![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
Характеристики сцинтилляционного детектора
Временные характеристики.
Время пролета электронов испытывает значительные отклонения из-за разброса скоростей электронов по величине и по направлению, а так же от их траекторий (из за недостаточной фокусировки).
Поэтому даже от мгновенной световой вспышки в сцинтилляторе на аноде ФЭУ будет возникать импульс растянутый до 10-8 – 10-9с, иначе говоря , ФЭУ обладает временным разрешением.
Для неорганических сцинтилляторов время высвечивания сравнительно велико (> 10-7c) флуктуации времени пролета электронов через ФЭУ не играет роли.
Для органических сцинтилляторов разрешающее время ФЭУ может оказаться сравнимым по величине со временем со временем высвечивания сцинтиллятора и необходимы ФЭУ специальной конструкции с временным разрешением 10-10с.
Энергетическое разрешение.
Амплитуда импульса на выходе ФЭУ может быть определена из соотношения:
где Е-энергия в эВ потерянная в сцинтилляторе заряженной частицей, е - заряд электрона, С - емкость анодной цепи, α - конверсионная эффективность сцинтиллятора, β - коэффициент учитывающий неполное собирание света на фотокатод, ε - эффективность фотокатода на 1 эв энергии света. С и заряд е постоянные величины. Остальные имеют разброс, что приводит к
распределению амплитуд импульсов.
Экспериментальной амплитудной разрешающей способностью сцинтилляционного спектрометра R называют отношение ширины распределения на половине высоты ΔА к средней амплитуде распределения при условии облучения сцинтиллятора моноэнергитическим облучением.
R = ΔА/A так как А~E, то R = ΔE/E (энергетическое разрешение)
Эффективность регистрации.
Для заряженных частиц эффективность регистрации близка к 100%, однако для взаимодействия с гамма-квантов надо учитывать фотоэффект , комптон эффект и эффект образования пар
Зависимость коэффициента поглощения μ для кристалла NaI(Tl) от энергии γ-из-лучения: μф – за счет фотоэффекта, μк – за счет комптон-эффекта, μп – за счет образования пар.
Рис.7 Блок схема сцинтилляционного спектрометра.
Примеры применения сцинтилляционных детекторов
В ядерной физике.
В медицина. 125I щитовидная железа, 99Tc откладывается в некоторых органах (печень).
В геофизике. Для поиска урансодержащих руд (γ- счетчики с кристаллом NaI(Tl) 50 объемом 50 л.) и нефтеносных содержащих уран скважин.
В космических исследованиях.
Гамма – дефектоскопия. Экспериментальное обнаружение нейтрино.
В радиохимии.
|
Черенковский счетчик
Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный с со сцинтилляционным счетчиком. Он регистрирует так называемое черенковское излучение – свечение, испускаемое заряженной частицей, которая движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Это явление аналогично ударной волне, возникающей в воздухе, когда снаряд летит быстрее звука. Это излучение было открыто П.А.Черенковым в 1934 г. и объяснено в 1937 г. И.Е. Таммом и И.М.Франком (все трое за это открытие удостоены Нобелевской премии в1958 г.). В любой преломляющей среде скорость света равна с/n, где с – скорость света в пустоте (3108 м/с), а n – показатель преломления среды. Таким образом, в стекле, показатель преломления которого равен 1,5, скорость света составляет всего лишь 2108 м/c. Любая частица, движущаяся в стекле с большей скоростью, будет испускать черенковское излучение. (Здесь нет противоречия с частной теорией относительности, согласно которой скорость любой частицы, независимо от среды, в которой она движется, не может превышать скорость света в пустоте.) Поэтому черенковский счетчик, чувствительное вещество которого имеет показатель преломления n, будет реагировать на частицы, скорости которых превышают с/n. Интенсивность свечения пропорциональна величине (1 – v2/c2n2), которая равна нулю при пороговом значении скорости с/n и быстро возрастает до максимального значения, когда скорость v регистрируемой частицы приближается к скорости света с. Особенность черенковского излучения состоит в том, что оно сосредоточено в переднем конусе относительно направления движения частицы. Угол при вершине конуса дается выражением
cos = v/cn.
Используя эту зависимость угла испускания от скорости, можно сконструировать счетчик, на катоде ФЭУ которого будет фокусироваться только излучение частиц, движущихся с определенной скоростью. Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее сцинтилляции. Поэтому при выборе чувствительного вещества для черенковского счетчика приходится ограничиваться материалами, в которых не происходят сцинтилляции. Обычно это вода и оргстекло. Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к скорости света, используются газы, показатель преломления которых очень близок к 1. Например, черенковский счетчик с воздухом при атмосферном давлении будет реагировать лишь на частицы со скоростями не менее 0,9997 с. Используется и зависимость сигнала черенковских счетчиков от скорости. Появление сигнала свидетельствует о прохождении заряженной частицы со скоростью, превышающей пороговую, а схема с двумя счетчиками позволяет выделить частицы, лежащие в узком интервале скоростей. Это дает возможность исследовать спектр частиц с высокими скоростями, а не только регистрировать их появление. Выходной сигнал сцинтилляционного счетчика, как и любого ионизационного прибора, почти постоянен для всех частиц со скоростями выше 2108 м/с (0,67 скорости света).
Черенковское
излучение является совместным излучением
множества атомов среды, расположенных
вдоль траектории движения частицы и
поляризованных её электрическим полем.
Таким образом, непосредственно излучает
не частица, а среда. Волновой фронт этого
излучения представляет собой поверхность
конуса, вершиной которого является
частица, а осью – её траектория. Угол
раствора конуса фиксирован и определяется
скоростью частицы и свойствами среды.
Ситуация похожа на ту, которая возникает
на поверхности воды при движении катера.
Катер, выполняющий в этом примере роль
частицы, создает волну возмущения водной
поверхности, фронт которой образует
острый угол, вершиной которого является
катер.
Энергия частицы,
конвертируемая в черенковское излучение,
мала по сравнению с энергией, которую
она тратит на ионизацию и возбуждение
атомов среды. Число фотонов, излучаемых
на 1 см пути, в зависимости от среды
(радиатора) колеблется от нескольких
единиц до нескольких сот. Это излучение
можно наблюдать визуально и регистрировать
с помощью фотоплёнки или фотоэлектронного
умножителя (ФЭУ), преобразующего энергию
излучения в электрический сигнал. На
цветной фотоплёнке, расположенной
перпендикулярно направлению движения
частицы, излучение, выходящее из
радиатора, имеет вид кольца сине-фиолетового
цвета.
Черенковский
детектор состоит из прозрачного радиатора
(он может быть твёрдым, жидким или
газообразным), оптической системы,
обеспечивающей “сбор и доставку”
черенковских фотонов к ФЭУ и самих ФЭУ.
Длительность сигнала черенковского
счетчика
10-9
сек.
Зависимость угла
излучения
от
=
v/c позволяет, определяя этот угол, найти
скорость и энергию частицы. С помощью
черенковского детектора можно
регистрировать частицы с энергиями
вплоть до 100 ГэВ.
Черенковский счетчик позволяет эффективно
выделять высокоэнергичные релятивистские
частицы на уровне большого фона
низкоэнергичных частиц.
Рис. Схема черенковского счётчика: слева – конус черенковского излучения, справа – устройство счётчика. 1 - частица, 2 - траектория частицы, 3 - фронт волны, 4 - радиатор, 5 - ФЭУ (показано развитие лавины вторичных электронов, вызванное фотоэлектроном), 6 - фотокатод. |
Ядерные фотоэмульсии
Впервые с возможностью регистрации ядерных излучений фотографическим методом столкнулся А. Беккерель, открывший в 1896 г. с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Но по настоящему в практику субатомных исследований этот метод вошёл в конце сороковых годов прошлого века после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем (эта работа была отмечена Нобелевской премией). Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм, но в отличие от последних имеют существенно бoльшую толщину - до нескольких сотен микрон (толщина обычных эмульсий 10 мкм). Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующей проявке в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до 1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.