2.2.3 Сцинтилляционный метод

Является одним из наиболее распространенных люминесцентных методов. Основой метода является следующее явление. При прохождении через вещество детектора ионизирующего излучения происходит ионизация, и возбуждение атомов и молекул они переходят в возбужденное состояние, а при возвращении в основное состояние они испускают световое излучение, спектр которого зависит от структуры энергетических уровней атомов и молекул вещества. Такая вспышка света может также появиться и при прохождении через сцинтиллятор косвенно ионизирующего излучения (фотонов и нейтронов), то есть за счет вторичных частиц. В первом случае вспышка возникает благодаря электронам отдачи и фотоэлектронам. Во втором случае она появляется за счет ядер отдачи или заряженных частиц, появляющихся в результате, например, реакции (n, µ), (n, p). Вещества, в которых происходит описанный процесс, называют люминофорами или сцинтилляторами. Переход атомов и молекул в сцинтилляторе из возбужденного состояния в основное происходит за короткое время 10^-9 – 10^-5 с. Само явление называют люминесценцией или флуоресценцией.

Классификация детекторов люминесцентных методов.

1. По механизму возникновения световых вспышек. Основные варианты – следующие.

Флуоресценция – световая вспышка возникает в момент прохождения через детектор за время 10^-9 – 10^-5 с. Для усиления флуоресценции в неорганические сцинтилляционные детекторы (NaI, ZnS, CdS) вводятся атомы других веществ, называемых активаторами, это (Tl, Cu, Ag и др.) Если использован активатор то его указывают в скобках NaI(Tl), ZnS(Ag), CdS(Tl), активатор не является сцинтиллятором он образует центры флуоресценции. Флуоресценция используется в сцинтилляционном методе.

Другой вариант – фосфоресценция. В таких детекторах атомы и молекулы после восприятия энергии излучения переходят в метастабильное (возбужденное) состояние в котором они находятся длительное время, пока не получат добавочную энергию извне, например, в виде ультрафиолетового излучения. После этого атомы переходят в основное состояние с испусканием световых вспышек. Такие детекторы называют вспышечными сцинтилляторами, которые используются в люминесцентном методе, основанных на фосфоресценции.

2. По природе:

- неорганические детекторы (NaI, CsI, KI, LiI, ZnS, CdS и др.);

- органические детекторы (антроцен, стильбен, нафталин, терфенил и др.).

3. По способу приготовления:

- монокристаллы;

- тонкослойные (нанесенные на стекло или размещенные в прозрачной пластмассе);

- органическая пленка.

Наилучшие параметры имеют монокристаллы, но они сложны в использовании и гигроскопичны. Для увеличения срока службы их помещают в герметичные алюминиевые контейнеры с оптическим выходом. Однако контейнер затрудняет измерение малой проникающей способности и небольших энергий в этом случае используются жидкие сцинтилляторы, растворенные в каком либо растворителе.

4. По агрегатному состоянию:

- твердые;

- жидкие;

- газообразные.

Например, как газообразный сцинтиллятор используют чистый ксенон.

5. По виду регистрируемого излучения:

- альфа-частицы;

- бета-частицы.

Основные характеристики сцинтилляционных детекторов.

Важнейшей характеристикой является конверсионная эффективность h_к это отношение энергии световых фотонов Е_ф к энергии заряженной частицы Е_п поглощенной в сцинтилляторе

h_к = Е_ф / Е_п

Величина h_к зависит от типа сцинтиллятора и находится в пределах от 0,01 до 0,3.

Примечание. Из выражения для h_к получается, что число фотонов n_ф равно:

где: - средняя энергия фотона.

Максимальный выход фотонов у NaI(Tl).

Следующая характеристика – световой выход c равный отношению числа фотонов световой вспышки к энергии заряженной частицы поглощенной в сцинтилляторе:

Третья характеристика – время высвечивания t. Это среднее время жизни, которое характеризует время пребывания атомов и молекул сцинтиллятора на возбужденных уровнях Оно, как указывалось, находиться в интервале 10^-9 – 10^-5 с.

Сравнение свойств различных сцинтилляторов имеется в [8], [11] и других источниках.

Совокупность сцинтилляционного детектора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) представляет собой сцинтилляционный счетчик (рис. 13, 14).

Рис. 13, 14. Сцинтилляционный счетчик

Механизм действия счетчика следующий. Вспышка света, возникающая под действием ионизирующего излучения, попадает на чувствительный слой фотокатода ФЭУ, часто – сурьмяно-цезиевый (Sb-Cs). Происходит фотоэффект, то есть из фотокатода выбиваются фотоэлектроны. С помощью фокусирующего электрода фотоэлектроны попадают на первый динод, из которого они выбивают в результате вторичной эмиссии дополнительные электроны. Фотоэлектроны и дополнительные электроны поступают на следующий динод и опять происходит дальнейшее увеличение потока электронов. Таким образом, в ФЭУ происходит умножение электронов, то есть усиление электронного потока. С последнего динода электроны попадают на анод и т.д. ФЭУ имеет до 15 динодов, а коэффициент усиления достигает до 10⁶. Требуется хороший оптический контакт сцинтиллятора с фотокатодом ФЭУ. Для этих целей используется жидкость, имеющая показатель преломления, близкий к таковому у стеклянного баллона ФЭУ. Это может быть вазелиновое или кедровое масло.

Особенности регистрации нейтронов сцинтилляционными счетчиками следующая. При упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода или других заряженных частиц, например, альфа-частиц, образующихся при ядерных реакциях, возникают протоны отдачи. По их количеству и можно судить о нейтронном потоке. Упругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов. Рассеяние на заряженных частицах, образующихся при ядерных реакциях характерно для тепловых нейтронов.

Быстрые нейтроны регистрируются по протонам отдачи с помощью неорганических кристаллов, например, ZnS(Ag) в водородосодержащей оптически прозрачной среде в частности – оргстекле. Возможно применение и слоистых детекторов, в которых слой ZnS(Ag) толщиной 10 мг на 1 см² наносится на тонкую пластинку из водородосодержащего вещества. Благодаря малой толщине слоя ZnS(Ag) импульсы от гамма-излучения значительно меньше чем от протонов отдачи и легко отсекаются дискриминатором. Для регистрации быстрых нейтронов могут быть использованы и органические сцинтилляторы, так как при взаимодействии с нейтронами в них непосредственно образуются протоны отдачи. Использование этих сцинтилляторов для регистрации быстрых нейтронов целесообразно если энергия нейтронов значительно больше энергии гамма-излучения. Дело в том, что органические сцинтилляторы эффективно регистрируют и нейтроны и гамма-излучение, обычно сопровождающий нейтронный поток. Для регистрации холодных и тепловых нейтронов используются реакции Li⁶(n,d)H³, B¹⁰(n, d)Li⁷. Для регистрации холодных нейтронов также может быть использован ZnS(Ag) или LiF. Нейтроны промежуточных энергий регистрируются теми же детекторами, что и тепловых.

Детектор промежуточных нейтронов помещают в замедлитель, например, в оргстекло в котором промежуточные нейтроны замедляются до тепловых энергий. Замедленные таким образом нейтроны попадают в детектор, где регистрируются сечением реакции для тепловых нейтронов. Для экранирования детекторов от наружных тепловых нейтронов замедлитель покрывают слоем кадмия Cd толщиной в 1 мм. Кадмий, как известно, имеет большое сечение поглощения тепловых нейтронов.