» » Сцинтиляційний детектор: принцип дії

Сцинтиляційний детектор: принцип дії

Рубрика: Наука
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

Сцинтиляційний детектор: принцип дії
Сцинтиляційні детектори широко використовуються в наступних цілях:
  • реєстрація радіаційних забруднень навколишнього середовища;
  • аналіз радіоактивних матеріалів та інші фізико-хімічні дослідження;
  • застосування в якості елемента для запуску більш складних детекторних систем;
  • спектрометричні дослідження речовин;
  • сигналізує компонент у системах радіаційного захисту (наприклад, дозиметрична апаратура, призначена для оповіщення про входження морського судна в зону радіоактивного зараження).
  • Лічильники можуть виробляти якісну реєстрацію випромінювання, так і вимірювати величину його енергії.

    Пристрій детекторів

    Принципове пристрій сцинтиляційного детектора випромінювань показано на малюнку нижче.
    Сцинтиляційний детектор: принцип дії
    Основними елементами апаратури є наступні:

  • фотоумножитель;
  • сцинтилятор, призначений для перекладу порушення 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.
  • Типи

    Сцинтиляційний детектор: принцип дії
    Існує наступна класифікація основних типів сцинтиляційних детекторів на увазі речовини, яка флуоресціює під впливом випромінювання:
  • Неорганічні лужно-галогенидные 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, вольфраматы лужноземельних металів. Їх активують спеціальними домішками.
  • Органічні монокристали і прозорі розчини. До першої групи відносяться: антрацен, толан, транс-стильбен, нафталін та інші сполуки, до другої – терфенил, суміші антрацену з нафталіном, тверді розчини в пластмасах. Вони застосовуються для часових вимірів 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 6 Li. При реєстрації альфа-частинок сірчистий цинк наносять тонким шаром на прозору підкладку.

    Серед органічних сполук найбільше поширення отримали 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 - та рентгенівських променів – товсті. Вони випускаються у вигляді прозорих полірованих циліндрів. Порівняно з іншими типами сцинтиляторів пластмасові володіють рядом переваг:
  • малий час висвічування;
  • стійкість до механічних пошкоджень, дії вологи;
  • сталість характеристик при великих дозах опромінення радіацією;
  • низька вартість;
  • простота виготовлення;
  • висока ефективність реєстрації.
  • Фотоумножители

    Сцинтиляційний детектор: принцип дії
    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 у металевий кожух з матеріалу, що володіє високою магнітною проникністю. Завдяки цьому відбувається екранування електромагнітних перешкод. У фотоумножителе світлова спалах перетворюється в електричний імпульс, а також відбувається посилення електричного струму в результаті вторинної емісії електронів. Величина струму залежить від кількості динодов. Фокусування електронів відбувається за рахунок електростатичного поля, залежного від форми електродів і потенціалу між ними. Вибиті заряджені частинки 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:
  • Заряджена частинка потрапляє в робочу речовину сцинтилятора.
  • Відбувається іонізація і збудження молекул кристала, розчину або газу.
  • Молекули випускають фотони і через мільйонні частки секунди повертаються в рівноважний стан.
  • У фотоумножителе спалах світла «нарощується» і потрапляє на анод.
  • В анодному ланцюзі відбувається посилення і вимірювання 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.

    Достоїнства і недоліки

    Сцинтиляційний детектор: принцип дії
    До переваг сцинтиляційних детекторів випромінювання відносяться наступні:
  • висока ефективність реєстрації, особливо щодо короткохвильових гамма-променів з великою енергією;
  • гарне тимчасовий дозвіл, тобто можливість давати роздільне зображення двох об'єктів (вона 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.