Принцип работы сцинтилляционного детектора кратко

Обновлено: 05.07.2024

Сцинтилляторы – это вещества, проявляющие эффект сцинтилляции. Рассмотрим подробнее, что они собой представляют, где используются.

Сцинтилляция и сцинтиллятор

Сцинтилляторами называют химические вещества, проявляющие слабый эффект люминесценции – испускают едва видимый свет вследствие воздействия ионизирующих элементарных частиц: α-, β-, γ-, рентгеновских лучей, свободных электронов. Обычно они испускают приблизительно пропорциональное количеству поглощаемой энергии число фотонов.

Сцинтилляция – эффект непродолжительной люминесценции длительностью от нано- до микросекунд. Возникает при взаимодействии среды-сцинтиллятора с ионизирующим излучением. Широко применяется при изготовлении детекторов для обнаружения элементарных частиц.

Органическими – вещества с кристаллической структурой, это полимеры, например, нафталин, антрацен и некоторые пластики.
Неорганическими – также кристаллы: ZnS, CsI, стекло.

К жидким относятся специфические вещества вроде NE213. Пластические и жидкостные сцинтилляторы бывают растворами флуоресцирующей органики.

Из-за мизерного объёма флуоресцирующего вещества видимый свет передаёт возбуждение молекулам растворителя, а через них – молекулам флуоресцирующего вещества. Встречаются газообразные сцинтилляторы – инертные газы, азот.

Сцинтилляционный счетчик или детектор: принцип действия

Сцинтилляция широко применяется для построения счётчиков ядерных излучения: альфа-, бета-, гамма- и рентгеновских лучей, электронов и протонов. В сцинтилляционном детекторе или датчике (СД) испущенный при сцинтилляции свет концентрируется на фоточувствительном элементе – фотоприёмнике. Взаимодействие элементарной частицы с фотоприёмником превращается в импульс электрического тока. Последний многократно усиливается и регистрируется.

Первый такой детектор – спинтарископ – был экраном, на который напылили слой ZnS. Заряженные элементарные частицы, которые с ним контактировали, вызывали вспышки в месте соприкосновения. Их фиксировали посредством микроскопа. Такое устройство позволило Гейгеру с Марсденом открыть атомное ядро. С 1940-х годов вспышки начали регистрировать фотоэлектронные множители, затем – фоточувствительные диоды.

Кроме фиксации самого ионизирующего излучения сцинтилляционные датчики измеряют спектры гамма-излучений. Для получения сведений об α-частицах нужен CsI. Он же применяется для работы с высокоэнергетическими элементарными частицами.

Метод осциллирующей струи

Это способ определения динамически изменяемого поверхностного натяжения растворов. Жидкость подаётся через отверстие эллиптической формы, на её поверхности появляются волны. Их длина с амплитудой определяют скорость передвижения струи и поверхностное натяжение раствора.

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также фотодиоды.
Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. В качестве органических сцинтилляторов часто используются антрацен (C₁₄H₁₀), стильбен (C₁₄H₁₂), нафталин (C₁₀H₈). Жидкие сцинтилляторы обычно известны под фирменными именами (например NE213). Пластиковые и жидкие сцинтилляторы представляют из себя растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворителе. Например, твердый раствор антрацена в полистироле или жидкий раствор р-терфенила в ксилоле. Концентрация флуоресцирующего вещества обычно мала и регистрируемая частица возбуждает в основном молекулы растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества. В качестве неорганических кристаллических сцинтилляторов используются ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi₄Ge₃O₁₂,
LaBr₃(Ce), PbWO ₄ и др. В качестве газовых и жидких сцинтилляторов используют инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Так как в органических сцинтилляторах возбуждаются молекулярные уровни, которые излучают в ультрафиолетовой области для согласования со спектральной чувствительностью регистрирующих свет устройств (ФЭУ и фотодиодов) используются светопреобразователи, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и переизлучают видимый свет в области 400 нм.
Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~0.05 или 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У NaI световой выход ~0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 50-60%.
Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, поэтому сцинтилляционный детектор может использоваться в качестве спектрометра, т. е. прибора, определяющего энергию частицы.
С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и . Для измерения спектров тяжелых заряженных частиц ( и др.) обычно используют CsI. По сравнению с NaI, он существенно менее гигроскопичен и не требует защитного кожуха, в котором заряженные частицы теряют свою энергию. Энергетическое разрешение CsI заметно хуже, чем у полупроводниковых детекторов, кроме того пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии у сцинтилляторов наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных люминофоров и для различных типов частиц. CsI применяется, когда требуются измерения энергий заряженных частиц довольно больших энергий, а энергетическое разрешение не играет существенной роли.
В физике высокой энергии нашли применение сцинтилляторы из вольфрамата свинца ( PbWO ₄). Небольшая радиационная длина (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) – радиус цилиндра в пределах которого поглощается 90% электромагнитного ливня – позволяет сделать детектор с таким сцинтиллятором компактным с хорошим пространственным разрешением. PbWO ₄ в частности был использован для сильно секционированного (17920 каналов детектирования) калориметра – фотонного детектора PHOS детекторного комплекса ALICE на Большом адронном коллайдере.

Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по световоду достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод. ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под положительным увеличивающемся от динода к диноду электрическим потенциалом. В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет , но может достигать и 10 9 , что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс.
Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов обычно не лучше нескольких процентов. Временное разрешение зависит от длительности световой вспышки (времени высвечивания люминофора), от длительности фронта световой вспышки, а также от количества фотоэлектронов (от энергии оставленной частицей в сцинтилляторе) и меняется в пределах
Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

В предыдущей статье я немного показал в работе самодельный сцинтилляционный радиометр. Прибор заинтересовал публику и в связи с этим выходит данная статья, описывающая радиометр изнутри.

Что это и зачем

В данном приборе я хотел получить следующее:

Автономную работу без привязки к смартфону или иному устройству с собственным дисплеем (в отличие от Atom Fast);
Попытаться сделать энергокомпенсацию;
Автоматическую регистрацию измерений на съемный носитель, в перспективе с картографической привязкой;
Культурный внешний вид, не особо выдающий самодельное происхождение всяким разным ищейкам и вахтерам.

Основные функции

Независимо от режима продолжается ежесекундный цикл измерений с сохранением результатов в оперативную память. В частности, благодаря этому при переходе в режим поиска на графике отображаются показания, бывшие во время пребывания прибора в режиме измерения, а также во время заходов в меню и т.п. Независимо от режима работает и сигнализация превышения порогов.

В последней есть три порога. Традиционные первый и второй – устанавливаются через меню по желанию оператора и при их срабатывании по результатам очередного секундного цикла счета звучит звуковой сигнал. Кроме них есть еще адаптивный порог. Он автоматически задается по среднему уровню за минуту, устанавливаясь на одну-две-три сигмы (можно выбрать в настройках) от него. Если в очередном цикле произошло срабатывание по этому порогу, для следующего цикла берется значение из предыдущего цикла, благодаря чему при медленном, но уверенном росте радиации достигается устойчивое срабатывание сигнализации. В последующем будет реализован журнал срабатываний сигнализации, но пока его нет.

Пока не реализовано и сохранение результатов измерений на MicroSD-карту, разъем для которой смонтирован на плате радиометра. На ней предусмотрено также подключение модуля GPS, задействование которого – также дело будущего.

Общий план устройства

Красными цифрами обозначено: 1 — дисплейный модуль, 2 — клавиатура, 3 — детектор, 4 — аналоговая плата, 6 — системная плата.

Электронная схема прибора (не считая дисплея и навигационного приемника, а также клавиатуры) собрана на двух печатных платах. На первой собрана аналоговая часть прибора, на второй — все остальное: микроконтроллер с обвязкой, цепи питания и его коммутации, зарядки аккумулятора и источник высокого напряжения для детектора.

Детектор

В качестве детектора в радиометре используется сцинтилляционный кристалл йодида цезия, активированный таллием. Данный кристалл обладает свойством радиолюминесценции – заряженные частицы и фотоны высокой энергии (рентгеновского и гамма-диапазона) возбуждают в нем свечение, причем свет испускается в виде короткой, около микросекунды, вспышки света – сцинтилляции. Эта вспышка слишком слаба, чтобы ее можно было увидеть глазом или обнаружить обычным способом. Фотоэлементы, фотодиоды и фоторезисторы слишком малочувствительны для этого. Чтобы оценить масштаб бедствия, приведу следующие цифры.

Гамма-квант с энергией 1 МэВ, полностью поглотившись в кристалле CsI(Tl), порождает примерно 40 000 фотонов зеленого света. Пусть мы попытаемся этот свет уловить фотодиодом. Допустим, все они попадут на фотодиод (на самом деле, это нереально и хорошо если на него попадет лишь половина от них). И еще допустим, что фотодиод у нас идеальный, с квантовым выходом 100%. Это значит, что каждый из фотонов создаст в структуре фотодиода одну электронно-дырочную пару. И за импульс мы получим 40 000 фотоэлектронов. А длится этот импульс, как мы в курсе, 1 мкс. Значит, в секунду у нас будет 4∙10 10 фотоэлектронов. Заряд электрона – 1,6∙10 -19 Кл, а заряд 4∙10 10 фотоэлектронов – 6,4 ∙10 -9 Кл, то есть сила тока, которую вспышка сцинтилляции вызовет в нашем фотодиоде – всего лишь несколько наноампер! А если вспомнить о том, что и фотоны не все попадают на фотодиод, и квантовый выход у него не 100%… Да к тому же мегаэлектронвольт – это энергия достаточно жесткого гамма-излучения, а нам неплохо было бы видеть и значительно более низкие энергии. В общем, фотодиоды нам здесь практически не годятся. Вернее, годятся — но с очень большим трудом.

Обычно для улавливания таких слабых импульсов света применяли (и сейчас применяют) фотоэлектронные умножители. В них каждый фотоэлектрон, выбитый из фотокатода, размножается на системе динодов, давая усиление в миллионы раз, и импульс тока на его аноде составляет уже не нано-, а миллиамперы, и зарегистрировать такой импульс уже не составляет труда. Но ФЭУ – это солидных габаритов хрупкий стеклянный баллон, это киловольты питания, требующие вдобавок высокой стабильности. В общем, он плохо представим в приборе карманных размеров.

Кристаллы CsI (Tl) обрабатывались следующим образом. У всех образцов боковая поверхность матировалась. Шлифовка торцов производилась сначала на тонкой наждачной бумаге, а затем на шелковой материи. Для лучшей шлифовки использовалась окись церия, разведенная в этиловом спирте. При шлифовке достигалась прозрачность стекла. Если необходимо было сокращать кристалл на большие толщины, то он просто распиливался нитью, смоченной в воде. Затем производилась обработка в той же последовательности.

(Горбунов В.И., Кулешов В.К. К вопросу о выборе оптимальных размеров сцинтилляторов для дефектоскопии изделий // Изв. Томского политехнического института. 1965. Т.138. С.42-48.)

Аналоговая часть

Схема ее приведена на рисунке выше. Она состоит из следующих основных узлов:

В качестве компаратора применена микросхема LMV7239, сочетающая малое потребление с достаточно высоким быстродействием (

Читайте также: