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 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. 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

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

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

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.