Большая Советская Энциклопедия (СЦ)
Шрифт:
Благодаря высокой эффективности регистрации различных частиц и излучений, а также быстродействию, С. с. нашёл широкое применение в ядерной спектроскопии и спектроскопии частиц высоких энергий. В области малых энергий (lb 1 Мэв) С. с. уступают в энергетическом разрешении пропорциональным счётчикам и полупроводниковым детекторам.
Лит. см. при ст. Сцинтилляционный счётчик.
В. С. Кафтанов.
Сцинтилляционный счётчик
Сцинтилляцио'нный счётчик, прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, g-квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее
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, g-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и g-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 h). Наибольшими значениями hобладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, активированный Tl [NaI (Tl)], антрацен и ZnS. Др. важной характеристикой является время высвечивания t, которое определяется временем жизни на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется экспоненциально:
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 в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водородсодержащие сцинтилляторы (см. Нейтронные детекторы). Для спектрометрии g-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 (~ 10–8 сек) при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени С. с. lb10–9 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
| Вещество | Плотность, г/см3 | Время высвечивания, t, 10– 9сек. | Длина волны в максимуме спектра, | Конверсионная эффективность h, % (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 добавлением РОРОР1 (0,1 г/л) | 0,86 | 2 | 3500 | 2 |
| Раствор р– терфенила в толуоле (4 г/л) с добавлением РОРОР (0,1г/л) | 0,86 | 2,7 | 4300 | 2,5 |
| Пластики | ||||
| Полистирол с добавлением р– терфенила (0,9%) и a-NPO2 (0,05 весовых %) | 1,06 | 2,2 | 4000 | 1,6 |
| Поливинилтолуол с добавлением 3,4% р– терфенила и 0,1 весовых % РОРОР | 1,1 | 3 | 4300 | 2 |
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, в промышленности (радиационный контроль), дозиметрии, радиометрии, геологии, медицине и т. д. Недостатки С. с.: малая чувствительность к частицам низких энергий (lb 1 кэв), невысокая разрешающая способность по энергии (см. Сцинтилляционный спектрометр).
Для исследования заряженных частиц малых энергий (< 0,1 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).