литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 19. Детекторы ионизирующих излучений

Для измерения г-лучей стенки, наоборот, делают толстыми (2—3 мм). Тогда ионизация газа в камере создается вторичными фотоэлектронами, покидающими стенки камеры под действием г-квантов. Такие камеры называют стеночными, а при малых габаритах — наперстковыми.

Для регистрации тепловых нейтронов внутреннюю поверхность камеры покрывают составом, содержащим изотопы U235 или В10, вступающие в ядерные реакции с тепловыми нейтронами.

Если камера работает в импульсном режиме, то центральный электрод может быть потенциальным (рис. 19.1), а внешний присоединен к «Земле».

Для связи с измерительной схемой потребуется высоковольтный конденсатор С1.

19.3.Газовые счетчики

Вгазовых счетчиках, работающих в области ВС и ДЕ (рис. 16.19, б) высокая чувствительность достигается за счет газового усиления первичной ионизации, вызванной какой-либо частицей. Отношение числа ионов, достигающих электроды, к первоначальному их количеству называют коэффициентом газового усиления. В эти области вольт-амперной характеристики можно перейти как за счет увеличения напряжения U, так и за счет уменьшения диаметра анода, в качестве которого часто используют тонкую металлическую нить.

Взависимости от характера используемого газового разряда счетчики можно разделить на два типа:

1)пропорциональные счетчики (с несамостоятельным разрядом),

2)счетчики Гейгера (с самостоятельным разрядом).

Из сравнения амплитуд двух импульсов в области ВС (от б- и в-частиц на рис. 16.19) следует, что они строго пропорциональны начальной ионизации. Очевидно, что в этой области коэффициент газового усиления не зависит от первоначального числа ионов, образованных частицей. Этот коэффициент изменяется в пропорциональной области от единицы в начале и до 105 в ее конце.

Счетчики, в которых амплитуда импульсов пропорциональна потерянной энергии частиц в газовом объеме, называются пропорциональными.

Важным свойством пропорциональных счетчиков является возможность определения вида и энергии излучения, так как амплитуда выходного импульса пропорциональна числу первично образованных ионов.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчике, то коэффициент газового усиления возрастает по абсолютной величине и будет зависеть от начальной ионизации. Эта область напряжений (СД на рис. 16.19, б) называется областью ограниченной пропорциональности. В конце этой области происхо-

19.3. Газовые счетчики

дит сближение кривых, построенных для источников с различной начальной ионизацией.

За областью ограниченной пропорциональности следует область Гейгера (участок ДЕ, рис. 16.19, б), в которой величина импульса уже не зависит от начальной ионизации. Все импульсы при заданном напряжении независимо от рода ионизирующих частиц имеют одинаковую величину. Каждый вторичный электрон, возникший в объеме счетчика, вызывает вспышку самостоятельного разряда.

Счетчики, работающие в области самостоятельного разряда (гейгеровская область), называются счетчиками Гейгера-Мюллера. Их же иногда называют счетчиками актов испускания, так как амплитуда выходных импульсов не зависит от вида и энергии излучения. Коэффициент газового усиления достигает значений 107 Χ 1010.

Если за гейгеровской областью продолжать повышение напряжения, то наступает область непрерывного (самопроизвольного) разряда, который уже не вызывается ионизацией внешними агентами. В этом случае счетчик не пригоден для измерения и может выйти из строя вследствие пробоя. Сама же область самостоятельного, в частности, тлеющего разряда, применяется в средствах измерительной техники, например, для измерения вакуума [14].

В зависимости от рода газа, заполняющего счетчики Гейгера, они подразделяются на самогасящиеся, в которых разряд прекращается под действием внутренних причин за интервал времени порядка 10-7 сек с момента возникновения, и несамогасящиеся, в которых возникший разряд гасится за счет снижения напряжения на электродах счетчика благодаря высокоомному сопротивлению R (порядка 109 Ом). Наличие такого сопротивления замедляет восстановление исходной разности потенциалов и снижает скорость счета ионизирующих частиц.

Несамогасящиеся счетчики наполняются одноатомным газом (аргоном, неоном и др.). Самогасящиеся счетчики, кроме одноатомного газа, содержат некоторое количество паров одного из многоатомных органических соединений (этиловый спирт, этилен, изопентан и др.). Потенциал ионизации многоатомного газа должен быть ниже, чем потенциал ионизации основного газа. Благодаря такому составу наполнителя происходит автоматическое гашение разряда без какого-либо внешнего вмешательства.

Наибольшее распространение получила смесь из аргона (потенциал ионизации 15,7 В) при давлении 87 мм рт. ст. и паров этилового спирта (потенциал ионизации 11,3 В). В таком счетчике прекращение возникшего разряда под действием вторичных электронов, выбитых с катода счетчика, достигается за счет диссоциации многоатомных молекул спирта, которые поглощают кванты излучения как от возбуждения атомов аргона (препятствуя тем самым возникновению фотоэффекта на катоде), так и от нейтрализации положительных ионов аргона на катоде счетчика.

Практически катода счетчика достигают только ионы спирта. Это объясняется тем, что ионы аргона в результате столкновений с молекулами спирта нейтрализуются, так как ион аргона имеет больший потенциал ионизации, чем молекула спирта. Образовавшиеся возбужденные атомы аргона возвращаются в основное состояние с испусканием фотонов, которые, в свою очередь,

19.3. Газовые счетчики

времени, непосредственно следующим за лавинным разрядом, возникающим в непосредственной близости от анода, где градиент поля наибольший. Электроны, имеющие в сотни раз большую подвижность по сравнению с положительными ионами, покидают зону разряда за 10-6 с, т.е. почти мгновенно. Оставшееся у поверхности анода облако из положительных ионов, медленно дрейфует к поверхности катода, достигая его за 10-3 с. Экранирующие действие «чехла» из положительных ионов значительно снижает напряженность поля у поверхности анода, что исключает появление новой лавины в случае попадания в полость счетчика новой ионизирующей частицы. Эта частица будет просчитана.

Счетчики Гейгера—Мюллера имеют еще одну важную характеристику — счетную (рис. 19.4).

Счетная характеристика изображает зависимость скорости счета N от приложенного напряжения U при постоянной интенсивности ионизирующего излучения и постоянном минимальном уровне амплитудного дискриминатора регистрирующего устройства. Обычно «плато» этой характеристики имеет протяженность в десятки и сотни

вольт. Рабочее напряжение счетчи- Рис. 19.4. Счетная характеристика счетчика ка выбирается до середины «плато».

Такое поведение объясняется тем, что при напряжении до выхода на «плато» счетчик работал в конце зоны ограниченной пропорциональности, где еще наблюдается различие в амплитудах импульсов в зависимости от энергии и ионизирующей способности частицы. Поэтому часть импульсов не смогла преодолеть порог дискриминатора и не попала в регистратор. По мере роста напряжения и сближения кривых 1 и 2 (рис. 16.19) амплитуда импульса перестала зависеть от свойств ионизирующего агента и достигла уровня, превышающего порог регистрации. Скорость счета достигла практически постоянного значения.

По мере роста U наблюдается небольшой наклон «плато», вызванный появлением вторичных электронов, создающих ложные импульсы.

Рабочее напряжение галогеновых счетчиков составляет обычно 300—400 В. В настоящее время выпускают различные счетчики Гейгера, рассчитанные на регистрацию б- и в-излучений, отличающиеся по размерам (эффективно-

сти регистрации), наполняющему газу, конструкции. В галогенных низковольтных счетчиках ресурс доведен до 2·1010 срабатываний, в высоковольтных счетчиках — до 1010 срабатываний. Разработаны счетчики, значительно различающиеся по чувствительности: от детекторов СИ5Г с диаметром 60 и длиной более 600 мм до миниатюрных детекторов СИ38Г, допускающих измерение мощности дозы до 102 Гр/ч (чувствительность 1 имп./с на 1 мГр/ч). В счетчиках, предназначенных для использования при каротаже скважин, повышена предельная рабочая температура до 250 °С (например, в счетчике СИ31Г). Выпускают счетчики в виде игл, зондов и т.п. для медицинской диагностики и других применений (СБМ-9, -11, -12 и др.).

Глава 19. Детекторы ионизирующих излучений

Для регистрации в-частиц разработаны торцевые счетчики Гейгера с тонкими слюдяными окнами толщиной до 10 мкм (СБТ-7 и др.) и с более тонким окном толщиной 4—5 мкм, но меньшего диаметра (СБТ-9). Выпускают такие торцевые многосекционные счетчики с большой площадью входного окна и числом анодов до десяти (СБТ-10).

19.4. Сцинтилляционные счетчики

Сцинтилляционные методы регистрации излучений основаны на измерении интенсивности световых вспышек, возникающих в люминесцирующих веществах при прохождении через них ионизирующих излучений. Для регистрации световых вспышек используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с регистрирующей электронной схемой (гл. 18, рис. 18.23).

Современный сцинтилляционный счетчик представляет собой комбинацию сцинтилляционного кристалла (сцинтиллятора) с ФЭУ. ФЭУ позволяют преобразовывать слабые световые вспышки от сцинтиллятора в достаточно большие электрические импульсы. Коэффициент усиления фотоэлектронных умножителей достигает 105—1010.

Сцинтилляционные счетчики можно применять для измерения числа заряженных частиц, г-квантов, быстрых и медленных нейтронов; для измерения мощности дозы от в-, г- и нейтронного излучений; для исследований спектров г- и нейтронного излучений.

Процессы, происходящие в сцинтилляционном счетчике, можно разделить на следующие стадии [2]:

—поглощение излучения в сцинтилляторе;

—возбуждение атомов и молекул сцинтиллятора вследствие поглощения энергии радиации и излучение фотонов;

—бомбардировка фотонами катода ФЭУ;

—поглощение фотонов на катоде ФЭУ и выход фотоэлектронов;

—электронное умножение (вторичная эмиссия электронов на динодах).

Важной характеристикой сцинтиллятора является также спектр люминесценции, т.е. распределение излучаемых фотонов по энергиям. Спектр люминесценции сцинтиллятора должен соответствовать спектральной чувствительности ФЭУ.

Люминесцирующие вещества

Люминесцирующие вещества делятся на неорганические и органические твердые сцинтилляторы, органические пластмассовые сцинтилляторы, органические жидкостные сцинтилляторы и газовые сцинтилляторы.

Неорганические кристаллы, применяемые для детектирования и спектрометрии ионизирующего излучения, можно разделить на три группы: сульфиды [ZnS(Ag), активированные серебром или медью, CdS(Ag), активированные серебром]; галогениды щелочных металлов [KI(T1), NaI(Tl), CsI(Tl), LiI(Tl), активированные таллием, CaI2(Eu), LiI(Eu), активированные европием, CsF — неактивированный] и вольфраматы [CaW04, CdWO]. Свойства неорганических сцинтилляторов приведены в табл. 19.1.

19.4. Сцинтилляционные счетчики

Таблица 19.1. Основные свойства неорганических сцинтилляторов [32]

Иодистый калий (активированный таллием) КI(Т1) негигроскопичен, но имеет нежелательный фон сцинтилляции из-за имеющегося в нем радиоактивного изотопа К40, а также значительную фосфоресценцию.

Иодистый цезий (активированный таллием) CsI(Tl) по своим сцинтиллирующим свойствам аналогичен КI(Т1) и Nal(Tl). Монокристаллы LiI, LiI(Tl) применяются для регистрации нейтронного излучения. Сцинтилляторы CaW04 и CdW04 применяются в виде мелких кристаллов (из-за сложности выращивания монокристаллов) для обнаружения тяжелых частиц. Монокристалл CaI2(Eu) обладает очень высоким световым выходом — в 1,5—1,8 раза больше, чем NaI(Tl). Этот кристалл найдет, по-видимому, широкое применение для регистрации ионизирующего излучения.

Применяются также стеклянные сцинтилляторы. Они просты в изготовлении и недорого стоят. В стеклянных сцинтилляторах центрами люминесценции являются ионы, непосредственно входящие в состав стекла. Наиболее эффективным активатором является церий. Световой выход стеклянных датчиков составляет 10—15% относительно светового выхода NaI(Tl), время высвечивания — около 0,15—10-6 сек.

Из всех органических сцинтилляторов (табл. 19.2) антрацен С14Н10 имеет наибольшую конверсионную эффективность з = 6%. Время высвечивания ф = 2,7·10-7 с.

Органические сцинтилляторы применяются в основном для детектирования и спектрометрии в-, г- и нейтронного излучений.

Пластмассовые органические сцинтилляторы состоят из растворителя (полистирол, поливинилтолуол и др.), активаторов и сместителя спектра (n-тер- фенил, РОРОР, тетрафенилбутадиен и др.). Оптимальная концентрация акти-

Глава 19. Детекторы ионизирующих излучений

Таблица 19.2. Основные свойства органических сцинтилляторов [32]

ватора составляет 10—40 г/л, сместителей спектра — 0,1—2 г/л. Конверсионная эффективность пластмассовых сцинтилляторов такая же, как и у жидкостных органических сцинтилляторов (0,05—0,5 относительно антрацена), время высвечивания (2—8)10-9 с. При понижении температуры люминесцентные свойства пластмассовых сцинтилляторов улучшаются. Высокая прозрачность материалов позволяет изготовить детекторы неограниченных размеров методом полимеризации или горячей прессовкой. Они хорошо обрабатываются механическим способом.

Жидкостные органические сцинтилляторы подразделяются на двухкомпонентные (раствор и активатор) и многокомпонентные (раствор, активатор и сместитель спектра). Наилучшими растворителями являются ароматические соединения: толуол, ксилол, фенилци-клогексан, бензол и др. Весьма эффективными активаторами (растворенными ароматическими соединениями) являются n-терфенил, различные фенилоксазолы (РРО, РОРОР, б-NPO и др.) и фенил-оксадиазолы (РВД и др.). Сместителями спектров могут служить РОРОР, РРО, б -NPO, РВД

Газовым сцинтиллятором может являться любой инертный газ. Наибольшим световым выходом обладает ксенон. Световой выход других инертных газов (криптон, неон, гелий и др.) составляет 0,3—0,6 относительно ксенона, а время высвечивания — 10-8—10-9 с.

При использовании газовых сцинтилляторов необходим сместитель спектра (преобразователь частоты), чтобы ультрафиолетовый спектр люминесцирующего газа сместить в область наибольшей спектральной чувствительности катода ФЭУ и получить максимальный сигнал. Для этих целей используются органические сцинтиллирующие соединения (п, п9-кватерфенил, дифенил, стильбен, тетра-, фенилбутадиен и др.), обладающие высокой конверсионной эффективностью, оптической прозрачностью, низкой упругостью насыщенных паров, длительной механической и химической устойчивостью. Наибольшее распространение получил кватерфениловый преобразователь.

Амплитуда импульсов газового сцинтиллятора является линейной функцией энергии частиц, не зависящей от массы и заряда частиц.

Газовый сцинтилляционный счетчик представляет собой камеру, заполненную люминесцирующим газом под давлением. На внутреннюю поверх-

19.5. Полупроводниковые детекторы

ность камеры наносится отражающий слой из окиси магния и слои сместителя спектра. В некоторых случаях сместитель спектра наносится на катод ФЭУ.

На рис. 19.5, а показана конструкция термолюминесцентного дозиметра с нагревательным элементом. Спрессованный люминофор закреплен на подложке. Герметичная капсула с прозрачной верхней частью заполнена инертным газом. На рис. 19.5, б люминофор CaF2-Мn, приклеенный к графитовому нагревателю, помещен в стеклянную вакуумированную ампулу. На рис. 19.5, в показан каплеобразный дозиметр. На платиновый нагреватель нанесен слой люминофора — 14 мг CaF2-Мn.

Рис. 19.5. Термолюминесцентные дозиметры

19.5. Полупроводниковые детекторы

Известно, что электроны в атоме занимают определенные энергетические уровни. Энергетические уровни электронов каждой оболочки атома в совокупности составляют разрешенные зоны. Между разрешенными зонами отдельных оболочек располагаются запрещенные зоны, на которых электроны не могут находиться.

В кристаллах, образующихся в результате сближения большого количества отдельных атомов, происходит смещение энергетических уровней. Это смещение больше для внешних (валентных) электронов, чем для внутренних, обладающих большей энергией связи с ядром. В результате каждый электрон в кристалле имеет определенный энергетический уровень, отличающийся от уровня, занимаемого электроном в изолированном атоме. Отдельные энергетические уровни в кристалле, незначительно отличающиеся друг от друга, сливаются в непрерывные разрешенные энергетические зоны, разделенные запрещенными зонами. Для перемещения электрона из одной разрешенной зоны в другую необходимо сообщить ему определенную энергию, чтобы он мог преодолеть запрещенную зону.

Энергетические свойства кристалла зависят от структуры энергетических зон и степени заполнения их электронами. Энергетические уровни внешних валентных электронов образуют заполненную валентную зону, в которой электроны находятся в связанном состоянии. Для удаления электрона из этой зоны на более высокий энергетический уровень (в свободное состояние или зону проводимости) необходимо сообщить ему определенную энергию. Зона проводимости расположена выше валентной зоны и отделена от нее запре-

Глава 19. Детекторы ионизирующих излучений

щенной зоной. В металлах запрещенная зона отсутствует, поэтому электроны свободно переходят из валентной зоны в зону проводимости под действием слабого электрического поля. Если зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной областью, то электроны не могут попасть в зону проводимости. Электропроводность такого вещества ничтожно мала. Вещества, имеющие запрещенную зону шириной 1—2 эВ, принято называть полупроводниками, шириной более 2 эВ — диэлектриками.

Если взять пластинку из монокристалла кремния, у которой левая часть содержит донорную, а правая — акцепторную примесь (рис. 19.6), то на их границах образуется п-р-переходный запорный слой. Образование его обусловлено диффузией как дырок из р-области в n-область, так и элек-

тронов из n-области в р-область. Переходя в п-область, дырки

накапливаются вблизи границы двух областей, происходит рост положительного потенциала. Накапливание электронов по другую сторону границы в р-области приводит к росту отрицательного потенциала. В некоторый момент времени диффундирование носителей прекращается и на границе п- и р-областей возникает слой,

образованный пространственным зарядом дырок в n-области и электронов в р-области. В р-область из п-области могут проникать дырки, где они являются неосновными носителями.

Итак, в р-области вблизи ее границы с n-областью скапливаются отрицательные заряды, вследствие чего происходит обеднение основными носителями — дырками, а в n-области (вблизи границы с р-областью) скапливаются положительные заряды, в результате чего происходит обеднение электронами n-области. Обедненная основными носителями область называется запорным слоем, или потенциальным барьером.

Если на р-n-переход подключить обратное внешнее электрическое напряжение, т.е. к р-области минус, а к n-области плюс (инверсионное включение) (см. рис. 19.11), то сопротивление р-n-перехода еще больше возрастет, так как приложенное напряжение будет способствовать удалению зарядов друг от друга и пограничная обедненная область с неоднородным электрическим полем расширится. Через р-n-переход будет проходить поток неосновных носителей (обратный ток).

Таким образом, обедненная область представляет собой твердую ионизационную камеру [2, 3, 6, 9, 10].

Основными характеристиками полупроводникового детектора являются: ширина обедненной области (слоя) d, от величины которой зависит чувствительный объем и время собирания носителей; удельное сопротивление Rп полупроводника р-n-перехода; емкость обедненной области С; обратный ток, определяющий уровень шумов.