Scintillationsmetoden detekterer hvilke partikler. Scintillationstællere: funktionsprincip, fordele og ulemper ved udstyr

- Funktionsprincip scintillationstæller

- Scintillatorer

- Fotomultiplikatorrør

- Scintillationstællerdesign

- Egenskaber for scintillationstællere

- Eksempler på brug af scintillationstællere

- Liste over brugt litteratur

SCINTILLATIONSTÆLLER

Metoden til at detektere ladede partikler ved at tælle lysglimt, der opstår, når disse partikler rammer en zinksulfid (ZnS) skærm er en af de første metoder til at detektere nuklear stråling.

Tilbage i 1903 viste Crookes og andre, at hvis en zinksulfidskærm bestrålet med a-partikler undersøges gennem et forstørrelsesglas i et mørkt rum, kan man bemærke fremkomsten af individuelle kortvarige lysglimt - scintillationer. Det blev fundet, at hver af disse scintillationer er skabt af en separat a-partikel, der rammer skærmen. Crookes byggede en simpel enhed, kaldet Crookes spinthariscope, designet til at tælle a-partikler.

Den visuelle scintillationsmetode blev efterfølgende primært brugt til at detektere a-partikler og protoner med energier på adskillige millioner elektronvolt. Det var ikke muligt at detektere individuelle hurtige elektroner, da de forårsager meget svage scintillationer. Nogle gange, når man bestrålede en zinksulfidskærm med elektroner, var det muligt at observere blink, men dette skete kun, når der faldt nok lys på den samme krystal af zinksulfid på samme tid. stort antal elektroner.

Gammastråler forårsager ingen blink på skærmen, hvilket kun skaber en generel glød. Dette gør det muligt at detektere a-partikler i nærvær af stærk g-stråling.

Den visuelle scintillationsmetode gør det muligt at detektere et meget lille antal partikler pr. tidsenhed. Bedste forhold til optælling opnås scintillationer, når deres antal ligger mellem 20 og 40 pr. minut. Naturligvis er scintillationsmetoden subjektiv, og resultaterne afhænger til en vis grad af individuelle kvaliteter eksperimentator.

På trods af sine mangler spillede den visuelle scintillationsmetode en stor rolle i udviklingen af nukleare og atomfysik. Ved hjælp af det registrerede Rutherford a-partikler, da de blev spredt på atomer. Det var disse eksperimenter, der førte Rutherford til opdagelsen af kernen. For første gang gjorde den visuelle metode det muligt at detektere hurtige protoner, der blev slået ud af nitrogenkerner, når de blev bombarderet af a-partikler, dvs. første kunstige nuklear fission.

Den visuelle scintillationsmetode havde stor betydning indtil trediverne, hvor fremkomsten af nye metoder til registrering af nuklear stråling tvang ham til at blive glemt i nogen tid. Scintillationsmetoden til registrering blev genoplivet i slutningen af fyrrerne af det 20. århundrede kl nyt grundlag. På dette tidspunkt var der udviklet fotomultiplikatorrør (PMT'er), der gjorde det muligt at detektere meget svage lysglimt. Der er lavet scintillationstællere, ved hjælp af hvilke det er muligt at øge tællehastigheden med 10 8 eller endnu flere gange ift. visuel metode, og det er også muligt at registrere og analysere energien af både ladede partikler og neutroner og g-stråler.

§ 1. Driftsprincip for en scintillationstæller

Funktionsprincippet for en scintillationstæller er som følger. En ladet partikel, der kommer ind i en scintillator, producerer ionisering og excitation af dens molekyler, som gennem meget kort tid (10 -6 - 10-9 sek ) overgang til en stabil tilstand, der udsender fotoner. Der opstår et lysglimt (scintillation). Nogle af fotonerne rammer fotokatoden af fotomultiplikatoren og slår fotoelektroner ud fra den. Sidstnævnte, under påvirkning af spænding påført fotomultiplikatoren, fokuseres og rettes til den første elektrode (dynode) af elektronmultiplikatoren. Yderligere, som et resultat af sekundær elektronemission, stiger antallet af elektroner som en lavine, og en spændingsimpuls vises ved udgangen af fotomultiplikatoren, som derefter forstærkes og optages af radioudstyr.

Amplituden og varigheden af udgangsimpulsen bestemmes af egenskaberne af både scintillatoren og fotomultiplikatoren.

Følgende bruges som fosfor:

organiske krystaller,

Flydende organiske scintillatorer,

Solid plast scintillatorer,

Gasscintillatorer.

De vigtigste egenskaber ved scintillatorer er: lysoutput, spektral sammensætning af stråling og scintillationsvarighed.

Når en ladet partikel passerer gennem en scintillator, opstår der et vist antal fotoner med en eller anden energi i den. Nogle af disse fotoner vil blive absorberet i selve scintillatorens volumen, og andre fotoner med lidt lavere energi vil i stedet blive udsendt. Som et resultat af reabsorptionsprocesser vil der komme fotoner ud, hvis spektrum er karakteristisk for en given scintillator.

Lysoutputtet eller konverteringseffektiviteten af en scintillator c er forholdet mellem lysflashenergien , kommer ud til mængden af energi E ladede partikler tabt i scintillatoren,

Hvor - gennemsnitligt antal fotoner, der kommer ud, - gennemsnitlig fotonenergi. Hver scintillator udsender ikke monoenergetiske kvanter, men et kontinuerligt spektrum, der er karakteristisk for denne scintillator.

Det er meget vigtigt, at spektret af fotoner, der kommer ud fra scintillatoren, falder sammen eller i det mindste delvist overlapper med spektral karakteristik PMT.

Graden af overlapning af det eksterne scintillationsspektrum med spektralkarakteristikken. af en given fotomultiplikator bestemmes af matchingskoefficienten

hvor er scintillatorens ydre spektrum eller spektret af fotoner, der kommer ud fra scintillatoren. I praksis, når man sammenligner scintillatorer kombineret med PMT-data, introduceres begrebet scintillationseffektivitet, som bestemmes af følgende udtryk:

Hvor jeg 0 - maksimal værdi af scintillationsintensitet; t 0 - henfaldstidskonstant, defineret som den tid, hvori scintillationsintensiteten falder e enkelt gang.

Antal lysfotoner n , udsendes i tidens løb t efter at have ramt den detekterede partikel, er udtrykt ved formlen

Hvor - fuldt antal fotoner udsendt under scintillationsprocessen.

Processerne med luminescens (luminescens) af fosfor er opdelt i to typer: fluorescens og phosphorescens. Hvis luminescens opstår direkte under excitation eller i et tidsrum af størrelsesordenen 10-8 sek, processen kaldes fluorescens. Interval 10 -8 sek blev valgt, fordi den i størrelsesorden er lig med levetiden for et atom i en exciteret tilstand for de såkaldte tilladte overgange.

Selvom spektrene og varigheden af fluorescens ikke afhænger af excitationstypen, afhænger fluorescensudbyttet væsentligt af det. Når en krystal exciteres af a-partikler, er fluorescensudbyttet således næsten en størrelsesorden mindre end under fotoexcitation.

Fosforescens refererer til luminescens, der fortsætter i lang tid efter ophør af excitation. Men hovedforskellen mellem fluorescens og phosphorescens er ikke varigheden af eftergløden. Fosforescens af krystalfosfor forekommer under rekombinationen af elektroner og huller skabt under excitation. I nogle krystaller kan eftergløden være forsinket på grund af, at elektroner og huller fanges af "fælder", hvorfra de først kan frigives efter at have modtaget yderligere nødvendig energi. Derfor er afhængigheden af varigheden af phosphorescens af temperaturen indlysende. I tilfælde af kompleks organiske molekyler phosphorescens er forbundet med deres tilstedeværelse i en metastabil tilstand, sandsynligheden for overgang fra hvilken til grundtilstanden kan være lav. Og i dette tilfælde vil en afhængighed af phosphorescens-henfaldshastigheden af temperaturen blive observeret.

§ 2. Scintillatorer

Uorganiske scintillatorer . Uorganiske scintillatorer er krystaller uorganiske salte. Praktisk brug i scintillationsteknologi er de hovedsageligt halogenidforbindelser af nogle alkalimetaller.

Processen med scintillationsforekomst kan repræsenteres ved hjælp af båndteori solid. I et individuelt atom, der ikke interagerer med andre, er elektronerne placeret i veldefineret diskret energiniveauer. I et fast stof er atomer placeret i tæt afstand, og deres interaktion er ret stærk. Takket være denne interaktion, niveauerne af eksterne elektroniske skaller opdele og danne zoner adskilt ven fra hinanden ved forbudte områder. Det yderste tilladte bånd fyldt med elektroner er valensbåndet. Over den er placeret fri zone- ledningszone. Mellem valensbåndet og ledningsbåndet er der et båndgab, hvis energibredde er flere elektronvolt.

Hvis der er nogen defekter, gitterforstyrrelser eller urenhedsatomer i krystallen, er det i dette tilfælde muligt at se elektroniske energiniveauer i båndgabet. På ydre påvirkning for eksempel, når en hurtigt ladet partikel passerer gennem en krystal, kan elektroner bevæge sig fra valensbåndet til ledningsbåndet. Forbliver i valensbåndet ledige pladser, som har egenskaberne som positivt ladede partikler med en enhedsladning og kaldes huller.

Den beskrevne proces er processen med excitation af krystallen. Excitationen fjernes ved den omvendte overgang af elektroner fra ledningsbåndet til valensbåndet, og elektroner og huller anbefales. I mange krystaller sker overgangen af en elektron fra ledningsbåndet til valensbåndet gennem mellemliggende luminescerende centre, hvis niveauer er i båndgabet. Disse centre er forårsaget af tilstedeværelsen af defekter eller urenhedsatomer i krystallen. Når elektroner går over i to trin, udsendes fotoner med en energi mindre end båndgabet. For sådanne fotoner er sandsynligheden for absorption i selve krystallen lille, og derfor er lysoutputtet for det meget større end for en ren, uforfalsket krystal.

I praksis introduceres specielle urenheder af andre elementer, kaldet aktivatorer, for at øge lysoutputtet af uorganiske scintillatorer. For eksempel indføres thallium i en natriumiodidkrystal som en aktivator. En scintillator baseret på en NaJ(Tl)-krystal har et højt lysudbytte. NaJ(Tl)-scintillatoren har betydelige fordele sammenlignet med gasfyldte tællere:

større registreringseffektivitet af g-stråler (med store krystaller kan registreringseffektiviteten nå op på titusinder af procent);

kort varighed af scintillation (2,5 10 -7 sek);

en lineær sammenhæng mellem amplituden af pulsen og mængden af energi tabt af den ladede partikel.

Den sidste egenskab kræver en vis forklaring. Lysoutputtet fra scintillatoren er en vis afhængighed af den ladede partikels specifikke energitab.

På meget store mængder betydelige forstyrrelser er mulige krystalgitter scintillator, som fører til fremkomsten af lokale quenching-centre. Denne omstændighed kan føre til et relativt fald i lysudbyttet. Faktisk indikerer eksperimentelle fakta, at for tunge partikler er udbyttet ikke-lineært, og lineær afhængighed begynder kun at manifestere sig med en energi på flere millioner elektronvolt. Figur 1 viser afhængighedskurverne E: kurve 1 for elektroner, kurve 2 for en partikel.

Ud over de angivne alkalihalogenidscintillatorer anvendes undertiden andre uorganiske krystaller: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4, CdWO 4 osv.

Økologiske krystallinske scintillatorer. Molekylære bindingskræfter i organiske krystaller er små sammenlignet med de kræfter, der virker i uorganiske krystaller. Derfor forstyrrer interagerende molekyler praktisk talt ikke energien elektroniske niveauer hinanden og luminescensprocessen af en organisk krystal er en proces, der er karakteristisk for individuelle molekyler. I den elektroniske jordtilstand har molekylet flere vibrationsniveauer. Under påvirkning af registreret stråling bliver molekylet ophidset elektronisk tilstand, hvilket også svarer til flere vibrationsniveauer. Ionisering og dissociation af molekyler er også mulig. Som et resultat af rekombination af et ioniseret molekyle dannes det normalt i en exciteret tilstand. Det oprindeligt exciterede molekyle kan være kl høje niveauer excitation og efter kort tid (~10 -11 sek.) udsender en foton høj energi. Denne foton absorberes af et andet molekyle, og en del af excitationsenergien af dette molekyle kan bruges på termisk bevægelse og den efterfølgende udsendte foton vil have mindre energi sammenlignet med den forrige. Efter flere cyklusser med emission og absorption dannes der molekyler, der er i det første exciterede niveau; de udsender fotoner, hvis energi måske ikke længere er tilstrækkelig til at excitere andre molekyler, og således vil krystallen være gennemsigtig for den resulterende stråling.

Ris. 2. Afhængighed af lysudbytte

anthracen fra energi til forskellige partikler.

Tak til mest af excitationsenergi bruges på termisk bevægelse, lysoutput (konverteringseffektivitet) af krystallen er relativt lille og udgør flere procent.

Følgende organiske krystaller er mest udbredt til optagelse af nuklear stråling: anthracen, stilben, naphthalen. Anthracen har et ret højt lysudbytte (~4%) og en kort belysningstid (3 10 -8 sek.). Men når tunge ladede partikler detekteres, observeres en lineær afhængighed af scintillationsintensiteten kun ved ret høje partikelenergier.

I fig. Figur 2 viser grafer over afhængigheden af lysoutput c (i vilkårlige enheder) af energien af elektroner 1, protoner 2 , 3 deuteroner og 4 a-partikler .

Selvom stilben har en lidt lavere lysudbytte end anthracen, er dens scintillationsvarighed betydeligt kortere (7 10 -9 sek.), end antracen, hvilket gør det muligt at bruge det i de forsøg, hvor registrering af meget intens stråling er påkrævet.

Plastikscintillatorer. Plastscintillatorer er faste opløsninger af fluorescerende organiske forbindelser i et passende transparent stof. For eksempel opløsninger af anthracen eller stilben i polystyren eller plexiglas. Koncentrationer af opløst fluorescerende stof er normalt lave og beløber sig til nogle få tiendedele procent eller nogle få procent.

Da der er meget mere opløsningsmiddel end opløst scintillator, exciterer den detekterede partikel naturligvis hovedsagelig opløsningsmiddelmolekylerne. Excitationsenergien overføres efterfølgende til scintillatormolekylerne. Det er klart, at opløsningsmidlets emissionsspektrum skal være hårdere end det opløste stofs absorptionsspektrum eller i det mindste falde sammen med det. Eksperimentelle fakta viser, at opløsningsmidlets excitationsenergi overføres til scintillatormolekylerne gennem den fotoniske mekanisme, dvs. opløsningsmiddelmolekylerne udsender fotoner, som derefter absorberes af de opløste molekyler. En anden mekanisme til energioverførsel er også mulig. Da scintillatorkoncentrationen er lav, viser opløsningen sig at være praktisk talt gennemsigtig for den resulterende scintillatorstråling.

Plastscintillatorer har betydelige fordele i forhold til organiske krystallinske scintillatorer:

Muligheden for at fremstille scintillatorer er meget store størrelser;

Muligheden for at indføre spektrumblandere i scintillatoren for at opnå bedre tilpasning af dens luminescensspektrum med fotokatodens spektrale karakteristika;

Mulighed for indføring i en scintillator forskellige stoffer, nødvendigt i specielle eksperimenter (for eksempel i studiet af neutroner);

Mulighed for at bruge plastscintillatorer i vakuum;

kort belysningstid (~3 10 -9 sek.). Plastscintillatorer fremstillet ved at opløse anthracen i polystyren har det højeste lysudbytte. Gode egenskaber En opløsning af stilben i polystyren har også.

Flydende organiske scintillatorer. Flydende organiske scintillatorer er opløsninger af organiske scintillationsstoffer i nogle flydende organiske opløsningsmidler.

Mekanismen for fluorescens i flydende scintillatorer ligner den mekanisme, der forekommer i faste scintillatoropløsninger.

De bedst egnede opløsningsmidler viste sig at være xylen, toluen og phenylcyclohexan, og de scintillerende stoffer var p-terphenyl, diphenyloxazol og tetraphenylbutadien. Scintillatoren fremstillet ved opløsning

p-terphenyl i xylen ved en koncentration af opløst stof på 5 g/l.

De vigtigste fordele ved flydende scintillatorer:

Mulighed for at producere store mængder;

Mulighed for at indføre i scintillatoren nødvendige stoffer i særlige forsøg;

Kort flash varighed ( ~3 10 -9 sek.).

Gasscintillatorer. Når ladede partikler passerer igennem forskellige gasser forekomsten af scintillationer blev observeret hos dem. Tunge ædelgasser (xenon og krypton) har det højeste lysudbytte. En blanding af xenon og helium har også et højt lysudbytte. Tilstedeværelsen af 10 % xenon i helium giver et lysudbytte, der er endnu større end rent xenon (fig. 3). Ubetydelige blandinger af andre gasser reducerer kraftigt intensiteten af scintillationer i ædelgasser.

Ris. 3. Afhængighed af lysudbytte af gas

scintillator på forholdet mellem blandingen af helium og xenon.

Det blev eksperimentelt vist, at varigheden af blusser i ædelgasser er kort (10 -9 -10 -8 sek.), og intensiteten af flares over et bredt område er proportional med den tabte energi af de detekterede partikler og afhænger ikke af deres masse og ladning. Gasscintillatorer har lav følsomhed over for g-stråling.

Hoveddelen af luminescensspektret ligger i det fjerne ultraviolette område, så lyskonvertere bruges til at matche fotomultiplikatorens spektrale følsomhed. Sidstnævnte skal have en høj konverteringsrate, optisk gennemsigtighed i tynde lag, lav elasticitet mættede dampe, samt mekanisk og kemisk resistens. Forskellige materialer bruges hovedsageligt som materialer til lyskonvertere. organiske forbindelser, For eksempel:

diphenylstilben (omdannelseseffektivitet ca. 1);

P 1 p'-quaterphenyl (~1);

antracen (0,34) osv.

Lyskonverteren påføres i et tyndt lag på fotomultiplikatorens fotokatode. En vigtig parameter for lyskonverteren er dens belysningstid. I denne henseende er organiske omdannere ganske tilfredsstillende (10 -9 sek eller flere enheder pr. 10 -9 sek.). For at øge lysopsamlingen er de indvendige vægge af scintillatorkammeret sædvanligvis belagt med lysreflektorer (MgO, emalje baseret på titaniumoxid, fluoroplast, aluminiumoxid osv.).

§ 3. Fotomultiplikatorer

Hovedelementerne i en PMT er: fotokatode, fokuseringssystem, multiplikationssystem (dynoder), anode (kollektor). Alle disse elementer er placeret i en glascylinder, evakueret til et højvakuum (10 -6 mmHg.).

Til nuklear strålingsspektrometriformål er fotokatoden normalt placeret på indre overflade flad endedel af PMT cylinderen. Et stof, der er tilstrækkeligt følsomt over for det lys, der udsendes af scintillatorer, vælges som fotokatodemateriale. De mest udbredte er antimon-cæsium-fotokatoder, hvis maksimale spektrale følsomhed ligger ved l = 3900-4200 A, hvilket svarer til maksimum af luminescensspektrene for mange scintillatorer.

Ris. 4. Skematisk diagram af en fotomultiplikator.

En af egenskaberne ved en fotokatode er dens kvanteudbytte, dvs. sandsynligheden for, at en fotoelektron bliver revet ud af en foton, der rammer fotokatoden. Værdien af e kan nå 10-20%. Fotokatodens egenskaber er også karakteriseret ved den integrerede følsomhed, som er forholdet mellem fotostrømmen (mka) til indfald på fotokatoden lysstrøm (lm).

Fotokatoden påføres glasset i form af et tyndt gennemskinneligt lag. Tykkelsen af dette lag er betydelig. På den ene side skal den for stor absorption af lys være betydelig, på den anden side vil de resulterende fotoelektroner, der har meget lav energi, ikke være i stand til at forlade det tykke lag, og det effektive kvanteudbytte kan vise sig at være lille. Derfor vælges den optimale tykkelse af fotokatoden. Det er også vigtigt at sikre en ensartet tykkelse af fotokatoden, så dens følsomhed er den samme over hele området. I scintillations g-ray spektrometri er det ofte nødvendigt at anvende solide scintillatorer af store størrelser, både i tykkelse og diameter. Derfor er der behov for at fremstille fotomultiplikatorer med store fotokatodediametre. I husholdningsfotomultiplikatorer fremstilles fotokatoder med en diameter fra flere centimeter til 15¸20 cm. fotoelektroner udstødt fra fotokatoden skal fokuseres på den første multiplikationselektrode. Til dette formål anvendes et system af elektrostatiske linser, som er en række fokuseringsblænder. For at opnå gode timingkarakteristika for en fotomultiplikator er det vigtigt at skabe et fokuseringssystem, således at elektroner falder på den første dynode med minimal tidsspredning. Figur 4 viser et skematisk design af en fotomultiplikator. Højspændingen, der forsyner fotomultiplikatoren, er forbundet til katoden med dens negative pol og fordelt mellem alle elektroder. Potentialforskellen mellem katoden og membranen sikrer, at fotoelektroner fokuseres på den første multiplikationselektrode. Multiplikerende elektroder kaldes dynoder. Dynader er lavet af materialer, hvis sekundære emissionskoefficient er mere end en(s>1). I husholdningsfotomultiplikatorer fremstilles dynoder enten i form af en trugform (fig. 4) eller i form af persienner. I begge tilfælde er dynoderne arrangeret i en linje. Et ringformet arrangement af dynoder er også muligt. PMT'er med et ringformet dynodesystem har bedre tidsegenskaber. Det emitterende lag af dynoder er et lag af antimon og cæsium eller et lag af specielle legeringer. Maksimal værdi s for antimon-cæsium-emittere opnås ved en elektronenergi på 350¸400 ev, og for legeringsemittere - ved 500¸550 ev. I det første tilfælde s= 12¸14, i det andet tilfælde s=7¸10. I fotomultiplikatorens driftstilstande er værdien af s noget lavere. En ret god sekundær emissionskoefficient er s=5.

Fotoelektroner fokuseret på den første dynode slår sekundære elektroner ud fra den. Antallet af elektroner, der forlader den første dynode, er flere gange flere tal fotoelektroner. Alle sendes til den anden dynode, hvor de også slår sekundære elektroner ud osv., fra dynode til dynode, antallet af elektroner stiger med s gange.

Når man passerer gennem hele systemet af dynoder, øges elektronstrømmen med 5-7 størrelsesordener og når anoden - fotomultiplikatorens opsamlingselektrode. Hvis fotomultiplikatoren fungerer i strømtilstand, er enheder, der forstærker og måler strømmen, inkluderet i anodekredsløbet. Ved registrering af nuklear stråling er det normalt nødvendigt at måle antallet af impulser, der genereres af ioniserende partikler, samt amplituden af disse impulser. I disse tilfælde er der forbundet en modstand til anodekredsløbet, ved hvilken der opstår en spændingsimpuls.

En vigtig egenskab ved PMT'er er multiplikationsfaktoren M. Hvis værdien af s for alle dynoder er den samme (med komplet samling af elektroner på dynoderne), og antallet af dynoder er ens n , At

s n = (Aue -Bu) n

A og B er konstante, u er elektronenergien. Multiplikationsfaktor M Ikke lig med koefficienten gevinst M", som karakteriserer forholdet mellem strømmen ved PMT-udgangen og strømmen, der forlader katoden

M" =CM,

Hvor MED<1 - elektronopsamlingskoefficient, der karakteriserer effektiviteten af fotoelektronopsamling ved den første dynode.

Konstant gevinst er meget vigtig M" PMT både i tid og med ændringer i antallet af elektroner, der forlader fotokatoden. Sidstnævnte omstændighed tillader brugen af scintillationstællere som nukleare strålingsspektrometre.

Om interferens i fotomultiplikatorer. I scintillationstællere, selv i fravær af ekstern bestråling, kan der forekomme et stort antal impulser ved PMT-udgangen. Disse impulser har normalt små amplituder og kaldes støjimpulser. Det største antal støjimpulser skyldes udseendet af termionelektroner fra fotokatoden eller endda fra de første dynoder. For at reducere støjen fra en fotomultiplikator bruges dens køling ofte. Ved registrering af stråling, der skaber impulser med stor amplitude, indgår en diskriminator i registreringskredsløbet, som ikke tillader støjimpulser at passere igennem.

Ris. 5. Kreds til undertrykkelse af PMT-støj.

1. Ved optagelse af impulser, hvis amplitude er sammenlignelig med støj, er det rationelt at anvende én scintillator med to fotomultiplikatorer, der indgår i koincidenskredsløbet (fig. 5). I dette tilfælde forekommer et midlertidigt udvalg af impulser, der stammer fra den detekterede partikel. Faktisk vil et lysglimt, der opstår i scintillatoren fra den detekterede partikel, samtidigt ramme fotokatoderne af begge fotomultiplikatorer, og der vil samtidigt optræde impulser ved deres output, hvilket får koincidenskredsløbet til at fungere. Partiklen vil blive registreret. Støjimpulser i hver af fotomultiplikatorerne optræder uafhængigt af hinanden og vil oftest ikke blive registreret af koincidenskredsløbet. Denne metode gør det muligt at reducere fotomultiplikatorens iboende baggrund med 2-3 størrelsesordener.

Antallet af støjimpulser stiger med stigende påtrykt spænding, først ret langsomt, derefter øges stigningen kraftigt. Årsagen til denne skarpe stigning i baggrunden er feltemission fra elektrodernes skarpe kanter og forekomsten af feedback-ionkobling mellem de sidste dynoder og fotomultiplikatorens fotokatode.

I det område af anoden, hvor strømtætheden er højest, kan der forekomme glød af både restgas og konstruktionsmaterialer. Den resulterende svage glød, såvel som ionisk feedback, forårsager fremkomsten af såkaldte ledsagende impulser, tidsmæssigt fordelt på de vigtigste med 10 -8 ¸10 -7 sek.

§ 4. Design af scintillationstællere

Følgende krav gælder for design af scintillationstællere:

Bedste samling af scintillationslys ved fotokatoden;

Ensartet fordeling af lys langs fotokatoden;

Dæmpning fra lys fra fremmede kilder;

Ingen påvirkning af magnetiske felter;

Stabilitet af PMT-forstærkningen.

Når man arbejder med scintillationstællere, er det altid nødvendigt at opnå det højeste forhold mellem amplituden af signalimpulser og amplituden af støjimpulser, hvilket tvinger den optimale udnyttelse af intensiteterne af blink, der forekommer i scintillatoren. Typisk er scintillatoren pakket i en metalbeholder dækket i den ene ende med fladt glas. Mellem beholderen og scintillatoren er der et lag materiale, der reflekterer lyset og letter dets mest fuldstændige frigivelse. Magnesiumoxid (0,96), titaniumdioxid (0,95), gips (0,85-0,90) har også den største reflektionsevne (0,55-0,85).

Der bør lægges særlig vægt på omhyggelig emballering af hygroskopiske scintillatorer. For eksempel er det mest almindeligt anvendte fosfor NaJ (Tl) meget hygroskopisk, og når fugt trænger ind i det bliver det gult og mister sine scintillationsegenskaber.

Plastscintillatorer skal ikke pakkes i lufttætte beholdere, men for at øge lysopsamlingen kan man omgive scintillatoren med en reflektor. Alle solide scintillatorer skal have et udgangsvindue i en af enderne, som er forbundet med fotokatoden på PMT. Der kan være betydeligt tab af scintillationslysintensitet ved krydset. For at undgå disse tab indføres canadiske balsam-, mineral- eller silikoneolier mellem scintillatoren og PMT'en, og der skabes en optisk kontakt.

I nogle eksperimenter, for eksempel når der foretages målinger i vakuum, i magnetiske felter eller i stærke felter med ioniserende stråling, kan scintillatoren ikke placeres direkte på PMT'ens fotokatode. I sådanne tilfælde bruges et lysrør til at transmittere lys fra scintillatoren til fotokatoden. Polerede stænger lavet af gennemsigtige materialer som Lucite, plexiglas, polystyren samt metal- eller plexiglasrør fyldt med en gennemsigtig væske bruges som lysledere. Lystab i en lysleder afhænger af dens geometriske dimensioner og materiale. Nogle eksperimenter kræver brug af buede lysledere.

Det er bedre at bruge lysledere med en stor krumningsradius. Lysledere gør det også muligt at forbinde scintillatorer og fotomultiplikatorer med forskellige diametre. I dette tilfælde anvendes kegleformede lysrør. PMT'en kobles med en væskescintillator enten gennem en lysleder eller ved direkte kontakt med væsken. Figur 6 viser et eksempel på kobling af en fotomultiplikator med en væskescintillator. I forskellige driftstilstande forsynes PMT med en spænding fra 1000 til 2500 V. Da PMT-forstærkningen afhænger meget kraftigt af spændingen, skal forsyningsstrømkilden være godt stabiliseret. Derudover er selvstabilisering mulig.

PMT'en drives ved hjælp af en spændingsdeler, som gør det muligt at påføre det tilsvarende potentiale til hver elektrode. Strømforsyningens negative pol er forbundet til fotokatoden og til den ene ende af skillevæggen. Den positive pol i den anden ende af skillevæggen er jordet. Fordelingsmodstandene er valgt på en sådan måde, at den optimale driftstilstand for PMT opnås. For større stabilitet bør strømmen gennem deleren være en størrelsesorden højere end elektronstrømmene, der strømmer gennem PMT.

Ris. 6. Forbindelse af en fotomultiplikator med en væskescintillator.

1-væske scintillator;

2- PMT;

3- lysbeskyttelsesdæksel.

Når scintillationstælleren arbejder i pulstilstand, kort (~10 -8 sek.) impulser, hvis amplitude kan være flere enheder eller flere titusinder af volt. I dette tilfælde kan potentialerne ved de sidste dynoder opleve pludselige ændringer, da strømmen gennem deleren ikke har tid til at genopbygge ladningen, der føres væk fra kaskaden af elektroner. For at undgå sådanne potentielle udsving shuntes de sidste par modstande af divideren med kondensatorer. Ved at udvælge potentialerne på dynoderne skabes gunstige forhold for opsamling af elektroner på disse dynoder, dvs. et specifikt elektron-optisk system, der svarer til den optimale tilstand, implementeres.

I et elektron-optisk system afhænger en elektrons bane ikke af den proportionale ændring i potentialer ved alle elektroder, der danner dette elektron-optiske system. Ligeledes i en multiplikator, når forsyningsspændingen ændres, ændres kun dens forstærkning, men de elektron-optiske egenskaber forbliver uændrede.

Med en uforholdsmæssig ændring i potentialerne på PMT-dynoderne ændres betingelserne for at fokusere elektroner i det område, hvor proportionaliteten er overtrådt. Denne omstændighed bruges til at selvstabilisere forstærkningen af fotomultiplikatoren. Til dette formål potentialet

Ris. 7. En del af delekredsløbet.

en af dynoderne i forhold til den foregående dynodes potentiale sættes konstant, enten ved hjælp af et ekstra batteri, eller ved hjælp af en yderligere stabiliseret divider. Figur 7 viser en del af delekredsløbet, hvor et ekstra batteri er forbundet mellem dynoderne D 5 og D 6 ( U b = 90 V). For at opnå den bedste selvstabiliserende effekt er det nødvendigt at vælge modstandsværdien R". Som regel R" mere R 3-4 gange.

§ 5. Egenskaber ved scintillationstællere

Scintillationstællere har følgende fordele.

Høj tidsopløsning. Pulsvarigheden, afhængig af de anvendte scintillatorer, varierer fra 10 -6 til 10 -9 sek, de der. flere størrelsesordener mindre end tællere med selvafladning, hvilket giver mulighed for meget højere tællehastigheder. En anden vigtig tidskarakteristik for scintillationstællere er den lille pulsforsinkelse, efter at den detekterede partikel passerer gennem fosfor (10 -9 -10 -8) sek.). Dette tillader brugen af tilfældighedsskemaer med kort opløsningstid (<10 -8 sek.) og derfor udfører koincidensmålinger under meget større belastninger på individuelle kanaler med et lille antal tilfældige sammenfald.

Høj registreringseffektivitet g -stråler og neutroner. For at registrere et g-kvante eller neutron er det nødvendigt, at de reagerer med detektorstoffet; i dette tilfælde skal den resulterende sekundært ladede partikel registreres af detektoren. Det er klart, at jo mere stof der er i vejen for g-stråler eller neutroner, jo større er sandsynligheden for deres absorption, jo større er effektiviteten af deres registrering. Ved anvendelse af store scintillatorer opnås i øjeblikket g-ray-detektionseffektivitet på flere titusinder procent. Effektiviteten af at detektere neutroner med scintillatorer med specielt indførte stoffer (10 V, 6 Li osv.) overstiger også langt effektiviteten ved at detektere dem ved hjælp af gasudladningstællere.

Mulighed for energianalyse af registreret stråling. For letladede partikler (elektroner) er intensiteten af flashen i en scintillator faktisk proportional med den energi, som partiklen taber i denne scintillator.

Ved hjælp af scintillationstællere knyttet til amplitudeanalysatorer er det muligt at studere spektrene af elektroner og g-stråler. Situationen er noget værre med undersøgelsen af spektrene af tungt ladede partikler (a-partikler osv.), som skaber høj specifik ionisering i scintillatoren. I disse tilfælde observeres proportionaliteten af intensiteten af flashen af tabt energi ikke på alle partikelenergier og vises kun ved energiværdier, der er større end en vis værdi. Det ikke-lineære forhold mellem pulsamplituder og partikelenergi er forskelligt for forskellige phosphorstoffer og for forskellige typer partikler. Dette er illustreret af graferne i fig. 1 og 2.

Mulighed for fremstilling af scintillatorer af meget store geometriske dimensioner. Det betyder muligheden for registrering og energianalyse af partikler med meget høj energi (kosmiske stråler), samt partikler, der svagt interagerer med stof (neutrinoer).

Muligheden for at indføre stoffer i scintillatorer, som neutroner interagerer med med et stort tværsnit. For at registrere langsomme neutroner anvendes fosfor LiJ(Tl), LiF, LiBr. Når langsomme neutroner interagerer med 6 Li, sker reaktionen 6 Li(n,a) 3 H, hvor der frigives en energi på 4,8 Mev.

§ 6. Eksempler på anvendelse af scintillationstællere

Måling af levetiden af exciterede tilstande af kerner. Under radioaktivt henfald eller i forskellige nukleare reaktioner befinder de resulterende kerner sig ofte i en ophidset tilstand. Studiet af kvantekarakteristika af exciterede tilstande af kerner er en af kernefysikkens hovedopgaver. En meget vigtig egenskab ved den exciterede tilstand af en kerne er dens levetid t. Ved at kende denne værdi kan man få meget information om kernens struktur.

Atomkerner kan være i en ophidset tilstand til forskellige tidspunkter. Der er forskellige metoder til at måle disse tider. Scintillationstællere har vist sig at være meget praktiske til at måle levetider på nuklear niveau fra flere sekunder til meget små brøkdele af et sekund. Som et eksempel på brugen af scintillationstællere vil vi overveje metoden med forsinket sammenfald. Lad kerne A (se fig. 10) forvandle sig til en kerne gennem b-henfald I i en exciteret tilstand, som afgiver sin overskydende energi til den sekventielle emission af to g-kvanter (g 1,g 2). Det er nødvendigt for at bestemme levetiden for den exciterede tilstand jeg. Et præparat indeholdende isotop A er installeret mellem to tællere med NaJ(Tl)-krystaller (fig. 8). De impulser, der genereres ved PMT-udgangen, føres til et hurtigt koincidenskredsløb med en opløsningstid på ~10 -8 -10 -7 sek. Derudover føres impulserne til lineære forstærkere og derefter til amplitudeanalysatorer. Sidstnævnte er konfigureret på en sådan måde, at de transmitterer impulser med en vis amplitude. Til vores formål, dvs. med det formål at måle niveaulevetiden jeg(se fig. 10), amplitudeanalysator AAI må kun sende impulser svarende til energien af kvanta g 1 og analysatoren AAII - g 2 .

Fig. 8. Skematisk diagram til bestemmelse

levetid af exciterede tilstande af kerner.

Dernæst føres impulser fra analysatorerne, såvel som fra det hurtige koincidenskredsløb, til det langsomme (t~10 -6 sek.) tredobbelt sammenfaldsmønster. Forsøget studerer afhængigheden af antallet af tredobbelte sammenfald af værdien af tidsforsinkelsen af pulsen inkluderet i den første kanal i det hurtige sammenfaldskredsløb. Typisk forsinkes pulsen ved hjælp af den såkaldte variable forsinkelseslinje LZ (fig. 8).

Forsinkelseslinjen skal forbindes nøjagtigt til den kanal, hvori g 1 kvantet detekteres, da det udsendes før g 2 kvantet. Som resultat af forsøget konstrueres en semi-logaritmisk graf over antallet af tredobbelte sammenfalds afhængighed af forsinkelsestiden (fig. 9), og ud fra denne bestemmes levetiden for det exciterede niveau. jeg(samme som ved bestemmelse af halveringstid ved brug af en enkelt detektor).

Ved at bruge scintillationstællere med en NaJ(Tl)-krystal og det betragtede hurtigt-langsom-sammenfaldsskema er det muligt at måle levetider på 10 -7 -10 -9 sek. Hvis du bruger hurtigere organiske scintillatorer, kan du måle kortere levetider for exciterede tilstande (op til 10 -11) sek).

Fig.9. Afhængighed af antallet af kampe på forsinkelsesværdien.

Detektion af gammafejl. Nuklear stråling, som har stor gennemtrængende kraft, bruges i stigende grad i teknologi til at opdage fejl i rør, skinner og andre store metalblokke. Til disse formål anvendes en g-strålingskilde og en g-stråledetektor. Den bedste detektor i dette tilfælde er en scintillationstæller, som har høj registreringseffektivitet. Strålingskilden placeres i en blybeholder, hvorfra en smal stråle af g-stråler kommer ud gennem et kollimatorhul, som oplyser røret. En scintillationstæller er installeret på den modsatte side af røret. Kilden og tælleren er placeret på en bevægelig mekanisme, der gør det muligt at flytte dem langs røret og også dreje rundt om dets akse. Passerer gennem rørmaterialet, vil strålen af g-stråler blive delvist absorberet; hvis røret er homogent, vil absorptionen være den samme overalt, og tælleren vil altid registrere det samme antal (i gennemsnit) g-kvanter pr. tidsenhed, men hvis der er en skal et sted i røret, så -stråler vil blive absorberet mindre på dette sted, tællehastigheden vil stige. Pladsen af vasken vil blive afsløret. Der er mange eksempler på sådan brug af scintillationstællere.

Eksperimentel påvisning af neutrinoer. Neutrinoer er de mest mystiske af elementarpartikler. Næsten alle egenskaber ved neutrinoer er opnået fra indirekte data. Den moderne teori om b-henfald antager, at neutrinomassen m n er nul. Nogle eksperimenter tyder på, at... Neutrinospin er 1/2, magnetisk moment<10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (n-частица). При электронном распадеиспускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

Skabelsen af atomreaktorer, hvor der dannes et meget stort antal kerner med et overskud af neutroner, har givet håb om at opdage antineutrinoer. Alle neutronrige kerner henfalder med emission af elektroner og følgelig antineutrinoer. I nærheden af en atomreaktor med en effekt på flere hundrede tusinde kilowatt er antineutrino-fluxen 10 13 cm -2 · sek -1 - et flow med enorm tæthed, og ved at vælge en passende antineutrino-detektor kunne man forsøge at detektere dem. Et sådant forsøg blev gjort af Raines og Cowan i 1954. Forfatterne brugte følgende reaktion:

n + s ® n + e + (1)

Produktpartiklerne af denne reaktion er en positron og en neutron, som kan registreres.

En væskescintillator med et volumen på ~1 m 3, med et højt hydrogenindhold, mættet med cadmium. Positroner opstået i reaktion (1) blev tilintetgjort i to g-kvanter med en energi på 511 kev hver forårsagede fremkomsten af den første scintillator flash. Neutronen bremsede inden for få mikrosekunder og blev fanget af cadmium. Under denne fangst med cadmium blev der udsendt adskillige g-stråler med en samlet energi på omkring 9 Mev. Som et resultat opstod der et andet blink i scintillatoren. De forsinkede sammenfald af de to pulser blev målt. For at registrere blink var væskescintillatoren omgivet af et stort antal fotomultiplikatorer.

Tællehastigheden af forsinkede tilfældigheder var tre tællinger i timen. Ud fra disse data blev det fundet, at reaktionstværsnittet (fig. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10 -43 cm 2, som er tæt på den beregnede værdi.

I øjeblikket bruges meget store væskescintillationstællere i mange forsøg, især i forsøg med måling af gammastrålestrømme udsendt af mennesker og andre levende organismer.

Registrering af fissionsfragmenter. Gasscintillationstællere har vist sig praktiske til registrering af fissionsfragmenter.

Typisk udføres et eksperiment for at studere fissionstværsnittet som følger: et lag af det element, der undersøges, påføres et eller andet substrat og bestråles med en neutronflux. Jo mere fissilt materiale der bruges, jo flere fissionsbegivenheder vil der naturligvis forekomme. Men da fissile stoffer (for eksempel transuranelementer) normalt er a-emittere, bliver deres anvendelse i betydelige mængder vanskelig på grund af den store baggrund fra a-partikler. Og hvis fissionsbegivenheder studeres ved hjælp af pulserede ioniseringskamre, så er det muligt at overlejre pulser fra a-partikler på pulser, der stammer fra fissionsfragmenter. Kun en enhed med bedre tidsopløsning vil tillade brugen af store mængder fissilt materiale uden at overlejre impulser på hinanden. I denne henseende har gasscintillationstællere en væsentlig fordel i forhold til pulserede ioniseringskamre, eftersom pulsvarigheden af sidstnævnte er 2-3 størrelsesordener længere end for gasscintillationstællere. Amplituderne af impulser fra fissionsfragmenter er meget større end dem fra a-partikler og kan derfor let adskilles ved hjælp af en amplitudeanalysator.

En meget vigtig egenskab ved en gasscintillationstæller er dens lave følsomhed over for g-stråler, da fremkomsten af tunge ladede partikler ofte ledsages af en intens flux af g-stråler.

Selvlysende kamera. I 1952 var sovjetiske fysikere Zavoisky og andre de første til at fotografere spor af ioniserende partikler i selvlysende stoffer ved hjælp af følsomme elektron-optiske omformere (EOC'er). Denne partikeldetektionsmetode, kaldet et fluorescerende kamera, har høj tidsopløsning. De første forsøg blev udført under anvendelse af en CsJ(Tl)-krystal.

Senere blev plastscintillatorer i form af lange tynde stænger (tråde) brugt til at lave et selvlysende kammer. Trådene er stablet i rækker, så trådene i to tilstødende rækker er placeret vinkelret på hinanden. Dette giver mulighed for stereoskopisk observation for at rekonstruere partiklernes rumlige bane. Billeder fra hver af de to grupper af indbyrdes vinkelrette filamenter sendes til separate elektron-optiske omformere. Trådene spiller også rollen som lysledere. Lys gives kun af de tråde, som partiklen krydser. Dette lys kommer ud gennem enderne af de tilsvarende tråde, som er fotograferet. Systemer fremstilles med diametre af individuelle gevind fra 0,5 til 1,0 mm.

Litteratur :

1. J. Birks. Scintillationstællere. M., IL, 1955.

2. V.O. Vyazemsky, I.I. Lomonosov, V.A. Ruzin. Scintillationsmetode i radiometri. M., Gosatomizdat, 1961.

3. Yu.A. Egorov. Stintillationsmetode for gammastråling og hurtig neutronspektrometri. M., Atomizdat, 1963.

4. P.A. Tishkin. Eksperimentelle metoder inden for kernefysik (nukleare strålingsdetektorer).

Leningrad University Publishing House, 1970.

5 G.S. Landsberg. Elementær lærebog i fysik (bind 3, Nauka, 1971).

1.1 Funktionsprincip for en scintillationstæller

Funktionsprincippet for en scintillationstæller er som følger: en ladet partikel, der passerer gennem en scintillator, sammen med ionisering af atomer og molekyler exciterer dem. Ved at vende tilbage til den uexciterede (grund)tilstand udsender atomerne fotoner. Det udsendte lys opsamles – i scintillatorens spektralområde – til en fotodetektor. Sidstnævnte bruges ofte som et fotomultiplikatorrør.

Fotomultiplikatorrøret er en glascylinder, evakueret til et resttryk på højst 10-6 mm Hg. Art., i hvis ende der er et gennemsigtigt fladt vindue, på hvis overflade, på siden af det evakuerede volumen, påføres et tyndt lag af et stof med en lavelektronarbejdsfunktion (fotokatode), normalt baseret på antimon og cæsium. Dernæst er der i det evakuerede rum en række elektroder - dynoder, hvortil en successivt stigende potentialforskel leveres ved hjælp af en spændingsdeler fra strømforsyningen. PMT-dynoder er lavet af et stof, der også har en lavelektronarbejdsfunktion. Når de bombarderes med elektroner, er de i stand til at udsende sekundære elektroner i mængder flere gange større end antallet af primære. Den sidste dynode er PMT-anoden. Hovedparameteren for en PMT er forstærkningen ved en bestemt strømforsyningstilstand. Typisk indeholder en fotomultiplikator ni eller flere dynoder og den primære strømforstærkning når 105-1010 gange for forskellige multiplikatorer, hvilket gør det muligt at opnå elektriske signaler med en amplitude fra volt til titusinder af volt.

Ris. 1. Blokdiagram over en scintillationstæller.

Fotoner, der rammer PMT-fotokatoden, slår elektroner ud som følge af den fotoelektriske effekt, hvilket resulterer i en elektrisk impuls ved PMT-anoden, som forstærkes yderligere af dynodesystemet på grund af mekanismen med sekundær elektronemission. PMT'ens anodestrømsignal - gennem en forstærker eller direkte - føres til indgangen på en måleenhed - en pulstæller, oscilloskop, analog-til-digital konverter osv. Amplituden og varigheden af udgangsimpulsen bestemmes af egenskaberne af både scintillatoren og fotomultiplikatoren.

I en række tilfælde observeres et stort antal impulser (sædvanligvis små i amplitude) ved udgangen af forstærkeren, der ikke er forbundet med detektering af nukleare partikler, nemlig impulser af selvstøjen fra fotomultiplikatoren og acceleratoren. For at eliminere støj mellem forstærkeren og pulstælleren tændes en integreret amplitudediskriminator, som kun sender de impulser, hvis amplituder er større end en vis tærskelspændingsværdi.

Påvisning af neutrale partikler (neutroner, γ-kvanter) sker gennem sekundært ladede partikler dannet under interaktionen mellem neutroner og γ-kvanter med scintillatoratomer.

q Funktionsprincip for en scintillationstæller

q Scintillatorer

q Fotomultiplikatorrør

q Design af scintillationstællere

q Egenskaber for scintillationstællere

q Eksempler på brug af scintillationstællere

q Referencer

SCINTILLATIONSTÆLLER

Metoden til at detektere ladede partikler ved at tælle lysglimt, der opstår, når disse partikler rammer en zinksulfid (ZnS) skærm er en af de første metoder til at detektere nuklear stråling.

Den visuelle scintillationsmetode blev efterfølgende primært brugt til at detektere a-partikler og protoner med energier på adskillige millioner elektronvolt. Det var ikke muligt at detektere individuelle hurtige elektroner, da de forårsager meget svage scintillationer. Nogle gange, når en zinksulfidskærm blev bestrålet med elektroner, var det muligt at observere blink, men dette skete kun, når et tilstrækkeligt stort antal elektroner samtidigt ramte den samme krystal af zinksulfid.

Gammastråler forårsager ingen blink på skærmen, hvilket kun skaber en generel glød. Dette gør det muligt at detektere a-partikler i nærvær af stærk g-stråling.

Den visuelle scintillationsmetode gør det muligt at detektere et meget lille antal partikler pr. tidsenhed. De bedste betingelser for at tælle scintillationer opnås, når deres antal ligger mellem 20 og 40 pr. minut. Naturligvis er scintillationsmetoden subjektiv, og resultaterne afhænger i en eller anden grad af forsøgslederens individuelle kvaliteter.

På trods af sine mangler spillede den visuelle scintillationsmetode en stor rolle i udviklingen af kerne- og atomfysik. Ved hjælp af det registrerede Rutherford a-partikler, da de blev spredt på atomer. Det var disse eksperimenter, der førte Rutherford til opdagelsen af kernen. For første gang gjorde den visuelle metode det muligt at detektere hurtige protoner, der blev slået ud af nitrogenkerner, når de blev bombarderet af a-partikler, dvs. første kunstige nuklear fission.

Den visuelle scintillationsmetode var af stor betydning indtil trediverne, hvor fremkomsten af nye metoder til registrering af atomstråling gjorde den glemt i nogen tid. Scblev genoplivet i slutningen af fyrrerne af det 20. århundrede på et nyt grundlag. På dette tidspunkt var der udviklet fotomultiplikatorrør (PMT'er), der gjorde det muligt at detektere meget svage lysglimt. Der er lavet scintillationstællere, ved hjælp af hvilke det er muligt at øge tællehastigheden med 10 8 eller endnu flere gange i forhold til den visuelle metode, og det er også muligt at registrere og analysere energien af både ladede partikler, neutroner og g-stråler.

§ 1. Driftsprincip for en scintillationstæller

Funktionsprincippet for en scintillationstæller er som følger. En ladet partikel, der kommer ind i en scintillator, ioniserer og exciterer sine molekyler, som efter meget kort tid (10 -6 - 10 -9 sek) går ind i en stabil tilstand og udsender fotoner. Der opstår et lysglimt (scintillation). Nogle af fotonerne rammer fotokatoden af fotomultiplikatoren og slår fotoelektroner ud fra den. Sidstnævnte, under påvirkning af spænding påført fotomultiplikatoren, fokuseres og rettes til den første elektrode (dynode) af elektronmultiplikatoren. Yderligere, som et resultat af sekundær elektronemission, stiger antallet af elektroner som en lavine, og en spændingsimpuls vises ved udgangen af fotomultiplikatoren, som derefter forstærkes og optages af radioudstyr.

Amplituden og varigheden af udgangsimpulsen bestemmes af egenskaberne af både scintillatoren og fotomultiplikatoren.

Følgende bruges som fosfor:

Ø organiske krystaller,

Ø flydende organiske scintillatorer,

Ø hård plast scintillatorer,

Ø gasscintillatorer.

De vigtigste egenskaber ved scintillatorer er: lysoutput, spektral sammensætning af stråling og scintillationsvarighed.

Lysoutputtet eller konverteringseffektiviteten af en scintillator c er forholdet mellem energien fra lysglimt, der kommer ud, og energiværdien E for den ladede partikel, der går tabt i scintillatoren,

hvor er det gennemsnitlige antal fotoner, der kommer ud, og er den gennemsnitlige fotonenergi. Hver scintillator udsender ikke monoenergetiske kvanter, men et kontinuerligt spektrum, der er karakteristisk for denne scintillator.

Det er meget vigtigt, at spektret af fotoner, der kommer ud fra scintillatoren, falder sammen eller i det mindste delvist overlapper med fotomultiplikatorens spektrale karakteristika.

Graden af overlapning af det eksterne scintillationsspektrum med spektralkarakteristikken. af en given fotomultiplikator bestemmes af matchingskoefficienten

Scintillationseffektivitet tager hensyn til både antallet af fotoner, der udsendes af en scintillator pr. enhed absorberet energi, og følsomheden af en given fotomultiplikator over for disse fotoner.

Typisk bestemmes scintillationseffektiviteten af en given scintillator ved sammenligning med scintillationseffektiviteten af en scintillator taget som standard.

Scintillationsintensiteten ændrer sig eksponentielt med tiden

hvor I 0 er den maksimale værdi af scintillationsintensitet; t 0 er henfaldstidskonstanten, defineret som den tid, hvori scintillationsintensiteten falder med en faktor på e.

Antallet af fotoner af lys n udsendt i løbet af tiden t efter at have ramt den detekterede partikel er udtrykt ved formlen

hvor er det samlede antal fotoner, der udsendes under scintillationsprocessen.

Processerne med luminescens (luminescens) af fosfor er opdelt i to typer: fluorescens og phosphorescens. Hvis luminescens opstår direkte under excitation eller over et tidsrum af størrelsesordenen 10-8 sekunder, så kaldes processen fluorescens. Intervallet på 10 -8 sek. blev valgt, fordi det i størrelsesorden er lig med levetiden for et atom i en exciteret tilstand for de såkaldte tilladte overgange.

Fosforescens refererer til luminescens, der fortsætter i lang tid efter ophør af excitation. Men hovedforskellen mellem fluorescens og phosphorescens er ikke varigheden af eftergløden. Fosforescens af krystalfosfor forekommer under rekombinationen af elektroner og huller skabt under excitation. I nogle krystaller kan eftergløden være forsinket på grund af, at elektroner og huller fanges i "fælder", hvorfra de først kan frigives efter at have modtaget den ekstra nødvendige energi. Derfor er afhængigheden af varigheden af phosphorescens af temperaturen indlysende. I tilfælde af komplekse organiske molekyler er phosphorescens forbundet med deres tilstedeværelse i en metastabil tilstand, sandsynligheden for overgang fra hvilken til grundtilstanden kan være lav. Og i dette tilfælde vil en afhængighed af phosphorescens-henfaldshastigheden af temperaturen blive observeret.

§ 2. Scintillatorer

Uorganiske scintillatorer. Uorganiske scintillatorer er krystaller af uorganiske salte. Praktiske anvendelser inden for scintillationsteknologi er hovedsageligt halogenidforbindelser af nogle alkalimetaller.

Processen med scintillationsforekomst kan repræsenteres ved hjælp af båndteorien for faste stoffer. I et individuelt atom, der ikke interagerer med andre, er elektroner placeret på veldefinerede diskrete energiniveauer. I et fast stof er atomer placeret i tæt afstand, og deres interaktion er ret stærk. Takket være denne interaktion splittes niveauerne af de ydre elektronskaller og danner bånd adskilt fra hinanden af båndgab. Det yderste tilladte bånd fyldt med elektroner er valensbåndet. Over det er en fri zone - ledningszonen. Mellem valensbåndet og ledningsbåndet er der et båndgab, hvis energibredde er flere elektronvolt.

Hvis der er nogen defekter, gitterforstyrrelser eller urenhedsatomer i krystallen, er det i dette tilfælde muligt at se elektroniske energiniveauer i båndgabet. Under ekstern påvirkning, for eksempel, når en hurtigt ladet partikel passerer gennem en krystal, kan elektroner bevæge sig fra valensbåndet til ledningsbåndet. Der vil være frie rum i valensbåndet, der har egenskaberne som positivt ladede partikler med en enhedsladning og kaldes huller.

større registreringseffektivitet af g-stråler (med store krystaller kan registreringseffektiviteten nå op på titusinder af procent);

kort varighed af scintillation (2,5 10 -7 sek);

en lineær sammenhæng mellem amplituden af pulsen og mængden af energi tabt af den ladede partikel.

Den sidste egenskab kræver en vis forklaring. Lysoutputtet fra scintillatoren er en vis afhængighed af den ladede partikels specifikke energitab.

Ris. 1. Afhængighed af lysudbytte

NaJ krystal (T1) på partikelenergi.

Ved meget store værdier er betydelige forstyrrelser i scintillatorens krystalgitter mulige, hvilket fører til fremkomsten af lokale quenching-centre. Denne omstændighed kan føre til et relativt fald i lysudbyttet. Faktisk indikerer eksperimentelle fakta, at for tunge partikler er udbyttet ikke-lineært, og den lineære afhængighed begynder kun at vise sig med en energi på flere millioner elektronvolt. I fig. Figur 1 viser kurverne for c versus E: kurve 1 for elektroner, kurve 2 for en partikel.

Ud over de angivne alkalihalogenidscintillatorer anvendes undertiden andre uorganiske krystaller: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4, CdWO 4 osv.

Økologiske krystallinske scintillatorer. Molekylære bindingskræfter i organiske krystaller er små sammenlignet med de kræfter, der virker i uorganiske krystaller. Derfor forstyrrer interagerende molekyler praktisk talt ikke hinandens elektroniske energiniveauer, og luminescensprocessen af en organisk krystal er en proces, der er karakteristisk for individuelle molekyler. I den elektroniske jordtilstand har molekylet flere vibrationsniveauer. Under påvirkning af detekteret stråling går molekylet i en exciteret elektronisk tilstand, som også svarer til flere vibrationsniveauer. Ionisering og dissociation af molekyler er også mulig. Som et resultat af rekombination af et ioniseret molekyle dannes det normalt i en exciteret tilstand. Det oprindeligt exciterede molekyle kan være ved høje excitationsniveauer og udsender efter kort tid (~10 -11 sek.) en højenergifoton. Denne foton absorberes af et andet molekyle, og en del af excitationsenergien af dette molekyle kan bruges på termisk bevægelse, og den efterfølgende udsendte foton vil have mindre energi sammenlignet med den forrige. Efter flere cyklusser med emission og absorption dannes der molekyler, der er i det første exciterede niveau; de udsender fotoner, hvis energi måske ikke længere er tilstrækkelig til at excitere andre molekyler, og således vil krystallen være gennemsigtig for den resulterende stråling.

Ris. 2. Afhængighed af lysudbytte

anthracen fra energi til forskellige partikler.

På grund af det faktum, at det meste af excitationsenergien bruges på termisk bevægelse, er lysudbyttet (konverteringseffektiviteten) af krystallen relativt lille og udgør flere procent.

Følgende organiske krystaller er mest udbredt til optagelse af nuklear stråling: anthracen, stilben, naphthalen. Anthracen har et ret højt lysudbytte (~4%) og en kort belysningstid (3 10 -8 sek.). Men når tunge ladede partikler detekteres, observeres en lineær afhængighed af scintillationsintensiteten kun ved ret høje partikelenergier.

I fig. Figur 2 viser grafer over afhængigheden af lysoutput c (i vilkårlige enheder) af energien af elektroner 1, protoner 2, deuteroner 3 og a-partikler 4.

Selvom stilben har et lidt lavere lysudbytte end anthracen, er dets scintillationsvarighed væsentligt kortere (7 10 -9 sek.) end anthracens, hvilket gør det muligt at bruge det i de forsøg, hvor registrering af meget intens stråling er påkrævet.

Plastikscintillatorer. Plastscintillatorer er faste opløsninger af fluorescerende organiske forbindelser i et passende transparent stof. For eksempel opløsninger af anthracen eller stilben i polystyren eller plexiglas. Koncentrationer af opløst fluorescerende stof er normalt lave og beløber sig til nogle få tiendedele procent eller nogle få procent.

Plastscintillatorer har betydelige fordele i forhold til organiske krystallinske scintillatorer:

Ø mulighed for at fremstille scintillatorer af meget store størrelser;

Ø muligheden for at indføre spektrumblandere i scintillatoren for at opnå bedre tilpasning af dens luminescensspektrum med fotokatodens spektrale karakteristika;

Ø muligheden for at indføre forskellige stoffer i scintillatoren, der er nødvendige i særlige eksperimenter (for eksempel ved undersøgelse af neutroner);

Ø mulighed for at anvende plastscintillatorer i vakuum;

kort belysningstid (~3 10 -9 sek.). Plastscintillatorer fremstillet ved at opløse anthracen i polystyren har det højeste lysudbytte. En opløsning af stilben i polystyren har også gode egenskaber.

Flydende organiske scintillatorer. Flydende organiske scintillatorer er opløsninger af organiske scintillationsstoffer i nogle flydende organiske opløsningsmidler.

Mekanismen for fluorescens i flydende scintillatorer ligner den mekanisme, der forekommer i faste scintillatoropløsninger.

De bedst egnede opløsningsmidler var xylen, toluen og phenylcyclohexan, og de scintillerende stoffer var p-terphenyl, diphenyloxazol og tetraphenylbutadien. Det højeste lysudbytte opnås af en scintillator fremstillet ved opløsning

p-terphenyl i xylen ved en koncentration af opløst stof på 5 g/l.

De vigtigste fordele ved flydende scintillatorer:

Ø mulighed for at producere store mængder;

Ø muligheden for at tilføre scintillatoren nødvendige stoffer i særlige forsøg;

Ø kort flash-varighed (~3 10 -9 sek).

Gasscintillatorer. Når ladede partikler passerede gennem forskellige gasser, blev forekomsten af scintillationer observeret i dem. Tunge ædelgasser (xenon og krypton) har det højeste lysudbytte. En blanding af xenon og helium har også et højt lysudbytte. Tilstedeværelsen af 10 % xenon i helium giver et lysudbytte, der er endnu større end rent xenon (fig. 3). Ubetydeligt små blandinger af andre gasser reducerer kraftigt intensiteten af scintillation i ædelgasser.

Ris. 3. Afhængighed af lysudbytte af gas

scintillator på forholdet mellem blandingen af helium og xenon.

Det blev eksperimentelt vist, at varigheden af flares i ædelgasser er kort (10 -9 -10 -8 sek), og intensiteten af flares i et bredt område er proportional med den tabte energi af de detekterede partikler og afhænger ikke af deres masse og ladning. Gasscintillatorer har lav følsomhed over for g-stråling.

Hoveddelen af luminescensspektret ligger i det fjerne ultraviolette område, så lyskonvertere bruges til at matche fotomultiplikatorens spektrale følsomhed. Sidstnævnte skal have en høj konverteringskoefficient, optisk transparens i tynde lag, lavt mættet damptryk samt mekanisk og kemisk stabilitet. Forskellige organiske forbindelser bruges hovedsageligt som materialer til lyskonvertere, for eksempel:

diphenylstilben (omdannelseseffektivitet ca. 1);

P1p'-quaterphenyl (~1);

antracen (0,34) osv.

Lyskonverteren påføres i et tyndt lag på fotomultiplikatorens fotokatode. En vigtig parameter for lyskonverteren er dens belysningstid. I denne henseende er organiske omdannere ganske tilfredsstillende (10 -9 sek. eller flere enheder pr. 10 -9 sek.). For at øge lysopsamlingen er de indvendige vægge af scintillatorkammeret sædvanligvis belagt med lysreflektorer (MgO, emalje baseret på titaniumoxid, fluoroplast, aluminiumoxid osv.).

§ 3. Fotomultiplikatorer

Hovedelementerne i en PMT er: fotokatode, fokuseringssystem, multiplikationssystem (dynoder), anode (kollektor). Alle disse elementer er placeret i en glasflaske, evakueret til højvakuum (10 -6 mm Hg).

Til nuklear strålingsspektrometriformål er fotokatoden normalt placeret på den indre overflade af den flade ende af fotomultiplikatorrøret. Et stof, der er tilstrækkeligt følsomt over for det lys, der udsendes af scintillatorer, vælges som fotokatodemateriale. De mest udbredte er antimon-cæsium-fotokatoder, hvis maksimale spektrale følsomhed ligger ved l = 3900-4200 A, hvilket svarer til maksimum af luminescensspektrene for mange scintillatorer.

Ris. 4. Skematisk diagram af en fotomultiplikator.

En af egenskaberne ved en fotokatode er dens kvanteudbytte, dvs. sandsynligheden for, at en fotoelektron bliver revet ud af en foton, der rammer fotokatoden. Værdien af e kan nå 10-20%. Fotokatodens egenskaber er også karakteriseret ved integralfølsomhed, som er forholdet mellem fotostrømmen (μA) og den lysstrøm, der falder ind på fotokatoden (lm).

Fotokatoden påføres glasset i form af et tyndt gennemskinneligt lag. Tykkelsen af dette lag er betydelig. På den ene side skal den for stor absorption af lys være betydelig, på den anden side vil de resulterende fotoelektroner, der har meget lav energi, ikke være i stand til at forlade det tykke lag, og det effektive kvanteudbytte kan vise sig at være lille. Derfor vælges den optimale tykkelse af fotokatoden. Det er også vigtigt at sikre en ensartet tykkelse af fotokatoden, så dens følsomhed er den samme over hele området. I scintillations g-ray spektrometri er det ofte nødvendigt at anvende solide scintillatorer af store størrelser, både i tykkelse og diameter. Derfor er der behov for at fremstille fotomultiplikatorer med store fotokatodediametre. I husholdningsfotomultiplikatorer fremstilles fotokatoder med en diameter fra flere centimeter til 15-20 cm. Fotoelektroner, der er slået ud af fotokatoden, skal fokuseres på den første multiplikationselektrode. Til dette formål anvendes et system af elektrostatiske linser, som er en række fokuseringsblænder. For at opnå gode timingkarakteristika for en fotomultiplikator er det vigtigt at skabe et fokuseringssystem, således at elektroner falder på den første dynode med minimal tidsspredning. Figur 4 viser et skematisk design af en fotomultiplikator. Højspændingen, der forsyner fotomultiplikatoren, er forbundet til katoden med dens negative pol og fordelt mellem alle elektroder. Potentialforskellen mellem katoden og membranen sikrer, at fotoelektroner fokuseres på den første multiplikationselektrode. Multiplikerende elektroder kaldes dynoder. Dynader er lavet af materialer, hvis sekundære emissionskoefficient er større end enhed (s>1). I husholdningsfotomultiplikatorer fremstilles dynoder enten i form af en trugform (fig. 4) eller i form af persienner. I begge tilfælde er dynoderne arrangeret i en linje. Et ringformet arrangement af dynoder er også muligt. PMT'er med et ringformet dynodesystem har bedre tidsegenskaber. Det emitterende lag af dynoder er et lag af antimon og cæsium eller et lag af specielle legeringer. Den maksimale værdi af s for antimon-cæsium-emittere opnås ved en elektronenergi på 350-400 eV, og for legeringsemittere - ved 500-550 eV. I det første tilfælde s= 12¸14, i det andet tilfælde s=7¸10. I fotomultiplikatorens driftstilstande er værdien af s noget mindre. En ret god sekundær emissionskoefficient er s=5.

Fotoelektroner fokuseret på den første dynode slår sekundære elektroner ud fra den. Antallet af elektroner, der forlader den første dynode, er flere gange større end antallet af fotoelektroner. Alle sendes til den anden dynode, hvor de også slår sekundære elektroner ud osv., fra dynode til dynode, antallet af elektroner stiger med s gange.

En vigtig egenskab ved en PMT er multiplikationsfaktoren M. Hvis værdien af s for alle dynoder er den samme (med komplet samling af elektroner på dynoderne), og antallet af dynoder er lig med n, så

s n = (Aue -Bu) n

A og B er konstante, u er elektronenergien. Multiplikationsfaktoren M er ikke lig med forstærkningsfaktoren M", som karakteriserer forholdet mellem strømmen ved udgangen af fotomultiplikatoren og strømmen, der forlader katoden

hvor C<1 - коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.

Meget vigtig er konstansen af forstærkningen M" af fotomultiplikatoren både i tid og når antallet af elektroner, der forlader fotokatoden, ændres. Sidstnævnte omstændighed tillader brugen af scintillationstællere som spektrometre for nuklear stråling.

Om interferens i fotomultiplikatorer. I scintillationstællere, selv i fravær af ekstern bestråling, kan der forekomme et stort antal impulser ved PMT-udgangen. Disse impulser har normalt små amplituder og kaldes støjimpulser. Det største antal støjimpulser skyldes udseendet af termionelektroner fra fotokatoden eller endda fra de første dynoder. For at reducere støjen fra en fotomultiplikator bruges dens køling ofte. Ved registrering af stråling, der skaber impulser med stor amplitude, indgår en diskriminator i registreringskredsløbet, som ikke tillader støjimpulser at passere igennem.

Ris. 5. Kreds til undertrykkelse af PMT-støj.

§ 4. Design af scintillationstællere

Følgende krav gælder for design af scintillationstællere:

Ø bedste samling af scintillationslys ved fotokatoden;

Ø ensartet fordeling af lys langs fotokatoden;

Ø dæmpning fra lys fra fremmede kilder;

Ø ingen påvirkning af magnetiske felter;

Ø stabilitet af PMT-forstærkningen.

Det er bedre at bruge lysledere med en stor krumningsradius. Lysledere gør det også muligt at forbinde scintillatorer og fotomultiplikatorer med forskellige diametre. I dette tilfælde anvendes kegleformede lysrør. PMT'en kobles med en væskescintillator enten gennem en lysleder eller ved direkte kontakt med væsken. Figur 6 viser et eksempel på kobling af en fotomultiplikator med en væskescintillator. I forskellige driftstilstande forsynes PMT med spænding fra 1000 til 2500 V. Da PMT-forstærkningen afhænger meget kraftigt af spændingen, skal forsyningsstrømkilden være godt stabiliseret. Derudover er selvstabilisering mulig.

PMT'en drives ved hjælp af en spændingsdeler, som gør det muligt at påføre det tilsvarende potentiale til hver elektrode. Strømforsyningens negative pol er forbundet til fotokatoden og til den ene ende af skillevæggen. Den positive pol og den anden ende af skillevæggen er jordet. Fordelingsmodstandene er valgt på en sådan måde, at den optimale driftstilstand for PMT opnås. For større stabilitet bør strømmen gennem deleren være en størrelsesorden højere end elektronstrømmene, der strømmer gennem PMT.

Ris. 6. Forbindelse af en fotomultiplikator med en væskescintillator.

1-væske scintillator;

3-lys beskyttelseskabinet.

Når scintillationstælleren arbejder i pulstilstand, vises korte (~10-8 sek.) impulser ved PMT-udgangen, hvis amplitude kan være flere enheder eller flere titusinder af volt. I dette tilfælde kan potentialerne ved de sidste dynoder opleve pludselige ændringer, da strømmen gennem deleren ikke har tid til at genopbygge ladningen, der føres væk fra kaskaden af elektroner. For at undgå sådanne potentielle udsving shuntes de sidste par modstande af divideren med kondensatorer. Ved at udvælge potentialerne på dynoderne skabes gunstige forhold for opsamling af elektroner på disse dynoder, dvs. et specifikt elektron-optisk system, der svarer til den optimale tilstand, implementeres.

Når potentialerne på PMT-dynoderne ændrer sig uforholdsmæssigt, ændres betingelserne for at fokusere elektroner i det område, hvor proportionaliteten er overtrådt. Denne omstændighed bruges til at selvstabilisere forstærkningen af fotomultiplikatoren. Til dette formål potentialet

Ris. 7. En del af delekredsløbet.

en af dynoderne i forhold til den foregående dynodes potentiale sættes konstant, enten ved hjælp af et ekstra batteri, eller ved hjælp af en yderligere stabiliseret divider. Figur 7 viser en del af delekredsløbet, hvor et ekstra batteri er forbundet mellem dynoderne D 5 og D 6 (U b = 90 V). For at opnå den bedste selvstabiliseringseffekt er det nødvendigt at vælge værdien af modstand R". Normalt er R" 3-4 gange større end R.

§ 5. Egenskaber ved scintillationstællere

Scintillationstællere har følgende fordele.

Høj tidsopløsning. Pulsvarigheden, afhængig af de anvendte scintillatorer, varierer fra 10 -6 til 10 -9 sek., dvs. flere størrelsesordener mindre end tællere med selvafladning, hvilket giver mulighed for meget højere tællehastigheder. En anden vigtig tidskarakteristik for scintillationstællere er den lille forsinkelse af pulsen, efter at den detekterede partikel passerer gennem fosfor (10 -9 -10 -8 sek.). Dette tillader brugen af tilfældighedsskemaer med kort opløsningstid (<10 -8 сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

Høj effektivitet af registrering af g-stråler og neutroner. For at registrere et g-kvante eller neutron er det nødvendigt, at de reagerer med detektorstoffet; i dette tilfælde skal den resulterende sekundært ladede partikel registreres af detektoren. Det er klart, at jo mere stof der er i vejen for g-stråler eller neutroner, jo større er sandsynligheden for deres absorption, jo større er effektiviteten af deres registrering. Ved anvendelse af store scintillatorer opnås i øjeblikket g-ray-detektionseffektivitet på flere titusinder procent. Effektiviteten af at detektere neutroner med scintillatorer med specielt indførte stoffer (10 V, 6 Li osv.) overstiger også langt effektiviteten ved at detektere dem ved hjælp af gasudladningstællere.

§ 6. Eksempler på anvendelse af scintillationstællere

Atomkerner kan være i en ophidset tilstand til forskellige tidspunkter. Der er forskellige metoder til at måle disse tider. Scintillationstællere har vist sig at være meget praktiske til at måle levetider på nuklear niveau fra flere sekunder til meget små brøkdele af et sekund. Som et eksempel på brugen af scintillationstællere vil vi overveje metoden med forsinket sammenfald. Lad kerne A (se fig. 10) transformere gennem b-henfald til kerne B i en exciteret tilstand, som afgiver sin overskydende energi til den sekventielle emission af to g-kvanter (g 1,g 2). Det er nødvendigt at bestemme levetiden for den exciterede tilstand I. Et præparat indeholdende isotop A er installeret mellem to tællere med NaJ(Tl)-krystaller (fig. 8). De impulser, der genereres ved PMT-udgangen, føres til et hurtigt koincidenskredsløb med en opløsningstid på ~10 -8 -10 -7 sek. Derudover føres impulserne til lineære forstærkere og derefter til amplitudeanalysatorer. Sidstnævnte er konfigureret på en sådan måde, at de transmitterer impulser med en vis amplitude. Til vores formål, dvs. med henblik på at måle levetiden for niveau I (se fig. 10), bør amplitudeanalysatoren AAI kun sende impulser svarende til energien af quanta g 1 og AAII analysatoren - g 2.

Fig. 8. Skematisk diagram til bestemmelse

levetid af exciterede tilstande af kerner.

Dernæst føres impulser fra analysatorerne, såvel som fra det hurtige koincidenskredsløb, til det langsomme (t~10 -6 sek.) triple koincidenskredsløb. Forsøget studerer afhængigheden af antallet af tredobbelte sammenfald af værdien af tidsforsinkelsen af pulsen inkluderet i den første kanal i det hurtige sammenfaldskredsløb. Typisk forsinkes pulsen ved hjælp af den såkaldte variable forsinkelseslinje LZ (fig. 8).

Forsinkelseslinjen skal forbindes nøjagtigt til den kanal, hvori g 1 kvantet detekteres, da det udsendes før g 2 kvantet. Som resultat af forsøget konstrueres en semi-logaritmisk graf over antallet af tredobbelte sammenfalds afhængighed af forsinkelsestiden (fig. 9), og ud fra denne bestemmes levetiden for det exciterede niveau I (på samme måde som udføres ved bestemmelse af halveringstiden ved hjælp af en enkelt detektor).

Ved at bruge scintillationstællere med en NaJ(Tl)-krystal og det betragtede hurtigt-langsomt sammenfaldsskema er det muligt at måle levetider på 10 -7 -10 -9 sek. Hvis du bruger hurtigere organiske scintillatorer, kan du måle kortere levetider for exciterede tilstande (op til 10 -11 sek.).

Fig.9. Afhængighed af antallet af kampe på forsinkelsesværdien.

Detektion af gammafejl. Nuklear stråling, som har stor gennemtrængende kraft, bruges i stigende grad i teknologi til at opdage fejl i rør, skinner og andre store metalblokke. Til disse formål anvendes en g-strålingskilde og en g-stråledetektor. Den bedste detektor i dette tilfælde er en scintillationstæller, som har høj registreringseffektivitet. Strålingskilden placeres i en blybeholder, hvorfra en smal stråle af g-stråler kommer ud gennem et kollimatorhul, som oplyser røret. En scintillationstæller er installeret på den modsatte side af røret. Kilden og tælleren er placeret på en bevægelig mekanisme, der gør det muligt at flytte dem langs røret og også dreje rundt om dets akse. Passerer gennem rørmaterialet, vil strålen af g-stråler blive delvist absorberet; hvis røret er homogent, vil absorptionen være den samme overalt, og tælleren vil altid registrere det samme antal (i gennemsnit) g-kvanter pr. tidsenhed, men hvis der er en skal et sted i røret, så -stråler vil blive absorberet mindre på dette sted, tællehastigheden vil stige. Pladsen af vasken vil blive afsløret. Der er mange eksempler på sådan brug af scintillationstællere.

Eksperimentel påvisning af neutrinoer. Neutrinoer er de mest mystiske af elementarpartikler. Næsten alle egenskaber ved neutrinoer er opnået fra indirekte data. Den moderne teori om b-henfald antager, at neutrinomassen m n er nul. Nogle eksperimenter tyder på, at... Neutrinospin er 1/2, magnetisk moment<10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (n-частица). При электронном распаде испускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

Skabelsen af atomreaktorer, hvor der dannes et meget stort antal kerner med et overskud af neutroner, har givet håb om at opdage antineutrinoer. Alle neutronrige kerner henfalder med emission af elektroner og følgelig antineutrinoer. Nær en atomreaktor med en effekt på flere hundrede tusinde kilowatt er antineutrino-fluxen 10 13 cm -2 sek -1 - en flux med enorm tæthed, og ved at vælge en passende antineutrino-detektor kunne man forsøge at detektere dem. Et sådant forsøg blev gjort af Raines og Cowan i 1954. Forfatterne brugte følgende reaktion:

n + p ® n + e + (1)

Produktpartiklerne af denne reaktion er en positron og en neutron, som kan registreres.

En væskescintillator med et volumen på ~1 m 3, med et højt brintindhold, mættet med cadmium, fungerede som detektor og samtidig brintmål. De positroner, der opstod i reaktion (1), blev annihileret til to g-kvanter med en energi på 511 keV hver og forårsagede fremkomsten af den første scintillator-flash. Neutronen bremsede inden for få mikrosekunder og blev fanget af cadmium. Under denne fangst med cadmium blev der udsendt adskillige g-kvanter med en samlet energi på omkring 9 MeV. Som et resultat opstod der et andet blink i scintillatoren. De forsinkede sammenfald af de to pulser blev målt. For at registrere blink var væskescintillatoren omgivet af et stort antal fotomultiplikatorer.

Tællehastigheden af forsinkede tilfældigheder var tre tællinger i timen. Ud fra disse data blev det fundet, at reaktionstværsnittet (fig. 1) s = (1,1 ± 0,4)10 -43 cm 2, hvilket er tæt på den beregnede værdi.

I øjeblikket bruges meget store væskescintillationstællere i mange forsøg, især i forsøg med måling af gammastrålestrømme udsendt af mennesker og andre levende organismer.

Registrering af fissionsfragmenter. Gasscintillationstællere har vist sig praktiske til registrering af fissionsfragmenter.

En meget vigtig egenskab ved en gasscintillationstæller er dens lave følsomhed over for g-stråler, da fremkomsten af tunge ladede partikler ofte ledsages af en intens flux af g-stråler.

Selvlysende kamera. I 1952 var sovjetiske fysikere Zavoisky og andre de første til at fotografere spor af ioniserende partikler i selvlysende stoffer ved hjælp af følsomme elektron-optiske omformere (EOC'er). Denne partikeldetektionsmetode, kaldet et fluorescerende kamera, har høj tidsopløsning. De første forsøg blev udført under anvendelse af en CsJ(Tl)-krystal.

Senere blev plastscintillatorer i form af lange tynde stænger (tråde) brugt til at lave et selvlysende kammer. Trådene er stablet i rækker, så trådene i to tilstødende rækker er placeret vinkelret på hinanden. Dette giver mulighed for stereoskopisk observation for at rekonstruere partiklernes rumlige bane. Billeder fra hver af de to grupper af indbyrdes vinkelrette filamenter sendes til separate elektron-optiske omformere. Trådene spiller også rollen som lysledere. Lys gives kun af de tråde, som partiklen krydser. Dette lys kommer ud gennem enderne af de tilsvarende tråde, som er fotograferet. Systemer fremstilles med en diameter af individuelle gevind fra 0,5 til 1,0 mm.

Litteratur:

1. J. Birks. Scintillationstællere. M., IL, 1955.

2. V.O. Vyazemsky, I.I. Lomonosov, V.A. Ruzin. Scintillationsmetode i radiometri. M., Gosatomizdat, 1961.

3. Yu.A. Egorov. Stintillationsmetode for gammastråling og hurtig neutronspektrometri. M., Atomizdat, 1963.

4. P.A. Tishkin. Eksperimentelle metoder inden for kernefysik (nukleare strålingsdetektorer).

Leningrad University Publishing House, 1970.

5 G.S. Landsberg. Elementær lærebog i fysik (bind 3, Nauka, 1971).

Fra LiJ sprøjtes pulverblandinger, f.eks. 1 vægtdel B2O3 og 5 vægtdele ZnS, direkte på PMT-vinduet; Blokdiagram af et scintillationsspektrometer kan også bruges. 1 - scintillator, 2 - fotomultiplikator, h - højspændingskilde, 4 - katodefølger, d - lineær forstærker, 6 - amplitude pulsanalysator, 7 - optageenhed. ZnS suspenderet...

Yderligere forøgelse af spændingen, N bør forblive konstant med yderligere stigende spænding indtil slutningen af Geiger-regionen. Dette fungerer naturligvis ikke perfekt; tværtimod har plateauet som følge af fremkomsten af individuelle falske udledninger en mere eller mindre udtalt jævn stigning. I målere, der opererer i proportionalområdet, er det muligt at opnå et næsten vandret plateau af karakteristikken. TIL...

Når man skriver en hvilken som helst isotop, er isotopens massenummer altid angivet først over linjen, og derefter symbolet på det kemiske grundstof, og de udtales omvendt: først grundstoffet, derefter isotopens masse. Forbindelser mærket med radioaktive isotoper er opdelt i to grupper af stoffer. For det første er disse specifikke kemiske forbindelser, hvor et atom (eller flere) er erstattet af et atom i en radioaktiv isotop af samme...

scintillationstæller, en enhed til optagelse af nuklear stråling og elementarpartikler (protoner, neutroner, elektroner, g-kvanter, mesoner osv.), hvis hovedelementer er et stof, der lyser under påvirkning af ladede partikler (scintillator), og fotomultiplikatorrør (FEU). Visuelle observationer af lysglimt (scintillationer) under påvirkning af ioniserende partikler (a-partikler, nukleare fissionsfragmenter) var kernefysikkens vigtigste metode i begyndelsen af det 20. århundrede. (cm. Spinthariskop ). Senere S. s. blev fuldstændig fortrængt ioniseringskamre Og proportionale tællere. Hans tilbagevenden til kernefysik skete i slutningen af 40'erne, hvor flertrins fotomultiplikatorer med høj forstærkning, der var i stand til at detektere ekstremt svage lysglimt, blev brugt til at optage scintillationer.

Driftsprincip for S. s. er som følger: en ladet partikel, der passerer gennem en scintillator, exciterer dem sammen med ionisering af atomer og molekyler. Ved at vende tilbage til den uexciterede (grund)tilstand udsender atomerne fotoner (se. Luminescens ). Fotoner, der rammer PMT-katoden, slår elektroner ud (se. Fotoelektron emission ), Som et resultat fremkommer en elektrisk impuls ved fotomultiplikatorens anode, som forstærkes yderligere og optages (se fig. ris. ). Påvisning af neutrale partikler (neutroner, gammastråler) sker gennem sekundært ladede partikler dannet under interaktionen mellem neutroner og gammastråler med scintillatoratomer.

Forskellige stoffer (faste, flydende, gasformige) bruges som scintillatorer. Plast, der er let at fremstille, mekanisk bearbejdet og giver en intens glød, er blevet udbredt. Et vigtigt kendetegn ved en scintillator er den del af energien af den detekterede partikel, der omdannes til lysenergi (konverteringseffektivitet h). Krystallinske scintillatorer har de højeste h-værdier: NaI, aktiveret Tl, anthracen og ZnS. En anden (ældgammel) vigtig egenskab er emissionstiden t, som bestemmes af levetiden ved exciterede niveauer. Intensiteten af gløden efter passagen af partiklen ændres eksponentielt: , Hvor jeg 0 - initial intensitet. For de fleste scintillatorer ligger t i området 10 –9 – 10 –5 sek. Plast har korte glødetider (tabel 1). Jo mindre t, jo mere hurtigvirkende S. kan laves.

For at et lysglimt kan registreres af en PMT, er det nødvendigt, at scintillatorens emissionsspektrum falder sammen med det spektrale følsomhedsområde for fotokatoden af PMT, og scintillatormaterialet er transparent for sin egen stråling. Til registrering langsomme neutroner Li eller B tilsættes scintillatoren For at detektere hurtige neutroner bruges brintholdige scintillatorer (se. Neutrondetektorer ). Til spektrometri af g-kvanter og højenergielektroner anvendes Nal (Tl), som har en høj tæthed og et højt effektivt atomnummer (se. Gammastråling ).

S. s. er fremstillet med scintillatorer i forskellige størrelser - volumener fra 1-2 mm 3 til 1-2 m 3 . For ikke at "tabe" det udsendte lys, er god kontakt mellem fotomultiplikatoren og scintillatoren nødvendig. I S. s. en lille scintillator er direkte limet til fotomultiplikatorens fotokatode. Alle andre sider er dækket af et lag af reflekterende stof (for eksempel MgO, TiO 2). I S. s. stor størrelse brug lysledere (normalt lavet af poleret organisk glas).

Fotomultiplikatorer beregnet til fotovoltaiske fotomultiplikatorer skal have en høj fotokatodeeffektivitet (op til 2,5%), en høj forstærkning (10 8 -10 8) og en kort elektronopsamlingstid (~ 10 -8 sek) med høj stabilitet på dette tidspunkt. Sidstnævnte gør det muligt at opnå S. tidsopløsning. 10-9 kr sek. Den høje forstærkning af fotomultiplikatoren, sammen med et lavt niveau af iboende støj, gør det muligt at optage individuelle elektroner slået ud fra fotokatoden. Signalet ved PMT-anoden kan nå 100 V.

Bord 1. - Karakteristika for nogle faste og flydende scintillatorer,

bruges i scintillationstællere

Stof	Massefylde, g/cm 3	Belysningstid, t, 10 -9 sek.	Konverteringseffektivitet h, % (for elektroner)
Krystaller
Anthracen C14H10
Stilbene C 14 H 12



Væsker
Løsning R-terphenyl i xylen (5 g/l) med tilsætning af POPOP 1 (0,1 g/l)
Løsning R-terphenyl i toluen (4 g/l) med tilsætning af POPOP (0,1 g/l)
Plast
Polystyren tilsat R-terphenyl (0,9%) og a-NPO2 (0,05 vægt%)
Polyvinyltoluen med tilsætning af 3,4 % R-terphenyl og 0,1 vægt% POPOP

1 POPOR - 1,4-di-benzen. 2 NPO - 2-(1-naphthyl)-5-phenyloxazol.

Fordele ved systemet: høj effektivitet af registrering af forskellige partikler (næsten 100%); ydeevne; evnen til at fremstille scintillatorer af forskellige størrelser og konfigurationer; høj pålidelighed og relativt lave omkostninger. Takket være disse egenskaber er S. s. meget brugt i kernefysik, partikelfysik og kosmiske stråler, i industrien (strålingsovervågning), dosimetri, radiometri, geologi, medicin osv. Ulemper ved S. s.: lav følsomhed over for lavenergipartikler (£ 1 kev), lav energiopløsning (se Scintillationsspektrometer ).

At studere ladede partikler med lav energi (< 0,1 Mev) og nukleare fissionsfragmenter, anvendes gasser som scintillatorer (tabel 2). Gasser har en lineær afhængighed af signalstørrelsen af partikelenergien i et bredt energiområde, virkningshastighed og evnen til at ændre standsekraften ved at ændre trykket. Derudover kan kilden indføres i volumenet af gasscintillatoren. Gasscintillatorer kræver dog høj gasrenhed og en speciel PMT med kvartsvinduer (en betydelig del af det udsendte lys ligger i det ultraviolette område).

Bord 2. - Karakteristika for nogle gasser, der anvendes som

scintillatorer i scintillationstællere (ved et tryk på 740 mm

Hg Kunst., for a-partikler med energi 4.7 Mev)

Belysningstid t,	Bølgelængde ved maksimum af spektret,	Konverteringseffektivitet n, %

Lit.: Birke J., Scintillationstællere, oversættelse (oversættelse) fra engelsk (engelsk), M., 1955; Kalashnikova V.I., Kozodaev M.S., Detektorer af elementarpartikler, i bogen: Experimental methods of nuclear physics, M., 1966; Ritson D., Eksperimentelle metoder i højenergifysik, oversættelse (oversættelse) fra engelsk (engelsk), M., 1964.

V. S. Kaftanov.

Scintillationstællerkredsløb: lyskvanter (fotoner) "slår ud" elektroner fra fotokatoden; bevæger sig fra dynode til dynode, multipliceres elektronlavinen.

En scintillationstæller er en kombination af en scintillator (phosphor) og et fotomultiplikatorrør (PMT). Tælleren omfatter også en strømforsyning til fotomultiplikatoren og radioudstyr, der giver forstærkning og registrering af fotomultiplikatorimpulser. Nogle gange sker kombinationen af fosfor med en fotomultiplikator gennem et specielt optisk system (lysleder). Funktionsprincippet for en scintillationstæller er som følger: en ladet partikel, der passerer gennem en scintillator, sammen med ionisering af atomer og molekyler exciterer dem. Ved at vende tilbage til den uexciterede (grund)tilstand udsender atomerne fotoner . Det udsendte lys opsamles – i scintillatorens spektralområde – til en fotodetektor. Sidstnævnte er ofte et fotomultiplikatorrør (PMT). Fotomultiplikatorrøret er en glascylinder, evakueret til et resttryk på højst 10-6 mmHg. Art., i hvis ende der er et gennemsigtigt fladt vindue, på hvis overflade, på siden af det evakuerede volumen, påføres et tyndt lag af et stof med en lavelektronarbejdsfunktion (fotokatode), normalt baseret på antimon og cæsium. Dernæst er der i det evakuerede rum en række elektroder - dynoder, hvortil en successivt stigende potentialforskel leveres ved hjælp af en spændingsdeler fra strømforsyningen. PMT-dynoder er lavet af et stof, der også har en lavelektronarbejdsfunktion. Når de bombarderes med elektroner, er de i stand til at udsende sekundære elektroner i mængder flere gange større end antallet af primære. Den sidste dynode er PMT-anoden. Hovedparameteren for en PMT er forstærkningen ved en bestemt strømforsyningstilstand. Typisk indeholder en fotomultiplikator ni eller flere dynoder og forstærkningen af primærstrømmen når 10 5 – 10 10 gange for forskellige multiplikatorer, hvilket gør det muligt at opnå elektriske signaler med en amplitude fra volt til titusinder af volt.

Ris. 1.9 Blokdiagram af en scintillationstæller

Fotoner, der rammer PMT-fotokatoden, slår elektroner ud som følge af den fotoelektriske effekt , Som et resultat fremkommer en elektrisk impuls ved fotomultiplikatorens anode, som forstærkes yderligere af dynodesystemet på grund af mekanismen med sekundær elektronemission. PMT'ens anodestrømsignal - gennem en forstærker eller direkte - føres til indgangen på en måleenhed - en pulstæller, oscilloskop, analog-til-digital konverter osv. Amplituden og varigheden af udgangsimpulsen bestemmes af egenskaberne af både scintillatoren og fotomultiplikatoren.

Fordele ved en scintillationstæller: høj effektivitet af registrering af forskellige partikler; ydeevne; evnen til at fremstille scintillatorer af forskellige størrelser og konfigurationer; høj pålidelighed og relativt lave omkostninger. På grund af disse kvaliteter anvendes scintillationstællere i vid udstrækning inden for kernefysik (for eksempel til måling af levetiden af exciterede tilstande af kerner, måling af fissionstværsnit, registrering af fissionsfragmenter med gasscintillationstællere), partikelfysik og kosmiske stråler (f.eks. eksperimentel påvisning af neutrinoer) , i industrien (detektion af gammafejl, strålingsovervågning), dosimetri (måling af γ-strålingsfluxer udsendt af mennesker og andre levende organismer), radiometri , geologi, medicin mv. Ulemper ved en scintillationstæller: lav følsomhed over for lavenergipartikler (1 keV), lav energi opløsning . Næsten alle fosfor er egnede til registrering af ladede partikler med scintillationstællere Faste fosfor såsom organiske enkeltkrystaller eller plast er mere bekvemme. Den største vanskelighed, der opstår ved registrering af ladede partikler og især tunge, er at sikre, at partikler trænger ind i fosfor.

Fosfor er normalt pakket i en metalbeholder, hvis vægge muligvis ikke tillader partikler at passere igennem. Derfor optages tunge partikler normalt med enklere detektorer - et ioniseringskammer eller en proportional tæller. Elektroner registreres med scintillationstællere i tilfælde, hvor god opløsningstid er påkrævet. De vigtigste phosphorstoffer er normalt organiske enkeltkrystaller af anthracen, stilben eller plast. Effektiviteten af at detektere ladede partikler med en scintillationstæller er tæt på 100 %. Scintillationstællere bruges særligt bredt til registrering af y-stråling. Ud over en god opløsningstid har en sådan detektor en meget højere effektivitet for γ-stråler end en Geiger-Müller-tæller. I nogle tilfælde er det muligt at sikre næsten 100 % detektion af γ-stråling. Effektiviteten af en scintillationstæller for γ-stråler afhænger af materialet og tykkelsen af fosforen. Interaktionen mellem γ-kvanter og fosforstof bestemmes af elektrondensiteten og energien af γ-kvanter. Derfor registreres y-stråling mest effektivt af scintillationstællere med fosfor, der har en høj densitet og et højt gennemsnitligt atomnummer Z. Sådanne fosfor omfatter uorganiske enkeltkrystaller NaI(Tl), CsI(Tl), KI(Tl). Med mindre effektivitet registreres γ-stråling af flydende fosfor og plast som et resultat af neutroners interaktion med atomkerner. For at registrere langsomme reaktioner bruges kernereaktioner: spaltning af lette kerner under påvirkning af neutroner [ 10V(n,α )7Li, 6Li(n,α )3H Og 3He(n, p)1H ] med registrering af a-partikler og protoner; fission af tunge kerner med registrering af fissionsfragmenter; strålingsindfangning af neutroner af kerner (n, γ) med registrering af γ-kvanter, samt excitation af kunstig radioaktivitet. Til registrering af a-partikler, protoner og fissionsfragmenter anvendes ioniseringskamre og proportionaltællere, som er fyldt med gasformig BF3 og andre gasser indeholdende B eller 3H, eller deres vægge er dækket af et tyndt lag af fast B, Li eller fissile stoffer . Designet og dimensionerne af sådanne kameraer og målere er varierede. Proportional meter kan nå 50 mm i diameter og 2 m i længden. Neutrondetektorer indeholdende 10B eller 3He har den største effektivitet for termiske neutroner. Scintillationstællere bruges også til at registrere langsomme neutroner (på LiI-krystaller med en Eu-blanding, på scintillerende lithiumglas eller en blanding af borholdige stoffer og en ZnS-scintillator). Detektionseffektiviteten af hurtige neutroner med de anførte detektorer er hundredvis af gange mindre, så hurtige neutroner bremses først i en paraffinblok, der omgiver neutrondetektoren. Særligt udvalgt form og dimensioner af blokkene gør det muligt at opnå en næsten konstant effektivitet af neutrondetektion i energiområdet fra flere keV til 20 MeV (all-wave counter). Ved direkte detektering af neutroner med energier på ~100 keV anvendes sædvanligvis elastisk spredning af neutroner i brint eller helium, eller rekylkerner detekteres. Da sidstnævntes energi afhænger af neutronernes energi, gør sådanne neutrondetektorer det muligt at måle neutronernes energispektrum. Scintillationsneutrondetektorer kan også detektere hurtige neutroner fra rekylprotoner i organiske og brintholdige væskescintillatorer. Nogle tunge kerner, såsom 238U og 232Th, spaltes kun under påvirkning af hurtige neutroner. Dette gør det muligt at skabe tærskeldetektorer, der bruges til at registrere hurtige neutroner på baggrund af termiske._Nukleære fotografiske emulsioner bruges også til at registrere produkterne af nukleare reaktioner af neutroner med B- og Li-kerner, rekylprotoner og fissionsfragmenter. Denne metode er især praktisk i dosimetri, da den giver mulighed for at bestemme det samlede antal neutroner under bestråling. Under nuklear fission er energien i fragmenterne så stor, at de producerer mærkbar mekanisk skade. En af måderne at opdage dem på er baseret på dette: fissionsfragmenter bremses i glas, som derefter ætses med flussyre; som følge heraf kan spor af fragmenter observeres under et mikroskop. Excitation af kunstig radioaktivitet af neutroner bruges til at detektere neutroner, især ved måling af neutronfluxtæthed, da antallet af henfald (aktivitet) er proportional med neutronfluxen, der passerer gennem stoffet (aktivitetsmålinger kan foretages efter neutronbestrålingen er ophørt). Der er et stort antal forskellige isotoper, der bruges som radioaktive indikatorer for neutroner af forskellig energi E. I det termiske energiområde er 55Mn, 107Ag, 197Au mest almindelige: 55Mn ( E= 300 eV), 59Co ( E=100 eV), 103Rh, 115Tommer ( E= 1,5 eV), 127I ( E= 35 eV), 107Ag, 197Au ( E= 5 eV). I højenergiområdet anvendes 12C-tærskeldetektorer ( E= 20 MeV), 32S ( E= 0,9 MeV) og 63 Cu ( E= 10 MeV)._