• 5

VI. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ

При прохождении заряженных частиц сквозь вещество часть энергии пролетающей частицы тратится на ионизацию атомов, а часть — на их возбуждение. Возвращаясь в основное состояние, возбужденные атомы отдают свою энергию возбуждения. При реком­бинации ионов также выделяется энергия. Эта энергия в основном превращается в тепло, т. е. в кинетическую энергию движения в га­зах и жидкостях или в колебательную энергию в твердых веществах. Часть энергии испускается в виде фотонов. При определенных ус­ловиях эти фотоны могут выходить из тела, в котором они образо­вались. Тела с большим световым выходом носят название с ц.и н- тилляторов.

Детекторы излучения, использующие сцинтилляторы для реги­страции ионизирующих частиц, называются сцинтилляцион-

 

600 700

Рис. 320. Счетная характеристика гейге­ровского счетчика.

ными счетчиками. Кроме сцинтиллятора, в состав сцин­тилляционного счетчика входят фотоумножители, преобразующие световые импульсы в электрические сигналы.

В последнее время сцинтилляционные счетчики очень широко используются в экспериментальной технике. К их достоинствам от­носится надежность в работе, чувствительность, малое разрешаю­щее время (наносекунды). Сцинтилляторы хорошо обрабатываются. Им может быть придана любая форма и почти любой размер: от ку­бических миллиметров до кубометров.

§ 1. Сцинтилляторы

Важнейшей характеристикой сцинтиллирующего вещества яв­ляется отношение энергии, преобразующейся в свет, к полной энер­гии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Эта доля называется конверсионной эффективностью или физическим выходом. Конверсионная эффективность сцинтилляторов, применяемых в экспериментальной технике, ле­жит в пределах от долей процента до десятков процентов.

Высокая конверсионная эффективность сама по себе не обеспе­чивает возможности применять вещество в качестве сцинтиллятора. Необходимо, чтобы свет мог выйти из него наружу. Большая часть веществ оказывается непрозрачной для собственного излучения. Это легко понять, если принять во внимание, что энергия фотонов всегда равна разности энергий некоторых энергетических уровней. Фотоны, испущенные при возвращении атомов из возбужденного состояния в основное, резонансным образом поглощаются в веще­стве, вызывая переходы других атомов из основного состояния в воз­бужденное. Качество сцинтиллятора определяется поэтому не фи­зическим, атехническим выходом, под которым пони­мают отношение энергии, уносимой фотонами, вышедшими из ве­щества, к энергии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Технический выход (или техническая эффективность) зависит от формы и размеров образца, состояния его поверхности, количества поглощающих свет примесей и т. д.

Существует три типа сцинтилляторов, механизмы высвечивания в которых различны. Это органические сцинтилляторы, неоргани­ческие кристаллы и газы. Наиболее широкое применение получили органические сцинтилляторы и неорганические крирталлы.

Органические сцинтилляторы. Рассмотрим процесс возникнове­ния световой вспышки в органическом сцинтилляторе. Прежде всего обратимся к органическим кристаллам.

В таких кристаллах связи между молекулами слабы и электрон­ные энергетические уровни практически не возмущены. Разность энергий колебательных уровней заметно меньше энергии первого возбужденного электронного состояния. Поэтому процесс излучения

1)W

в кристалле мало отличается от процесса излучения отдельной молекулы.

На рис. 321 изображены основной уровень молекулы а и ее пер­вое возбужденное состояние б. Над каждым из этих уровней распо­лагается полоса колебательных уровней.            

Для дальнейшего важно отметить,- что время жизни молекулы в первом возбуж­денном состоянии (—Ю-8 секунды) много больше времени перехода между колеба­тельными уровнями.

Рассмотрим упрощенную схему, пояс­няющую сцинтилляцию органических кри­сталлов. Пусть в результате возбуждения, вызванного прохождением заряженной ча­стицы, молекула перешла из основного со­стояния а в некоторое возбужденное состо­яние г. Передавая излишнюю энергию в колебательные, степени свободы, молекула за короткий промежуток времени переходит на нижнее состояние первой возбужденной полосы. Дальнейший переход из состояния б в одно из состояний основной полосы сопровождается испуска­нием света. Наконец происходит

 

Рис. 321. Схема уровней сложной молекулы.

а — основной уровень, б — первый возбужденный уро­вень, в, г — колебательные уровни основного и первого возбужденного состояния.

Спеитр испускания

 

Длина волны А

Рис. 322. Спектры испускания и поглощения сложных молекул.

Область перекрытия спектров заштри­хована.

безрадиационный переход из со­стояния в в основное состояние мо­лекулы.

Энергия светового кванта, из­лученного при переходе, оказыва­ется меньше разности уровней а и б и недостаточна для возбуждения молекул/ находящихся в основном состоянии. Поглотить этот квант могут только молекулы, колебания которых соответствуют уровням, более высоким, чем в. Но та$шх молекул мало. Поэтому самопоглощение света сцинтилляций оказывается.незначительным. Рис. 321 поясняет, что при испуска­нии и при поглощении света молекулами возникает не одна ли­ния испускания или поглощения, а целые области, как это изобра­жено на рис. 322. Из рис. 321 ясно, что эти области частично пере-- крываются. Чем меньше область перекрытия спектров (она на рис. 322 заштрихована), тем прозрачнее сцинтиллятор для собствен­ного излучения.

Органические кристаллы имеют сравнительно высокую кон­версионную и техническую эффективность, но на практике приме­няются редко, главным образом из-за сложности изготовления. Существенно шире применяются сцинтиллирующие растворы, со­

стоящие из твердого (чаще всего пластмассы) или жидкого раство­рителя и сцинтиллирующей добавки. Такие сцинтилляторы имеют в два-три раза меньшую конверсионную эффективность, чем орга­нические кристаллы. Однако благодаря простоте изготовления дат­чиков любого размера и формы и короткому времени высвечивания сцинтиллирующие пластмассы практически нацело вытеснили органические кристаллы.

Сцинтиллирующий раствор состоит из растворителя и сцинтил­лирующей дабавки, которая подбирается так, чтобы уровень пер­вого возбужденного состояния сцинтиллятора был ниже уровня первого возбужденного состояния раствори­теля. (Практически достаточно, чтоб они просто совпадали.)

Так как количество сцинтиллирующей до­бавки в растворителе мало (1—2%), то части­ца, проходя через раствор, взаимодействует в основном с молекулами растворителя.

Механизм передачи- энергии от молекул растворителя к молекулам сцинтиллятора окончательно не установлен, но в практически применяющихся сцинтилляторах происходит быстро и эффективно. В ряде случаев для облегчения этого процесса в раствор добавляют еще одно вещест­во — так называемый вторичный растворитель.

Благодаря малой концентрации сцинтиллирующей добавки раствор оказывается практически прозрачным для собственного из­лучения. При увеличении концентрации сцинтиллятора техниче­ская эффективность вначале растет пропорционально концентрации. Такой рост происходит пока самопоглощение света сцйнтиллятором мало.

При дальнейшем увеличении концентрации сцинтиллирующей добавки техническая эффективность выходит на плато, а затем начинает уменьшаться. Поэтому для каждой пары растворитель — сцинтиллятор существует своя оптимальная концентрация.

Неорганические сцинтилляторы. При комнатной температуре чистые неорганические кристаллы не сцинтиллируют.

Как известно, в непроводящих чистых неорганических кристал­лах электроны в основном состоянии расположены в так называемой валентной зоне А (рис. 323). Проходя через кристалл, заряженная частица переводит часть электронов из основного в возбужденное состояние — в так называемую зону проводимости В. При диффу­зии, в зоне проводимости электрон может оказаться вблизи свобод­ного уровня валентной зоны, или, как говорят, — «дырки». Если происходит рекомбинация электронов с «дыркой», то излучаются световые кванты с энергией, определяемой шириной С запрещенной зоны кристалла. Этой же шириной определяется и спектр погло-

В

 

 

 

 

—d

 

1 1

\ i

с

1 t

 

:           =

Рис. 323. Схема уров­ней неорганического кристалла.

щеиия кристалла. Поэтому излученные при рекомбинации световые кванты интенсивно поглощаются внутри кристалла и свет наружу не выходит.

При введении в кристалл небольшого количества активатора 0,1%) в кристалле образуются локальные энергетические уровни, которые называют центрами люминесценции. Если подобрать активатор так, чтобы его уровни располагались в запрещенной зоне кристалла, то оказываются возможными пе­реходы электронов из зоны проводимости на уровни активатора d. Спектр излучаемых при переходах световых квантов не перекры­вается со спектром поглощения чистого кристалла и может погло­щаться только самим активатором. Но так как концентрация по­следнего очень мала, то малым оказывается и поглощение света, — световые кванты выходят из сцинтиллятора.

Механизм высвечивания неорганических кристаллов в действи­тельности намного сложнее, чем это сейчас описано, и до конца не изучен. Предполагают, что в активированных щелочно-галоидных кристаллах (типа Nal) значительная доля энергии, потерянной частицей, преобразуется в энергию возбуждения связанных электро­нов — так называемых экситонов. Экситоны медленно пере­мещаются (мигрируют) в кристаллах. При миграции они могут захватываться центрами люминесценции, в которых и происходит высвечивание. Отметим, что время высвечивания неорганических кристаллов на несколько порядков больше, чем у органических сцин­тилляторов, что обусловлено большим временем диффузии возбуж­денных электронов или дырок (или миграцией экситонов).

В таблице для справок приведены характеристики наиболее часто используемых сцинтилляторов.

Характеристики сцинтилляторов

Сцинтиллятор

Плот­ность

Время высвечи­вания, 10~9секун- ды

Максимум

полосы испускания, А

Конверсион­ная эффек­тивность по отношению к антрацену

Число свето­вых квантов на 1 см следа быстрой частицы

Органические сцинтилляторы

 

1.         Антрацен

2.            Полистирол с Р- терфенилом (2%), тетрафенилбута- диеном (0,03%)

1,25 1,06

30 5

4450 4000

1

0,3

20 - 103 10 > 103

Неорганические

сцинтилляторы

 

1.         Nal(Tl)1)

2.         Cs I (Tl)

3,67 4,5

2,5 • 102 5,5 • 102

4100 5600

2,0 0,6

1Ы0* 14-104

*) В скобках указан активатор.

 

 

 

§ 2. Фотоэлектронные умножители

Для преобразования световых вспышек сцинтилляторов в элек­трические сигналы используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ), или, как часто говорят, фотоумножители.

Фотоумножитель представляет собой откачанную до высокого вакуума стеклянную колбу (рис. 324) с прозрачным окном. Свет через него попадает на полупрозрачный фотокатод, нанесенный тон­ким слоем на внутреннюю поверхность окна. Под действием света из фотокатода в результате фотоэффекта вырываются электроны. Электрическое поле, приложенное между фотокатодом и фокусирую­щим электродом, дополнительно разгоняет электроны и направляет

 

,'Делитель напряжения Рис. 324. Схема устройства фотоэлектронного умножителя.

их на первый из системы размножающих электродов, так называе­мых динодов.

Диноды изготовляются из сплавов с малой работой выхода. При соударении электронов с поверхностью динодов из них выбиваются вторичные электроны. Напряжение на ФЭУ по­дается так, что от динода к диноду потенциал постепенно повы­шается. Форма динодов специально подбирается, чтобы электриче­ское поле не только ускоряло, но и фокусировало электроны на следующий динод.

Работа фотоумножителя в существенной мере определяется ве­личиной коэффициента вторичной эмиссии, под которой понимают отношение числа выбитых из динода электронов к числу электронов, падающих на динод. Если этот коэффициент превышает единицу, то на каждом диноде. происходит размножение электронов, и электрон­ная лавина по мере продвижения по фотоумножителю быстро разрастается. Величина импульса, возникающего на аноде, со­ставляет несколько вольт и легко регистрируется простыми ра­диосхемами.

Исследуем устройство фотоэлектронных умножителей более подробно. В качестве фоточувствительного слоя для изготовле­

ния фотокатода используют покрытия из соединений щелочно­земельных элементов. Чаще всего применяются сурьмяно-цезие- вые фотокатоды. Такие фотокатоды обладают сравнительно высо­ким (10—15%) квантовым выходом, под которым пони­мают отношение числа вылетевших из фотокатода электронов к числу падающих на него световых квантов. Чувствительность фотокатода существенно зависит от длины волны падающего света и определяется его спектральной характеристи­кой.

Эффективная работа сцинтилляционного счетчика возможна только в том случае, если спектр испускания сцинтиллятора на­дежно перекрывается со спектральной характеристикой ФЭУ.

Если спектр испускания сцинтиллятора сдвинут от спектральной характеристики фотоумножителя в область коротких волн, то в сцинтиллятор добавляют смесители спектра, т. е. вещества, поглощающие свет сцинтиллятора и испускающие кванты с меньшей энергией, способные эффективно поглощаться фотока­тодом ФЭУ.

Важной характеристикой ФЭУ является его коэффициент уси­ления, под которым понимают отношение числа приходящих на анод электронов к числу электронов, вылетевших из фотокатода. В современных умножителях коэффициенты усиления достигают 108 109. Коэффициент усиления N связан с коэффициентом вто­ричной эмиссии а очевидной формулой N = ал, где п — число динодов. (Обычно п = 10 -г- 12.) Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии падающих на диноды электронов. Эта энер­гия определяется разностью потенциалов между соседними ди­нод ам и.

Из приведенной формулы видно, что благодаря большому п даже незначительные изменения коэффициента вторичной эмиссии при­водят к заметным изменениям коэффициента усиления. Поэтому при работе с фотоумножителями приходится пользоваться хорошо стабилизированными источниками напряжения. Постоянство коэф­фициента усиления и, следовательно, стабильность напряжения особенно важны в тех случаях, когда сцинтилляционные счетчики используются для измерения энергии заряженных частиц. Напря­жение на диноды обычно подается от одного источника напряжения с помощью делителя напряжения.

Помимо полезных импульсов, обусловленных попаданием на фотокатод квантов света, на аноде возникают фоновые им­пульсы. Основными причинами фона является термоэлектронная эмиссия с фотокатода и первого динода, и процесс холодного вы­рывания электронов с поверхности электродов.

Следует отметить еще один вид фоновых импульсов — так на­зываемые ложные импульсы. Причиной ложных импуль­сов чаще всего бывают световые кванты, которые излучаются

молекулами остаточного газа, ионизируемого электронными лави­нами. Число ложных импульсов и импульсов фона растет с увели­чением напряжения и может достигнуть величины, при которой умножитель выйдет из строя. Поэтому при работе с ФЭУ надо очень аккуратно повышать напряжение и не превышать его номи­нальное значение.

§ 3. Измерение ионизации с помощью сцинтилляционных счетчиков

Как мы видели, величина импульса, приходящего на анод фо­тоумножителя, пропорциональна числу электронов, вылетевших с фотокатода, а значит, и числу фотонов, образовавшихся в сцин- тилляторе. Таким образов, сцинтилляционные счетчики могут ис­пользоваться для измерения энергии, оставленной в сцинтилляторе регистрируемой частицей. Точность таких измерений зависит от многих причин..

Прежде всего исследуем связь между энергией, оставленной частицей в сцинтилляторе, и числом излученных квантов света. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникают локальные возмущения, сильно поглощающие свет. Так как концентрация таких поглощающих (гасящих) центров пропорциональна ионизации, то число испущенных фотонов рас­тет медленнее, чем потери энергии. Соответствующая формула за­писывается обычно в следующем виде:

dEjdx п~п° l + BdEjdx'

В этом выражении п — число испущенных квантов, dE/dx — энергия, теряемая частицей на единице пути, п0 и В — постоянные, завися­щие от типа сцинтиллятора.

У органических кристаллов и особенно у пластических сцинтил­ляторов В велико. Эти сцинтилляторы поэтому мало пригодны для измерения потерь энергии. Кроме того, у органических сцинтилля­торов мала конверсионная эффективность, мало, следовательно, и число световых квантов, попадающих на фотокатод. При малом числе квантов возникают большие флюктуации числа выбитых из фотокатода электронов, а значит, и амплитуды анодного импульса. Поясним эти рассуждения числами.

Как видно из вышеприведенной таблицы (см. стр. 615), число световых квантов, испускаемых с 1 см следа быстрой частицы, для пластических сцинтилляторов составляет около 104. Пусть толщина сцинтиллятора составляет 1 см. Обычно от сцинтилляторов удается передать к фотокатоду не более 20% излученного света. Квантовый выход фотокатодов составляет около 10%". Таким образом, из фото­катода будет выбито всего 104-0,2-0,1 = 200 фотоэлектронов,

а флюктуации этого числа составят около 7%. К ним следует до­бавить флюктуации ионизационных потерь и флюктуации числа излученных квантов света. Эти процессы еще более ухудшают точность определения энергии.

Несколько лучшую точность определения потерь энергии можно получить, используя неорганические сцинтилляторы Nal и Csl, имеющие существенно больший световой выход (см. таблицу на стр. 615). К сожалению, Nal и Csl обладают большими временами высвечивания и не могут работать в условиях больших загрузок. Эти сцинтилляторы оказываются наиболее полезны для анализа у-лучей, в особенности при небольших энергиях (меньше 100 кэВ). Дело в том, что анализ спектра у-лучей представляет очень трудную экспериментальную задачу, и получить одновременно хорошую эффективность и точность измерений не удается. Кристаллы Nal и Csl содержат большое количество иода, атомный номер которого равен 53. При столь большом Z вероятность фотоэффекта на доста­точно крупных кристаллах приближается к единице. Электроны, которым передается энергия уквантов, имеют ничтожный пробег (доли миллиметра) и всю свою энергию оставляют в кристалле. Хотя точность определения энергии и в этом случае составляет не­сколько процентов или даже несколько десятков процентов, неор­ганические сцинтилляторы очень широко применяются для иссле­дования спектра у-лучей.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я