Характеристики сцинтилляционного детектора

Временные характеристики.

Время пролета электронов испытывает значительные отклонения из-за разброса скоростей электронов по величине и по направлению, а так же от их траекторий (из за недостаточной фокусировки).

Поэтому даже от мгновенной световой вспышки в сцинтилляторе на аноде ФЭУ будет возникать импульс растянутый до 10^-8 – 10^-9с, иначе говоря , ФЭУ обладает временным разрешением.

Для неорганических сцинтилляторов время высвечивания сравнительно велико (> 10^-7c) флуктуации времени пролета электронов через ФЭУ не играет роли.

Для органических сцинтилляторов разрешающее время ФЭУ может оказаться сравнимым по величине со временем со временем высвечивания сцинтиллятора и необходимы ФЭУ специальной конструкции с временным разрешением 10^-10с.

Энергетическое разрешение.

Амплитуда импульса на выходе ФЭУ может быть определена из соотношения:

где Е-энергия в эВ потерянная в сцинтилляторе заряженной частицей, е - заряд электрона, С - емкость анодной цепи, α - конверсионная эффективность сцинтиллятора, β - коэффициент учитывающий неполное собирание света на фотокатод, ε - эффективность фотокатода на 1 эв энергии света. С и заряд е постоянные величины. Остальные имеют разброс, что приводит к

распределению амплитуд импульсов.

Экспериментальной амплитудной разрешающей способностью сцинтилляционного спектрометра R называют отношение ширины распределения на половине высоты ΔА к средней амплитуде распределения при условии облучения сцинтиллятора моноэнергитическим облучением.

R = ΔА/A так как А~E, то R = ΔE/E (энергетическое разрешение)

Эффективность регистрации.

Для заряженных частиц эффективность регистрации близка к 100%, однако для взаимодействия с гамма-квантов надо учитывать фотоэффект , комптон эффект и эффект образования пар

Зависимость коэффициента поглощения μ для кристалла NaI(Tl) от энергии γ-из-лучения: μ_ф – за счет фотоэффекта, μ_к – за счет комптон-эффекта, μ_п – за счет образования пар.

Рис.7 Блок схема сцинтилляционного спектрометра.

Примеры применения сцинтилляционных детекторов

В ядерной физике.

В медицина. ¹²⁵I щитовидная железа, ⁹⁹Tc откладывается в некоторых органах (печень).

В геофизике. Для поиска урансодержащих руд (γ- счетчики с кристаллом NaI(Tl) 50 объемом 50 л.) и нефтеносных содержащих уран скважин.

В космических исследованиях.

Гамма – дефектоскопия. Экспериментальное обнаружение нейтрино.

В радиохимии.

Черенковский счетчик

Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный с со сцинтилляционным счетчиком. Он регистрирует так называемое черенковское излучение – свечение, испускаемое заряженной частицей, которая движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Это явление аналогично ударной волне, возникающей в воздухе, когда снаряд летит быстрее звука. Это излучение было открыто П.А.Черенковым в 1934 г. и объяснено в 1937 г. И.Е. Таммом и И.М.Франком (все трое за это открытие удостоены Нобелевской премии в1958 г.). В любой преломляющей среде скорость света равна с/n, где с – скорость света в пустоте (310⁸ м/с), а n – показатель преломления среды. Таким образом, в стекле, показатель преломления которого равен 1,5, скорость света составляет всего лишь 210⁸ м/c. Любая частица, движущаяся в стекле с большей скоростью, будет испускать черенковское излучение. (Здесь нет противоречия с частной теорией относительности, согласно которой скорость любой частицы, независимо от среды, в которой она движется, не может превышать скорость света в пустоте.) Поэтому черенковский счетчик, чувствительное вещество которого имеет показатель преломления n, будет реагировать на частицы, скорости которых превышают с/n. Интенсивность свечения пропорциональна величине (1 – v²/c²n²), которая равна нулю при пороговом значении скорости с/n и быстро возрастает до максимального значения, когда скорость v регистрируемой частицы приближается к скорости света с. Особенность черенковского излучения состоит в том, что оно сосредоточено в переднем конусе относительно направления движения частицы. Угол при вершине конуса дается выражением

cos = v/cn.

Используя эту зависимость угла испускания от скорости, можно сконструировать счетчик, на катоде ФЭУ которого будет фокусироваться только излучение частиц, движущихся с определенной скоростью. Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее сцинтилляции. Поэтому при выборе чувствительного вещества для черенковского счетчика приходится ограничиваться материалами, в которых не происходят сцинтилляции. Обычно это вода и оргстекло. Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к скорости света, используются газы, показатель преломления которых очень близок к 1. Например, черенковский счетчик с воздухом при атмосферном давлении будет реагировать лишь на частицы со скоростями не менее 0,9997 с. Используется и зависимость сигнала черенковских счетчиков от скорости. Появление сигнала свидетельствует о прохождении заряженной частицы со скоростью, превышающей пороговую, а схема с двумя счетчиками позволяет выделить частицы, лежащие в узком интервале скоростей. Это дает возможность исследовать спектр частиц с высокими скоростями, а не только регистрировать их появление. Выходной сигнал сцинтилляционного счетчика, как и любого ионизационного прибора, почти постоянен для всех частиц со скоростями выше 210⁸ м/с (0,67 скорости света).

    Черенковское излучение является совместным излучением множества атомов среды, расположенных вдоль траектории движения частицы и поляризованных её электрическим полем. Таким образом, непосредственно излучает не частица, а среда. Волновой фронт этого излучения представляет собой поверхность конуса, вершиной которого является частица, а осью – её траектория. Угол раствора конуса фиксирован и определяется скоростью частицы и свойствами среды. Ситуация похожа на ту, которая возникает на поверхности воды при движении катера. Катер, выполняющий в этом примере роль частицы, создает волну возмущения водной поверхности, фронт которой образует острый угол, вершиной которого является катер.     Энергия частицы, конвертируемая в черенковское излучение, мала по сравнению с энергией, которую она тратит на ионизацию и возбуждение атомов среды. Число фотонов, излучаемых на 1 см пути, в зависимости от среды (радиатора) колеблется от нескольких единиц до нескольких сот. Это излучение можно наблюдать визуально и регистрировать с помощью фотоплёнки или фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), преобразующего энергию излучения в электрический сигнал. На цветной фотоплёнке, расположенной перпендикулярно направлению движения частицы, излучение, выходящее из радиатора, имеет вид кольца сине-фиолетового цвета.     Черенковский детектор состоит из прозрачного радиатора (он может быть твёрдым, жидким или газообразным), оптической системы, обеспечивающей “сбор и доставку” черенковских фотонов к ФЭУ и самих ФЭУ. Длительность сигнала черенковского счетчика 10^-9 сек.     Зависимость угла излучения от = v/c позволяет, определяя этот угол, найти скорость и энергию частицы. С помощью черенковского детектора можно регистрировать частицы с энергиями вплоть до 100 ГэВ.     Черенковский счетчик позволяет эффективно выделять высокоэнергичные релятивистские частицы на уровне большого фона низкоэнергичных частиц.

 

Рис. Схема черенковского счётчика: слева – конус черенковского излучения, справа – устройство счётчика. 1 - частица, 2 - траектория частицы, 3 - фронт волны, 4 - радиатор, 5 - ФЭУ (показано развитие лавины вторичных электронов, вызванное фотоэлектроном), 6 - фотокатод.

Ядерные фотоэмульсии

Впервые с возможностью регистрации ядерных излучений фотографическим методом столкнулся А. Беккерель, открывший в 1896 г. с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Но по настоящему в практику субатомных исследований этот метод вошёл в конце сороковых годов прошлого века после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем (эта работа была отмечена Нобелевской премией). Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм, но в отличие от последних имеют существенно бoльшую толщину - до нескольких сотен микрон (толщина обычных эмульсий 10 мкм). Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующей проявке в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до 1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.