Работа 2.1 Сцинтилляционный спектрометр гамма излучения

Цель работы - калибровка сцинтилляционного спектрометра гамма излучения с кристаллом NaJ(Tl)

Введение

При взаимодействии заряженных частиц и ионизирующего излучения с веществом образуются быстрые электроны, энергия которых расходуется на создание в веществе носителей заряда: ионов в газе, свободных электронов и вакансий (“дырок”) в твёрдых телах. Рекомбинация носителей зарядов сопровождается испусканием низкоэнергетических фотонов в видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Еще на ранней стадии развития ядерной физики это явление нашло применение для регистрации альфа частиц путем визуального наблюдения вспышек света, возникающих при столкновении с экраном, содержащим молекулы ZnS (например, в опытах Резерфорда в 1911 году). Позднее человеческий глаз был заменен электронным прибором, преобразующим фотоны в электрические сигналы. Для преобразование энергии заряженных частиц в фотоны созданы специальные вещества - сцинтилляторы, а метод детектирования заряженных частиц посредством регистрации световых вспышек назвали сцинтилляционным [1, 2, 3].

Сцинтиллятор - вещество, которое должно обладать следующим свойствами:

• иметь высокую вероятность преобразования энергии заряженных частиц в фотоны, детектируемые с помощью ФЭУ;

• должно быть прозрачным для образовавшихся в нем фотонов;

• число образовавшихся в сцинтилляторе фотонов должно быть пропорционально энергии заряженной частицы;

• постоянные времени испускания фотонов должны быть достаточно малыми, чтобы электрические сигналы с ФЭУ были короткими;

• иметь коэффициент преломления близкий к коэффициенту преломления входного окна ФЭУ чтобы уменьшить отражение падающих на него фотонов;

• быть технологичным для изготовления сцинтилляторов необходимой формы, размеров и прозрачности.

Нет вещества, отвечающего всем этим требованиям одновременно. Реальные сцинтилляторы частично отвечают этим требованиям и обладают некоторыми другими свойствами, позволяющими использовать их по назначению.

Сцинтилляторы разделяют на два класса: неорганические и органические.

Неорганические сцинтилляторы

Большинство неорганических сцинтилляторов являются кристаллами. Рассмотрим кратко сцинтилляционный процесс в неорганических кристаллах.

На рис. 2.1.1 изображена энергетическая диаграмма состояния электронов в кристаллах [7]. В результате взаимодействия электронов в кристаллах образуются несколько энергетических зон, разделенных запрещенными зонами. На рисунке выделены: валентная зона, в которой находятся связанные в атомах электроны, зона проводимости, в которую попадут электроны, выбитые из атомов и разделяющая их запрещенная зона. В запрещенной зоне могут существовать уровни, принадлежащие примесям или специально вводимым в кристалл веществам – активаторам, предназначенным для смещения спектра излучаемых фотонов по отношению к спектру поглощения кристалла.

Быстрые электроны, возникающие при взаимодействии гамма излучения с электронными оболочками атомов в сцинтилляторе, тормозятся в нем и передают валентным электронам энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. В валентной зоне остаются вакантные уровни – “дырки”. Если валентный электрон не получает энергию достаточную для перехода в зону проводимости, то он остается связанным с “дыркой” в валентной зоне. Связанную пару электрон-дырка называют экситоном. Таким образом, быстрые электроны, образовавшиеся в процессах взаимодействия гамма излучения со сцинтилляторами, создают в кристалле экситоны, свободные электроны и дырки.

С вободные Е_е

э лектроны

Зона проводимости

Экситонная

зона

Запрещенная зона

Экситоны

У ровни

а ктиватора

Валентная зона

Вакансии

(дырки)

Рис. 2.1.1 . Энергетическая диаграмма состояния электронов в неорганическом сцинтилляторе.

Поскольку кристалл – изолятор, то образовавшиеся в нем носители заряда (свободные электроны и дырки) вследствие теплового движения встречаются и рекомбинируют, а экситоны – аннигилируют. Энергия возникающих в этих процессах фотонов равна энергии связи последнего электрона и, следовательно, фотоны будут поглощены вблизи точки возникновения и вновь выбьют электроны из других атомов. Так происходит распространение возбуждения по всему объему кристалла, включая и атомы активатора.

Захват электронов и дырок возбужденными уровнями активатора сопровождается излучением фотонов, энергия которых меньше энергии связи последнего электрона в атомах кристалла - сцинтиллятора. Для этих фотонов кристалл прозрачен и они могут его покидать. С ростом концентрации активатора выход фотонов растет до некоторого максимального значения. При дальнейшем увеличении концентрации возрастает вероятность поглощения фотонов уровнями активатора и выход фотонов уменьшается. Оптимальная концентрация атомов активатора  0,1%.

Постоянные времени испускания фотонов неорганическим сцинтиллятором (см. Табл.2.1.1), определяемые временем жизни возбужденных состояний атомов или молекул, находятся в интервале от 0,2 до 10 мкс.

Лучший из неорганических сцинтилляторов NaJ(Tl) (Tl является активатором) обладает самым высоким световыходом и имеет самое короткое время высвечивания. Изготавливают монокристаллы NaJ(Tl) до 70 см диаметром и высотой. Кристаллы галоидов щелочноземельных металлов гигроскопичны, поэтому для защиты от влаги их герметизируют. Наличие в кристаллах ¹²⁷J - самого тяжелого из галоидов (Z=53) обеспечивает высокую вероятность фотоэффекта при попадании гамма - кванта в кристалл (см. (2.4)).