5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Сцинтилляционный детектор с кристаллом NaJ(Nl)

1.Основные положения. Цель работы.

Сцитилляционный метод регистрации частиц основан на измере­нии интенсивности световых вспышек, возникающих в ряде веществ под действием излучения. Метод находит широкое применение как в научных, так и в прикладных задачах экспериментальной физики, медицины и других отраслей.

Сцинтилляции в веществах обусловлены электронными переходами в центрах свечения, которыми могут быть атомы, молекулы или более сложные образования. В качестве сцинтилляторов используется большой набор веществ в твердой, жидкой или газообразной фазе. Они характеризуются следующими основными параметрами: конверсионной эффективностью преобразования энергии частиц в световую энергию S_эф, временем высвечивания фотонов τ_0, эффективностью регистрации данного типа излучения S, разрешением по энергии ∆E_1/2.

Ниже приведены некоторые характеристики наиболее распространенных сцинтилляторов

Таблица 3.1

сцинтилляторы	плотность, г/см3	средний атомный номер	время высвеч., нс.	конверсионная эффективность для электронов	Sα / Sβ
NaJ(Tl) CsJ(Tl) ZnS(Ag) Антрацен Стильбен	3.67 4.51 4.09 1.25 1.16	32 54 23 6 6	250 700 1000 25 8	0.15 0.06 0.1 0.034 0.03	0.5 0.5 1.0 0.1 0.1

Конверсионная эффективность сцинтилляторов для частиц одного типа слабо зависит от энергии, но заметно отличается для частиц с разными удельными ионизационными потерями. В качестве примера в таблице приведена величина отношения конверсионных эффективностей α-частиц и электронов S_α/S_β для разных сцинтилляторов при облучении их частицами с одинаковой энергией.

Одним из основных преимуществ сцинтилляционных детекторов перед детекторами других типов является высокая эффективность регистрации ими γ - квантов и нейтронов. Так как S_γ возрастает с увеличением среднего атомного номера поглотителя, то для регистрации γ- квантов чаще всего используются кристаллы NaJ(Tl) и CsJ(Tl). По времени высвечивания эти сцинтилляторы значительно уступают органическим, однако для решения многих задач их временные характеристики можно считать удовлетворительными.

Для регистрации сцинтилляций и формирования электрического сигнала в сцинтилляционом детекторе используется фотоэлектронный умножитель ФЭУ, работа которого основана на фотоэлектрическом и вторично-эмиссионном преобразовании световой энергии в электричес­кий сигнал. Необходимым условием нормальной работы сцинтилляционного счетчика является соответствие спектра испускания сцинтиллятора спектральной характеристике фотокатода ФЭУ. В настоящее время разработано большое количество ФЭУ, которые можно разделить на амплитудные и временные. В амплитудных ФЭУ реализуется минимальный разброс выходных электрических сигналов по амплитудам, во временных – минимальный разброс времени пролёта электронов в динодной системе, который обеспечивается изохронностью их траек­торий.

При необходимости пространственного разделения сцинтиллятора и ФЭУ, в сцинтилляционном детекторе применяют оптические световоды из прозрачных пластмасс или полированного стекла, а также световоды из волоконно-оптических материалов.

Наиболее широкое применение сцинтилляционные детекторы нашли в спектрометрии γ-излучения в диапазоне энергий от 0.1 до 10 МэВ. В этой области энергий амплитудное распределение импульсов на вы­ходе сцинтилляционного детектора при регистрации моноэнергетическо­го γ-излучения имеет довольно сложный вид, обусловленный неодноз­начностью процессов взаимодействия γ-излучения с веществом, усло­виями облучения, геометрическими размерами и типом сцинтиллятора. В общем случае в распределении могут наблюдаться пик полного пог­лощения (фотопик), связанный с полным поглощением энергии γ-квантов, непрерывное распределение, обусловленное поглощением комптоновских электронов и вылетом из детектора вторичного γ-излучения, пики одиночного и двойного вылета аннигляционных γ-квантов при эффекте образования пар. Кроме того, на вид распределения могут влиять и другие причины. В частности, в амплитудном распределении может наблюдаться пик, связанный с обратным рассеянием γ-квантов на упаковке кристалла и колбе ФЭУ. Этот пик расположен в области энергий 200-250 кэВ и зависит от энергии падающего излучения.

Энергию регистрируемого γ-излучения определяют, как правило, по положению максимума пика полного поглощения или его центра тяжести. Этот пик чаще всего описывается распределением Гаусса. Основными характеристиками сцинтилляционнного детектора являются: функция отклика, энергетическое и временное разрешение, эффективность регистрации. При регистрации γ-излучения наряду с полной эффективностью регист­рации излучения часто пользуются таким параметром, как эффективность по пику полного поглощения S_фп, которая определяется как отношение числа импульсов в фотопике к полному числу частиц , попавших в детектор.

В настоящей работе исследуются зависимости основных характеристик сцинтилляционного детектора от некоторых факторов, а также определяются и анализируются параметры электрического импульса с анода ФЭУ.

2.Лабораторная установка.

Функциональная схема измерительной установки приведена на рис 3.1. Она включает сцинтилляционный блок детектирования, блок высоковольтного питания, контрольный осциллограф и плату спектрометра, установленную в компъютер типа IBM PC. В качестве детекторов используются два промышленных сцинтилляционных блока БДЭГ2-22 и 6931-20 с кристаллами NaJ(Tl) и ФЭУ-93.

Размеры сцинтилляторов составляют 30мм х Ǿ40мм и 100мм х 150мм. Схема включения ФЭУ представлена на рис.3.2. Характеристики блоков детектирования представлены в их техническом описании. Питание ФЭУ осуществляется от высоковольтного стабилизированного источника напряжения БНВ30-01, который в свою очередь запитывается от низковольтного источника питания БНН-08Ф. Отрицательный сигнал с анода ФЭУ (R_а=20 кОм) через согласующий резистор 50 Ом поступает на плату спектрометра, основу которого составляют: линейный спектрометрический усилитель с формирующими цепями, стабилизатором базовой линии и программно-регулируемым коэффициентом усиления (40-240); аналого-цифровой преобразователь АЦП с устройством статистического разравнивания неоднородностей уровней квантования, а также ряд дополнительных узлов, обеспечивающих высокие технические характеристики измерительного канала (схема точной временной привязки, инспектор наложений, счетчик мертвого времени и т.п.). Связь между платой спектрометра и IBM PC осуществляется через порт USB по стандартному протоколу. Программное обеспечение спектрометра позволяет настраивать его параметры, выводить, обрабатывать и сохранять получаемую информацию (амплитудное распределение сигналов). Оно установлено на IBM PC под именем ATS. Основные технические характеристики спектрометра представлены в приложении 1.

В качестве источников γ-излучений используется комплект образцовых спектрометрических источников ОСГИ, метрологические и ядерно-физические характеристики которых представлены в приложении 2.