8.1.3 Сцинтилляционные счетчики

Сцинтилляционный счётчик - прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, γ- квантов, мезонов и т. д.). Основными элементами устройства является вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) (рисунок 35.). Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (a-частиц, осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики в начале 20 в.. Позднее он был полностью вытеснен ионизационными камерами и пропорциональными счётчиками. Его возвращение в ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки.

Принцип действия детектора состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ- квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ- квантов с атомами сцинтиллятора.

В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили пластики, которые легко изготовляются, механически обрабатываются и дают интенсивное свечение. Важной характеристикой сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию (конверсионная эффективность h). Наибольшими значениями h обладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, активированный Tl [NaI (Tl)], антрацен и ZnS. Другой важной характеристикой является время высвечивания t, которое определяется временем жизни на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется экспоненциально. Для большинства сцинтилляторов t лежит в интервале 10^–9 — 10^–5 с. Короткими временами свечения обладают пластики (таблица 3.). Чем меньше t, тем более быстродействующим может быть сделан сцинтилляционный счетчик.

Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения. Для регистрации медленных нейтронов в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водородсодержащие сцинтилляторы. Для спектрометрии γ- квантов и электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером.

Сцинтилляционные счетчики изготавливают со сцинтилляторами разных размеров — объёмом от 1—2 мм³ до 1—2 м³. Чтобы не «потерять» излученный свет, необходим хороший контакт ФЭУ со сцинтиллятором. В детекторах небольших размеров сцинтиллятор непосредственно приклеивается к фотокатоду ФЭУ. Все остальные его стороны покрываются слоем светоотражающего вещества (например, MgO, TiO₂). В счетчиках большого размера используют световоды (обычно из полированного органического стекла).

ФЭУ, предназначенные для сцинтилляционных счетчиков должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (10⁸—10⁸), малым временем собирания электронов (~ 10^–8 сек) при высокой стабильности этого времени.  

Среди достоинств сцинтилляционных счетчиков - высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам они широко применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц и космических лучей, в промышленности (радиационный контроль), дозиметрии, радиометрии, геологии, медицине и т. д. Недостатки этих детекторов ионизирующих излучений - малая чувствительность к частицам низких энергий, невысокая разрешающая способность по энергии.

Для исследования заряженных частиц малых энергий (< 0,1 Мэв) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов применяются газы (таблица 4.). Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введён в объём газового сцинтиллятора. Однако газовые сцинтилляторы требуют высокой чистоты газа и специального ФЭУ с кварцевыми окнами (значительная часть излучаемого света лежит в ультрафиолетовой области).

Таблица 3 - Характеристики некоторых твёрдых и жидких сцинтилляторов, применяемых в сцинтилляционных счётчиках

Вещество	Плотность, г/см3	Время высвечивания, t, 10-9 сек.	Длина волны в максимуме спектра,	Конверсионная эффективность h, %  (для электронов)
Кристаллы
Антрацен C14 H10	1,25	30	4450	4
Стильбен C14H12	1,16	6	4100	3
NaI (Tl)	3,67	250	4100	6
ZnS (Ag)	4,09	11	4500	10
Csl (Tl)	4,5	700	5600	2
Жидкости
Раствор р-терфенила в ксилоле (5 г/л) с добавлением РОРОР1 (0,1 г/л)	0,86	2	3500	2
Раствор р-терфенила в толуоле (4 г/л) с добавлением РОРОР (0,1г/л)	0,86	2,7	4300	2,5
Пластики
Полистирол с добавлением р-терфенила (0,9%) и a-NPO2 (0,05 весовых %)	1,06	2,2	4000	1,6
Поливинилтолуол с добавлением 3,4% р-терфенила и 0,1 весовых % РОРОР	1,1	3	4300	2

¹РОРОР — 1,4-ди-[2-(5-фенилоксазолил)]-бензол.   ²NPO — 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол

Таблица 4 - Характеристики некоторых газов, применяемых в качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках (при давлении 740 мм.рт. ст., для a-частиц с энергией 4,7 Мэв)

Газ	Время высвечивания, с	Длина волны в максимуме спектра.	Конверсионная эффективность, %
Ксенон	10–8	3250	14
Криптон	10–8	3180	8,7
Аргон	10–8	2500	3
Азот	3×10–9	3900	2

Высокая эффективность сцинтилляционных детекторов обусловлена тем, что, в отличие от ионизационных камер, рабочее вещество детектора является плотным и поглощающая способность его примерно в 10³ раз превосходит поглощающую способность газа при давлении ~1 атм.