Сцинтилляционный метод дозиметрии

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.

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 центром люминесценции L (рис. 3.7)

Поглощение энергии ионизирующего излучения приводит к переходу (1) электрона из валентной зоны в зону проводимости. Дырка, которая образуется в валентной зоне, переходит (2) на уровень L. Электрон притягивается (3) избыточным положительным зарядом этого уровня и рекомбинирует с дыркой.

Центр люминесценции переходит (4) в возбужденное состояние L* и возвращается излучательным переходом (5) в основное состояние.

Переход (5) сопровождается испусканием фотона с энергией, равной энергией возбуждения центра люминесценции L. 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.

Рис. 3.7. Механизм люминесценции неорганического сцинтиллятора:

1 - переход электрона из валентной зоны в зону проводимости; 2 - захват дырки центром люминесценции; 3 – рекомбинация электрона с дыркой на центре люминесценции; 4 – возбуждение центра; 5 - излучательный переход в основное состояние

Высвечивание органических сцинтилляторов объясняется внутримолекулярными процессами возбуждения одной из химических связей молекулы и не зависит от агрегатного состояния сцинтиллятора. Поэтому органические сцинтилляторы применяют не только в кристаллическом 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 смесь 10 % Xe и 90 % He. Из неорганических кристаллов наибольшее распространение получили NaJ, KJ, CsJ, активированные Tl (таллием) и Li, активированный Tl и Er (европием) или самарием Sm. В качестве органических сцинтилляторов используются антрацен, стильбен, нафталин, толан.

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, содержащем 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 ⁶Li(n,р)³H или ¹⁰B (n,р)⁷Li. К числу таких сцинтилляторов относятся LiJ (Tl) или жидкие кристаллы, в которые добавляются органические соединения бора, например, метилборат B(OCH₃)₃.

Современный сцинтилляционный детектор состоит (рис. 3.8) из двух основных частей: сцинтиллятора и ФЭУ, между которыми часто помещается световод. Для защиты от внешнего света сцинтиллятор и ФЭУ помещают в светонепроницаемый корпус, который одновременно служит для защиты ФЭУ от электрических 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 образуется в 2-3 раза больше электронов, которые направляются на следующий динод.

Рис. 3.8. Схема сцинтилляционного детектора:

1 - сцинтиллятор; 2 - световод; 3 - фотокатод; 4 - диафрагма;

5 - диноды; 6 - анод ФЭУ

Электрический заряд, собравшийся на аноде, вызывает импульс напряжения на нагрузке ФЭУ, при этом коэффициент умножения ФЭУ составляет 10^{5 _} 10⁶ . Таким образом, каждому попаданию заряженной частицы в сцинтиллятор будет соответствовать импульс напряжения на нагрузке ФЭУ.

Процессы, происходящие в сцинтилляционном детекторе, можно разделить на следующие стадии:

1) поглощение излучения в сцинтилляторе и образование заряженных частиц;

2) ионизация и возбуждение атомов и молекул сцинтиллятора заряженными частицами и излучение фотонов света;

3) собирание фотонов света на фотокатод ФЭУ;

4) поглощение фотонов света на катоде ФЭУ и выход фотоэлектронов;

5) фокусировка фотоэлектронов на первый эмиттер и электронное умножение.

Все эти процессы так или иначе сопровождаются внесением погрешности в процесс получения достоверной информации об измеряемой мощности дозы гамма-излучения.

При прохождении через сцинтиллятор энергия первичного излучения E_n, состоящего из заряженных частиц, возникших от первичного гамма-излучения, может быть поглощена полностью или частично А.

Поглощенная энергия А E_n зависит от соотношения толщины d сцинтиллятора и максимального пробега заряженной частицы в сцинтилляторе. Длина свободного пробега обусловлена природой и энергией частиц и тормозной способностью сцинтиллятора.

Полное поглощение энергии заряженной частицы в сцинтилляционном кристалле (т.е. А = 1) и 100 % эффективность регистрация частиц возможны в том случае, если толщина кристалла больше максимальной длины пробега r заряженной частицы (d > r).

При облучении сцинтиллятора гамма-излучением обычно только часть его энергии остается в кристалле и расходуется на образование заряженных частиц (вследствие большой проникающей способности гамма-излучения).

Доля поглощенной энергии в сцинтилляторе определяет эффективность регистрации энергии гамма-излучения кристаллом.

Итак, число заряженных частиц, создаваемых гамма-излучением в сцинтилляторе, и их энергия обусловлены энергией гамма-излучения E_n и процессом поглощения (при А = 1). Поглощенная энергия в сцинтилляторе E_n в основном расходуется на ионизацию атомов и возбуждение молекул.

Возбужденные молекулы и атомы кристалла вновь излучают энергию в виде фотонов света с энергией Е_ф. При этом спектр излучения различных сцинтилляторов не зависит от природы ионизирующих частиц и совпадает со спектром люминесценции, вызываемой ультрафиолетовым излучением, эффективность преобразования которого больше, чем в случае действия ионизирующих частиц.

Эффективность преобразования энергии заряженных частиц в световую энергию фотонов называется конверсионной эффективностью сцинтиллятора С_к (физический световой выход). Она определяется отношением энергии фотонов света Е_с, образующихся в сцинтилляторе, к поглощенной в нем энергии Е_п заряженных частиц или отношением энергии светового фотона Е_ф к средней энергии w_ср, затрачиваемой частицей на его создание:

С_к = n_ф*Е_ф/ Е_п = Е_ф/ w_ср,

где Е_ф = энергия фотонов света; n - число фотонов света; Е_с = n_ф*Е_ф.

Оставшаяся часть энергии Е_п = Е_ф тратится на переходы без испускания света.

Отношение световой энергии, выходящей из сцинтиллятора, к энергии, потерянной в нем частицей называется технической эффективностью, или техническим световым выходом. Техническая эффективность сцинтилляторов зависит от прозрачности сцинтиллятора к собственному излучению, от его толщины и посторонних примесей. У качественных сцинтилляторов техническая эффективность должна быть близка к конверсионной эффективности.