Измерение радиоактивности с помощью твердых сцинтилляционных счетчиков

 
 
 
 
Рис. 2.  Зависимость светового выхода  
 
антрацена от энергии для различных частиц. 
Благодаря тому, что большая часть энергии возбуждения расходуется на тепловое движение, световой выход (конверсионная эффективность) кристалла сравнительно невелик и составляет несколько процентов. 
 
Для регистрации ядерных излучений наибольшее распространение получили следующие органические кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладает достаточно большим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3•10^-8 сек). Но при регистрации тяжелых заряженных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтилляции наблюдается лишь при довольно больших энергиях частиц. 
 
На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода c (в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2, дейтонов 3 и  a-частиц 4. 
 
Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым выходом, чем антрацен, но зато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (7•10^-9 сек), чем у антрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения. 
 
Пластмассовые сцинтилляторы. Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем прозрачном веществе. Например, растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе. Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов. 
 
Так как растворителя много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя. Энергия возбуждения в дальнейшем передается молекулам сцинтиллятора. Очевидно, что спектр испускания растворителя должен быть более жестким, чем спектр поглощения растворенного вещества, или по крайней мере совпадать с ним. Экспериментальные факты показывают, что энергия возбуждения растворителя передается молекулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма, т. е. молекулы растворителя испускают фотоны, которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества. Возможен и другой механизм передачи энергии. Так как концентрация сцинтиллятора мала, то раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора. 
 
Пластмассовые сцинтилляторы имеют значительные преимущества по сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами: 
 
Ø  возможность изготовления сцинтилляторов очень больших размеров; 
 
Ø  возможность введения в сцинтиллятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода; 
 
Ø  возможность введения в сцинтиллятор различных веществ, необходимых в специальных экспериментах (например, при исследовании нейтронов); 
Ø  возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме; 
 
малое время высвечивания (~3•10^-9 сек). Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцинтилляторы, приготовленные растворением антрацена в полистироле. Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле.

3. Фотоэлектронные  умножители 
 
Основными элементами ФЭУ являются: фотокатод, фокусирующая система, умножительная система (диноды), анод (коллектор). Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаченном до высокого вакуума ( 10^-6 мм рт.ст.). 
 
Для целей спектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ. В качестве материала фотокатода выбирается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при l= 3900¸4200 А, что соответствует, максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов. 
 
 
Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ. 
 
Одной из характеристик фотокатода является его квантовый выход в, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. Величина e может достигать 10-20%. Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм). 
 
Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Существенна толщина этого слоя. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым. Поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода. Существенно также обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади. В сцинтилляционной  g-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов. В отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15¸20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этой цели используется система электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом. На рис.4 приведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (s>1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жалюзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное расположение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обладают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов. Максимальное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350¸400 эв, а для   сплавных  эмиттеров — при 500¸550 эв. В первом     случае s= 12¸14, во втором s=7¸10. В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько меньше. Достаточно хорошим коэффициентом вторичной эмиссии является  s= 5. 
 
Фотоэлектроны, сфокусированные на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в s раз. 
 
При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5—7 порядков и попадает на анод — собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения. 
 
Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умножения М. Если значение s для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодов равно n 
, то

 
 
 
A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиления М', который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току, выходящему из катода 
 
М' = СМ, 
 
где С<1 — коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод. 
 
Очень важным является постоянство коэффициента усиления М'  ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электронов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектрометров ядерных излучений. 
 
О помехах в фотоумножителях. В сцинтилляционных счетчиках даже при отсутствии внешнего облучения возможно появление большого числа импульсов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют небольшие амплитуды и носят название шумовых. Наибольшее число шумовых импульсов обусловливается появлением термоэлектронов из фотокатода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации излучений, создающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы. 
 
 
 
 
Рис. 5. Схема для подавления шумов ФЭУ. 
 
1.    При регистрации импульсов, амплитуда которых сравнима с шумовыми, рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ, включенными в схему совпадений (рис. 5). В этом случае происходит временная селекция импульсов, возникших от регистрируемой частицы. В самом деле, вспышка света, возникшая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одновременно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в каждом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зарегистрированы схемой совпадений. Такой способ позволяет уменьшать собственный фон ФЭУ на 2—3 порядка. 
 
Число шумовых импульсов растет с ростом приложенного напряжения, сначала довольно медленно, затем возрастание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона является автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ. 
 
В районе анода, где плотность тока наибольшая, возможно возникновение свечения как остаточного газа, так и конструктивных материалов. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопровождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10^-8¸10^-7 сек. 
 

 
4. Конструкции сцинтилляционных  счетчиков

 
К конструкциям сцинтилляционных счетчиков  предъявляются следующие требования: 
 
Ø  наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде; 
 
Ø  равномерное распределение света по фотокатоду; 
 
Ø  затемнение от света посторонних источников; 
 
Ø  отсутствие влияния магнитных полей; 
 
Ø  стабильность коэффициента усиления ФЭУ. 

 
При работе со сцинтилляционными счетчиками всегда необходимо добиваться наибольшего  отношения амплитуды импульсов  сигнала к амплитуде шумовых  импульсов, что принуждает оптимально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе. Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический  контейнер, закрываемый с одного конца плоским стеклом. Между  контейнером и сцинтиллятором размещается  слой материала, отражающего свет и  способствующего наиболее полному  его выходу. Наибольшей отражательной  способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85—0,90), используется также алюминий (0,55—0,85). 
 
Особое внимание должно быть обращено на тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов. Так, например, наиболее часто используемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги желтеет и теряет свои сцинтилляционные свойства. 
 
Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковывать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все твердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилляции. Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт. 
 
В некоторых экспериментах, например при измерениях в вакууме, в магнитных полях, в сильных полях ионизирующих излучений сцинтиллятор не может быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ. В таких случаях для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод. В качестве светопроводов применяются полированные стержни из прозрачных материалов — таких, как люсит, плексиглас, полистирол, а также металлические или плексигласовые трубки, заполненные прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых экспериментах необходимо использовать изогнутые светопроводы. 
 
Лучше применять светопроводы с большим радиусом кривизны. Светопроводы позволяют также сочленять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров. При этом используются конусообразные светопроводы. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором производится либо через светопровод, либо непосредственным контактом с жидкостью. На рис.6 приведен пример сочленения ФЭУ с жидким сцинтиллятором. В различных режимах работы на ФЭУ подается напряжение от 1000 до 2500в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зависит от напряжения, то источник питающего тока должен быть хорошо стабилизирован. Кроме того, возможно осуществление самостабилизации. 
 
Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения, который позволяет подавать на каждый электрод соответствующий потенциал. Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов делителя. Положительный полюс и другой конец делителя заземляются. Сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптимальный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи, идущие через ФЭУ.

 
 
 
 
Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором. 
 
1—жидкий сцинтиллятор; 
 
2—ФЭУ;    
 
3—светозащитный кожух. 
 
При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном режиме на выходе ФЭУ возникают короткие (~10^-8 сек) импульсы, амплитуда которых может составлять несколько единиц или несколько десятков вольт. При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие изменения, так как ток через делитель не успевает восполнить заряд, уносимый с каскада электронами. Чтобы избежать таких колебаний потенциалов, несколько последних сопротивлений делителя шунтируются емкостями. За счет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная электроннооптическая система, соответствующая оптимальному режиму. 
 
В электроннооптической системе траектория электрона не зависит от пропорционального изменения потенциалов на всех электродах, образующих данную электроннооптическую систему. Так и в умножителе при изменении напряжения питания изменяется лишь коэффициент усиления его, но электроннооптические свойства остаются неизменными.  
 
При непропорциональном изменении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изменяются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал  
 
Рис. 7. Часть схемы делителя. 
 
одного из динодов по отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным, либо с помощью дополнительной батареи, либо с помощью дополнительно стабилизированного делителя. На рис.7 приведена часть схемы делителя, где между динодами D₅ и D₆ включена дополнительная батарея (U_б = 90 в). Для получения наилучшего эффекта самостабилизации необходимо подобрать величину сопротивления R'. Обычно R' больше R в 3— 4 раза. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

§ 5. Свойства сцинтилляционных счетчиков 
 
Сцинтилляционные счетчики обладают следующими достоинствами. 
 
Высокая разрешающая способность по времени. Длительность импульса в зависимости от используемых сцинтилляторов простирается от 10^-6 до 10^-9 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самостоятельным разрядом, что позволяет осуществлять намного большие скорости счета. Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10^-9—10^-8 сек). Это позволяет использовать схемы совпадений с малым разрешающим временем (<10^-8 сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений. 
 
Высокая эффективность регистрации 
 
g 
-лучей и нейтронов. Для регистрации g-кванта или нейтрона необходимо, чтобы они прореагировали с веществом детектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества на пути g-лучей или нейтронов, тем большей будет вероятность их поглощения, тем большей будет эффективность их регистрации. В настоящее время при использовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности регистрации g-лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенными веществами (¹⁰В, ⁶Li и др.) также намного превышает эффективность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков. 
 
Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения. В самом деле, для легких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе. 
 
С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным анализаторам, можно изучать спектры электронов и g-лучей. Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (a-частицы и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц. Это иллюстрируется графиками на рис.1 и 2. 
 
Возможность изготовления сцинтилляторов очень больших геометрических размеров. Это означает возможность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших энергий (космические лучи), а также частиц, слабо взаимодействующих с веществом (нейтрино). 
 
Возможность введения в состав сцинтилляторов веществ, с которыми с большим сечением взаимодействуют нейтроны. Для регистрации медленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленных нейтронов с ⁶Li идет реакция ⁶Li(n,a)³Н, в которой выделяется энергия в 4,8 Мэв.