Сцинтилляционные методы детектирования

Группа сцинтилляционных методов основана на свойстве некоторых веществ (чистых или содержащих определенную примесь) преобразовывать поглощенную энергию ионизирующего излучения в электромагнитное излучение ультрафиолетового или видимого диапазона (то есть светиться). Такие вещества называются радиолюминофорами, а свечение, которое образуется под действием ионизирующего излучения, называется радиолюминесценцией.

При прохождении каждой регистрируемой частицы в радиолюминофоре возникает вспышка радиолюминесценции, которую называют сцинтилляцией. Если эта вспышка достаточно короткая и интенсивная, то такой радиолюминофор применяют в качестве детектора ионизирующего излучения и называют сцинтиллятором.

Однако сами по себе вспышки могут быть очень слабыми. Для их фиксации применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Они представляют собой вакуумные электронные приборы с системой умножения электронов, выбитых световой вспышкой с поверхности фотокатода. Умножительная система состоит из нескольких последовательно расположенных динодов (эмиттеров), покрытых специальным слоем. Электроны, бомбардирующие диноды, выбивают из них вторичные электроны, количество которых минимум в 2 раза превышает число первичных электронов. Таким образом, каждый последующий динод увеличивает количество электронов. С последнего динода в усилительно-измерительную схему прибора поступает лавина электронов. Благодаря ФЭУ сцинтилляционные счетчики обладают гораздо большей чувствительностью по сравнению с газонаполненными счетчиками.

Для регистрации альфа-частиц в качестве сцинтилляторов (люминофоров) применяют тонкий слой сернистого цинка, а регистрация бета-частиц осуществляется с помощью кристаллов антрацена, стильбена, а также сцинтиллирующих пластмасс. При регистрации гамма-квантов в отечественных приборах успешно используются монокристаллы йодистого натрия и йодистого цезия, активизированные таллием.

Полупроводниковые детекторы

Они сходны с ионизационными, но роль ионизационной камеры в этом случае выполняют твердые полупроводники (чаще всего германий). Поскольку плотность полупроводниковых материалов намного выше плотности газов, то энергия поглощаемых частиц в них используется полнее, чем в ионизационных камерах. Поэтому полупроводниковые детекторы обладают очень высокой разрешающей способностью.

Основными характеристиками счетчиков, работающих как на основе ионизационного метода регистрации, так и на основе сцинтилляционного, являются:

Эффективность счетчика (эффективность регистрации частиц) выражается отношением числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, попавших в чувствительный объем детектора. Другими словами, это вероятность регистрации частицы. Так эффективность счетчиков Гейгера-Мюллера по отношению к бета-частицам близка к 100%. Эффективность сцинтилляционных детекторов зависит не только от эффективности собственно сцинтиллятора, но и от работы ФЭУ. Свойства систем «сцинтиллятор+ФЭУ» могут существенно отличаться в связи с чрезвычайным разнообразием веществ, используемых в качестве сцинтилляторов, конструкций и режимов работы ФЭУ. В целом эффективность сцинтилляционных детекторов выше, чем газоразрядных счетчиков, особенно по отношению к электромагнитному излучению высокой энергии.

Разрешающим временем счетчика («мертвым временем» счетчика) называют минимальный промежуток времени между двумя последовательными импульсами, которые регистрируются раздельно. Для счетчиков Гейгера-Мюллера оно составляет примерно 10^-2 – 10^-4 с. Для сцинтилляционных счетчиков оно может значительно отличаться в зависимости от сцинтиллятора и ФЭУ, но в большинстве случаев значительно меньше – 10^-6-10^-8 с. Если две частицы попадают в детектор с промежутком меньшим, чем разрешающее время, то они регистрируются как одна.

Счетной характеристикой счетчика называют зависимость числа зарегистрированных импульсов в единицу времени от напряжения, приложенного к газоразрядному счетчику или ФЭУ (при неизменной интенсивности облучения детектора). Обычно, исследовав счетную характеристику данного прибора, выбирают рабочее напряжение в той области, где такая зависимость становится наименьшей (так называемое плато счетной характеристики). По форме счетной характеристики судят о качестве детектора.