22-02-2019 05:36

Сцинтилляционный детектор: принцип действия

Сцинтилляционные детекторы – это одна из разновидностей измерительной аппаратуры, предназначенной для регистрации элементарных частиц. Их особенностью является то, что считывание происходит за счет использования светочувствительных систем. Впервые данные приборы были использованы в 1944 г. для измерения излучения урана. Существует несколько разновидностей детекторов в зависимости от типа рабочего агента.

Назначение

Сцинтилляционный детектор: назначение

Сцинтилляционные детекторы широко используются в следующих целях:

  • регистрация радиационных загрязнений окружающей среды;
  • анализ радиоактивных материалов и другие физико-химические исследования;
  • применение в качестве элемента для запуска более сложных детекторных систем;
  • спектрометрическое исследование веществ;
  • сигнализирующий компонент в системах радиационной защиты (например, дозиметрическая аппаратура, предназначенная для оповещения о вхождении морского судна в зону радиоактивного заражения).

Вегетативная нервная система иннервирует что?Вам будет интересно:Вегетативная нервная система иннервирует что?

Счетчики могут производить как качественную регистрацию излучения, так и измерять величину его энергии.

Устройство детекторов

Принципиальное устройство сцинтилляционного детектора излучений показано на рисунке ниже.

Сцинтилляционный детектор: устройство

Основными элементами аппаратуры являются следующие:

  • фотоумножитель;
  • сцинтиллятор, предназначенный для перевода возбуждения кристаллической решетки в видимый свет и его передачи на оптический преобразователь;
  • оптический контакт между первыми двумя устройствами;
  • стабилизатор напряжения;
  • электронная система для регистрации электрических импульсов.

Типы

Сцинтилляционные детекторы: внешний вид

Существует следующая классификация основных типов сцинтилляционных детекторов по виду вещества, которое флуоресцирует под воздействием излучения:

  • Неорганические щелочно-галогенидные счетчики. Они применяются для регистрации альфа-, бета-, гамма- и нейтронных излучений. В промышленности выпускают несколько видов монокристаллов: йодистый натрий, цезий, калий и литий, сернистый цинк, вольфраматы щелочноземельных металлов. Их активируют специальными примесями.
  • Органические монокристаллы и прозрачные растворы. К первой группе относятся: антрацен, толан, транс-стильбен, нафталин и другие соединения, ко второй – терфенил, смеси антрацена с нафталином, твердые растворы в пластмассах. Они применяются для временных измерений и для регистрации быстрых нейтронов. Активирующие добавки в органические сцинтилляторы не вносят.
  • Газовая среда (He, Ar, Kr, Xe). Такие детекторы используют в основном для регистрации осколков деления тяжелых ядер. Длина волны излучения находится в ультрафиолетовом спектре, поэтому для них требуются соответствующие фотодиоды.

Для сцинтилляционных детекторов нейтронов с кинетической энергией до 100 кэВ применяют кристаллы сернистого цинка, активированные изотопом бора с массовым числом 10 и 6Li. При регистрации альфа-частиц сернистый цинк наносят тонким слоем на прозрачную подложку.

Среди органических соединений наибольшее распространение получили сцинтилляционные пластмассы. Они представляют собой растворы люминесцирующих веществ в высокомолекулярных пластиках. Чаще всего сцинтилляционные пластмассы изготавливают на основе полистирола. Для регистрации альфа- и бета-излучений применяют тонкие пластинки, а для гамма- и рентгеновских лучей – толстые. Они выпускаются в виде прозрачных полированных цилиндров. По сравнению с другими типами сцинтилляторов пластмассовые обладают рядом преимуществ:

  • малое время высвечивания;
  • устойчивость к механическим повреждениям, воздействию влаги;
  • постоянство характеристик при больших дозах облучения радиацией;
  • низкая стоимость;
  • простота изготовления;
  • высокая эффективность регистрации.

Фотоумножители

Сцинтилляционный детектор: фотоумножитель

Основным функциональным компонентом данной аппаратуры служит фотоумножитель. Он представляет собой систему электродов, смонтированных в трубке из стекла. Для защиты от внешних магнитных полей его помещают в металлический кожух из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Благодаря этому происходит экранирование электромагнитных помех.

В фотоумножителе световая вспышка преобразуется в электрический импульс, а также происходит усиление электрического тока в результате вторичной эмиссии электронов. Величина тока зависит от количества динодов. Фокусировка электронов происходит за счет электростатического поля, зависящего от формы электродов и потенциала между ними. Выбитые заряженные частицы ускоряются в межэлектродном пространстве и, попадая на следующий динод, вызывают очередную эмиссию. Благодаря этому количество электронов возрастает в несколько раз.

Сцинтилляционный детектор: принцип действия

Счетчики работают следующим образом:

  • Заряженная частица попадает в рабочее вещество сцинтиллятора.
  • Происходит ионизация и возбуждение молекул кристалла, раствора или газа.
  • Молекулы испускают фотоны и спустя миллионные доли секунды возвращаются в равновесное состояние.
  • В фотоумножителе вспышка света «наращивается» и попадает на анод.
  • В анодной цепи происходит усиление и измерение электрического тока.
  • В основе принципа работы сцинтилляционного детектора лежит явление люминесценции. Основной характеристикой данных приборов служит конверсионная эффективность – отношение энергии вспышки света к энергии, потерянной частицей в активном веществе сцинтиллятора.

    Достоинства и недостатки

    Сцинтилляционный детектор: достоинства и недостатки

    К преимуществам сцинтилляционных детекторов излучения относятся следующие:

    • высокая эффективность регистрации, особенно в отношении коротковолновых гамма-лучей с большой энергией;
    • хорошее временное разрешение, то есть возможность давать раздельное изображение двух объектов (оно достигает 10-10 с);
    • одновременное измерение энергии регистрируемых частиц;
    • возможность изготовления счетчиков различной формы, простота технического решения.

    Недостатками данных счетчиков является низкая чувствительность к частицам с невысокой энергией. При их применении в составе спектрометров значительно усложняется обработка полученных данных, так как спектр имеет сложный вид.



    Источник