 — нач. интенсивность; t-время высвечивания, определяемое временем жизни на возбуждённых уровнях. Для большинства сцинтилляторов t составляет =10-9—10-5 с. Чем меньше t, тем более быстродействующим явл. С. с. Самыми малыми t обладают пластмассы.

Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектр. областью чувствительности ФЭУ, а сцинтиллятор был бы прозрачен для собств. излучения. Для регистрации медленных нейтронов в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водосодержащие сцинтилляторы. Для g-квантов и эл-нов высокой энергии используют NaI (Tl), обладающий большой плотностью, высоким эфф. ат. номером (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ).

С. с. изготавливают со сцинтилляторами разных размеров от мм3 до м3. Чтобы не «потерять» свет, необходим хороший контакт ФЭУ со сцинтиллятором. В С. с. небольших размеров сцинтиллятор приклеивается к фотокатоду, а остальные грани часто покрываются слоем светоотражающего в-ва (MgO2, ТiO2). В С. с. большого размера используют световоды (рис. 2). ФЭУ для С. с. должны обладать высокой эффективностью фотокатода (= 10%), большим коэфф. усиления (106—108), малым временем собирания эл-нов (= 10-8 с) при высокой его стабильности. Последнее позволяет достичь временного разрешения =10-9 с. Высокий коэфф. усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собств. шумов делает возможной регистрацию отд. эл-нов, выбитых с фотокатода.

Рис. 2. Внешний вид сцинтилляц. счётчика с пластмассовым сцинтиллятором.

Световой выход сцинтиллятора зависит от энергии, выделенной в нём заряженной ч-цей, что позволяет применять С. с. как спектрометр. Для сильно ионизующих ч-ц (a-частицы, осколки деления) и ч-ц малых энергий (?? МэВ) наилучшими спектрометрич. хар-ками обладает кристалл NaI(Tl), к-рый имеет линейную зависимость светового выхода от?. Для эл-нов с энергией?>1 Гэв при толщине кристалла NaI(Tl)=40—50 см разрешение по энергии даётся ф-лой: D?/?=2%/4??.

Табл. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕК-РЫХ ГАЗОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАЧ-ВЕ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ В С. с. (ПРИ ДАВЛЕНИИ 740 мм РТ. СТ. ДЛЯ a-ЧАСТИЦ С ЭНЕРГИЕЙ 4,7 МэВ)

Для измерения очень больших энергий (= 10 —100 ГэВ) иногда используются гигантские секционированные С. с. полного поглощения, в к-рых масса сцинтиллятора достигает сотен т. Измерение полной выделенной энергии в яд. каскаде позволяет определить энергию налетающей ч-цы с точностью = 10%.

Для исследования ч-ц малых энергий (?0,1 МэВ) и осколков деления ядер в кач-ве сцинтилляторов применяются нек-рые газы (табл. 2). Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии ч-цы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью изменять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введён в объём газового сцинтиллятора. В случае газовых сцинтилляторов необходимо применять ФЭУ с кварцевыми окнами (значит. часть излучаемого света лежит в УФ области).

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК, прибор, содержащий кристалл, излучающий вспышки света при бомбардировке излучением. Каждая вспышка света, соответствующая одной частице, преобразуется ФОТОУМНОЖИТЕЛЕМ в электрический импульс. Число импульсов, подсчитываемое электронным прибором, показывает активность источника излучения.

scintillation counter

* * *

scintillation counter

contatore a scintillio

сцинтиляці́йний лічи́льник

сцинтиляці́йний лічи́льник