Расчет сцинтилляционного детектора

	СОДЕРЖАНИЕ
	ВВЕДЕНИЕ	3
1	Принцип работы детектора	4
1.1	Выбор детектора	9
2	Расчет  чувствительности детектора	10
3	Расчет энергетической зависимости  чувствительности сцинтилляционного  детектора, работающего в импульсном режиме	12
4	Заключение	16
	Приложение 1	17
	Приложение 2	18
	Список литературы	19

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Ядерные технологии и промышленное использование  источников ионизирующего излучения  находят все более широкое  применение в различных отраслях производства.

Одной из важных областей использования источников ионизирующих излучений является ядерная энергетика.

В свези с развитием ядерной промышленности возникла необходимость в контроле радиационной обстановки на различных объектах АЭС, для проведения радиационного контроля используют средства измерения ионизирующих излучений (дозиметры).

Сцинтилляционный метод  измерения ионизирующих излучений является одним из наиболее универсальных методов регистрации ионизирующих излучений. Он основан на способности ряда веществ излучать, в виде вспышек света часть энергии ионизирующего излучения, поглощенной в сцинтилляторе. Этот метод является одним из первых методов наблюдения и исследований ядерных излучений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принцип работы детектора

 

Сцинтилляционный метод ‒ основан на измерении числа сцинтилляций в веществе чувствительного объема сцинтилляционного детектора под воздействием ионизирующего излучения, так как взаимодействие излучения со средой сопровождается, помимо ионизации, возбуждения атомов и молекул среды. Возбужденные атомы (молекулы), переходят основное состояние, испускают кванты света. Эти кванты света и являются мерой ионизирующего излучения, воздействующего на детектор.

Современный сцинтилляционный детектор состоит из двух основных частей рисунок 1: сцинтиллятора и ФЭУ, между которыми часто помещается световод.

Рисунок 1 ‒ Сцинтилляционный блок детектирования гамма ‒ излучения

 

Для защиты от внешнего света  сцинтиллятор и ФЭУ помещают в  светонепроницаемый корпус, который  одновременно служит для защиты ФЭУ  от электронного излучения и магнитных  полей.

Попадая в сцинтиллятор, заряженная частица расходует часть  своей энергии на ионизацию и  возбуждение атомов сцинтиллятора. Часть поглощенной энергии ионизирующего  излучения в сцинтилляторе превращается в световую с испусканием фотонов. Фотоны достигают фотокатода, на котором в результате фотоэффекта образуются фотоэлектроны. Фотоэлектроны под действием электрического поля направляются на первый динод, где в результате вторичной электронной эмиссии на диноде образуются в 2 ‒ 3 раза больше электронов, которые направляются на следующий динод с большим потенциалом, который обеспечивает омный делитель. Электрический заряд, собравшийся на диноде, вызывает импульс напряжения на нагрузке ФЭУ, при этом коэффициент умножения ФЭУ составляет таким образом, каждому попаданию заряженной частицы в сцинтиллятор будет соответствовать импульс напряжения на нагрузке ФЭУ.

Механизм люминесценции  неорганических кристаллов объясняется  зонной моделью электронных энергетических уровней.

Люминесценция таких кристаллов связана с существованием примесных уровней в запрещенной зоне. Если примесный уровень является дырочной ловушкой, то он называется люминесценции .

Поглощение энергии ионизирующего излучения приводит к переходу  электрона из валентной зоны в зону проводимости. Дырка, которая образуется в валентной зоне, переходит на уровень . Электрон притягивается избыточным положительным зарядом этого уровня и рекомбинирует с дыркой. Центр люминесценции переходит в возбужденное состояние и возвращается излучающим переходом в основное состояние.

Переход  сопровождается испусканием фотона с энергией, равной энергии возбуждения центра люминесценции  . Поскольку энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны, для него кристалл является прозрачным. Люминесценция возникающая по данному механизму в отсутствие центров захвата электронов, называется сцинтилляцией, а люминесцирующие   вещества – неорганическими сцинтилляторами.

Высвечивание органических сцинтилляторов объясняется внутримолекулярными  процессами возбуждения одной из химических связей молекулы и не зависит  от агрегатного состояния сцинтиллятора. Поэтому органические сцинтилляторы применяются не только в состоянии, но так же в виде твердых и жидких растворов.

В качестве сцинтилляционных детекторов применяют неорганические и органические кристаллы, органические жидкие кристаллы и сцинтиллирующие пластмассы, а так же газовые сцинтилляторы гелий, аргон, криптон, ксенон и смеси 10% Xe и 90% He. Из неорганических кристаллов, наибольшее распространение получили NaI, KI, CsI, активированные таллием и литием, таллием и европием или самарием.

В качестве органических сцинтилляторов используется антрацен, стильбен, нафталин, талон. Следует учитывать, что гамма ‒ квант будет зарегистрирован в случае, если в результате взаимодействия его с веществом детектора образуется электрон, который вызовет сцинтилляцию.

При регистрации альфа ‒ частиц чаще всего используются кристаллы ZnS(Ag), толщина которых должна немного превышать пробег альфа ‒ частиц.

Нейтрон может быть зарегистрирован  только в том случае, если в результате его взаимодействия с веществом  сцинтиллятора образуется заряженная частица, которая вызовет сцинтилляцию. Регистрация быстрых нейтронов  производится путем счета протонов отдачи в сцинтилляторе, содержащий водород. Возможно применение, кроме  того, жидких сцинтилляторов или твердых  органических веществ, в которые  вводится ZnS. Для регистрации тепловых нейтронов могут быть использованы сцинтилляторы, содержащие Li или B, в которых под действием тепловых нейтронов происходят ядерные реакции или К числу таких сцинтилляторов относятся LiI(T1) или жидкие кристаллы, в которые добавляются органические соединения бора, например, метилборат.

Сцинтилляционный счетчик  представляет собой собственно сцинтилляционный детектор и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). ФЭУ служит для регистрации  фотовспышек, преобразование их в электрический  сигнал, и усиления электрического сигнала. Кроме того, для питания  ФЭУ в блок детектирования помещаются умножитель напряжения и согласующее  устройство для согласования выходной цепи блока детектирования и выходной цепи измерительного устройства. Все эти элементы блока детектирования размещаются в алюминиевом корпусе для недопущения попадания света на ФЭУ и уменьшения влияния магнитных полей работающих электрических устройств. Пример устройства детектирования представлен на рисунке.

Сцинтилляционные детекторы  получили широкое распространение  в аппаратуре радиационного контроля АЭС. Они применяются не только в  стационарной аппаратуре, но и в  переносной. Кроме того, широко применяются  в спектрометрических установках.[2]

 

 

1.  Выбор детектора

 

Выбор сцинтилляционного  детектора объясняется рядом преимуществ:

‒ возможность регистрации  любых видов ионизирующих излучений;

‒ высокой эффективностью сцинтилляционных счетчиков при регистрации гамма ‒ излучений, т.к. пробег светового луча в прозрачном сцинтилляторе во много раз превышает пробег образовавшегося электрона;

‒ разрешающая способность сцинтилляционных счетчиков на несколько порядков выше размещающей способности газоразрядных счетчиков;

‒ пропорциональная зависимость между энергией гамма ‒ кванта или   бета ‒ частиц и интенсивностью световой вспышки (амплитудой импульса тока на ФЭУ) позволяют использовать их для измерения энергии частиц (квантов гамма-излучения).

К недостаткам надо отнести:

‒ потребность в высоком постоянном напряжении для ФЭУ ;

‒ недостаточная надежность ФЭУ.

В качестве фотоумножителя выберем известный и часто применяемый ФЭУ-35,который имеет следующие основные характеристики:

‒ диаметр катода – 25мм;

‒ напряжение питания – 840В;

‒ максимальный выход тока – 50мкА;

‒ коэффициент усиления ‒ .

 

 

 

 

 

 

2 Расчет чувствительности детектора

 

Исходя из размеров катода применяем сцинтиллятор (его диаметр) равный 2.5см, толщину счетчика принимаем  равной 0,5 см.

Чувствительность сцинтилляционного  детектора в импульсном режиме рассчитывается исходя из формулы:

                                       _(2.1)

 

отсюда определим и

                                          _(2.2)

где

h и S ‒ высота и площадь торца сцинтиллятора, см и ;

‒ линейный коэффициент ослабления для материала сцинтиллятора ;

 ‒ массовый коэффициент передачи энергии для воздуха, ;

P – мощность дозы гамма ‒ излучения, Р/час.

Площадь торца сцинтиллятора  равна 

                                                                                    _(2.3)

Тогда, для образцовой энергии  чувствительности сцинтилляционного  счетчика max равна:

и

 

Определяем значение погрешности при  минимальной скорости счета

%                                                     (2.4)

где

      

  %

 

Определяем значение погрешности на  верхней границе счета

 %                                     (2.5)

 

где

с

 %

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет энергетической зависимости чувствительности сцинтилляционного детектора, работающего в импульсном режиме

 

Значение ЭЗЧ для некоторой  энергии  есть отношение чувствительности блока детектирования при этой энергии к чувствительности при образцовой энергии

Зависимость чувствительности блока детектирования от энергии  излучения ЭЗЧ – рассчитывается в энергетическом диапазоне от 0.01МэВ до 10 МэВ. Расчет производится для значений энергии, когда видно отсутствие излучений ЭЗЧ.

В качестве образцовой энергии  выбирается в соответствии с заданием энергия излучения радионуклида равна

Энергетическая зависимость  чувствительности детектора того или  иного вида рассчитывается по приведенным  ниже формулам.

Для сцинтилляционного детектора  в импульсном режиме:

                                        (3.1)

Результаты расчетов сведены  в таблицу 1 и представлены на графике 1. Для уменьшения погрешности, обусловленной ЭЗЧ, применяют фильтры из тяжелого материала, который сильно ослабляет мягкое и слабо-жесткое излучение, например, свинец.

При этом , где К_ф – коэффициент фильтрации

Рисунок 1 ‒ график энергетической зависимости чувствительности

 

Однако, при этом отрезается большая часть излучения с энергией гамма ‒ излучения до 8 МэВ. Можно сохранить энергетический диапазон, воздействующий на детектор, если в фильтре проделать отверстия. Как правило, подбирают несколько фильтров, чтобы уложиться в заданную погрешность и энергетический диапазон.

При этом выбирают соотношение  площади отверстия к площади  фильтра, тогда коэффициент фильтрации определяется по формуле:

                                           _(3.2)

При отсутствии отверстий, когда  , коэффициент фильтрации равен:

                                                        _(3.3)