Сцинтилляционный детектор. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сцинтилляционный детектор - детектор частиц, действие к-рого основано на регистрации световых вспышек в видимой или УФ-области, возникающих при прохождении заряж. частиц через сцинтиллятор. Доля энергии, конвертированная в световую вспышку

от полной энергии (

), потерянной частицей в сцинтиллято-ре, наз. конверсионной эффективностью. Она является осн. параметром С. д. Иногда вместо конверсионной эффективности используют уд. световой выход (свето-выход) - число образованных частицей фотонов на единицу потерянной энергии

, или ср. энергию, расходуемую на образование одного фотона, w_ф=

w/С_к.

Здесь

-ср. энергия фотонов световой вспышки (

3 эВ).

Для наиб. эфф. сцинтилляторов значение С_к достигает 0,1-0,3. Конверсионная эффективность зависит от типа регистрируемой частицы и от её уд. потерь энергии. Для данного сцинтиллятора С_к может зависеть от температуры T, наличия примесей и соотношения разл. компонент в сцинтилляторе.

Сцинтилляционный детектор обладает спектроскопическими свойствами, т. е. интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в широкой области энергии. Только в области малых энергий, где резко возрастает уд. потеря энергии, световыход падает и пропорциональность нарушается.

Механизмы преобразования энергии частицы в световую вспышку различны для разных сцинтилляторов. В большинстве случаев они могут быть сведены к след. (упрощённой) схеме: 1) ионизация и возбуждение атомов и молекул, образование радикалов; 2) перенос энергии возбуждения к центрам свечения (радиационный, резонансный, экситон-ный, электронно-дырочный); 3) возбуждение и высвечивание центров свечения. Нейтральные частицы регистрируются благодаря передаче энергии заряженным: g-кванты- по электронам и позитронам (см. Гамма-излучение), нейтроны - по протонам отдачи (при упругом рассеянии) или по заряж. частицам, возникающим в ядерных реакциях нейтронов с веществом сцинтиллятора.

Рис. 1. Схема сцинтилляционного детектора: Сц- сцинтиллятор, Св-светопровод, Ф - фотокатод, Д - диноды, А - анод.

Осн. элементы С. д. (рис. 1) - сцинтиллятор и соединённый с ним оптически фоторегистратор, преобразующий энергию световой вспышки в электрич. импульс. В качестве фоторегистратора обычно используют фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Световые фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают из него электроны, к-рые фокусируются на 1-й динод, размножаются динодной системой в результате процесса вторичной электронной эмиссии и окончательно собираются на аноде ФЭУ, создавая в его цепи электрич. импульс.

Спектрометрич. и амплитудные характеристики С. д. определяются числом электронов, попавших на 1-й динод ФЭУ, к-рое можно рассчитать по ф-ле N₁=

abg/w_ф. Здесь а-доля фотонов, попадающих на фотокатод, g-квантовый выход фотокатода (для лучших мультищелоч-ных катодов g = 0,15-0,2), b

0,5-0,8 - доля электронов, собранных на 1-й динод. Макс. амплитуда импульса напряжения на сопротивлении в анодной цепи ФЭУ: A_макс = N₁Me/С, где М-коэф. усиления ФЭУ, С-ёмкость анода; М может достигать значения ~10⁸, что позволяет регистрировать события, в результате к-рых на 1-й динод приходит всего 1 электрон. Иногда между сцинтиллятором и ФЭУ устанавливается световод (для улучшения равномерности светового сбора, выноса ФЭУ из области эл--магн. поля и др.).

Помимо ФЭУ в качестве фоторегистратора могут использоваться вакуумный (в интегральном режиме) или полупроводниковый фотоэлементы .В первых экспериментах при регистрации a-частиц с помощью ZnS световые вспышки регистрировались непосредственно глазом.

Для оптимальной регистрации световой вспышки её спектр и спектральная чувствительность фотокатода долж-

ны быть близки, а сцинтиллятор должен быть прозрачен для излучения. Прозрачность сцинтиллятора характеризуется расстоянием, на к-ром интенсивность его светового излучения уменьшается в результате поглощения в е раз. Для увеличения числа фотонов, падающих на фотокатод ФЭУ, и улучшения равномерности светосбора по объёму сцинтиллятора поверхность последнего покрывают отражателем (MgO, TiO₂, тефлон) или используют полное внутр. отражение от полиров. граней кристалла.

Интенсивность световой вспышки в зависимости от времени меняется по закону I=I₀ехр( -t/t), где t - время, за к-рое интенсивность уменьшается в е раз, называемое временем высвечивания сцинтиллятора; t определяет временные характеристики С. д. Время высвечивания определяется процессами преобразования энергии частицы в световую вспышку, и часто из-за неск. процессов возникает неск. компонент с разл. t. Соотношение интенсивностей разл. компонент высвечивания отличается для лёгких (электронов) и тяжёлых (протонов, a-частиц и т. д.) частиц, особенно для органич. сцинтилляторов (см. ниже), что приводит к разл. форме импульса для этих частиц. Это позволяет при регистрации по форме импульса разделять частицы разной природы при одинаковой амплитуде импульса.

Зависимость световыхода от типа регистрируемых частиц характеризуют отношением a/b-отношением световыхода a-частицы и электрона при одинаковых энергиях. Отношение a/b различно для разных типов сцинтилляторов и зависит от энергии частиц.

Сцинтилляционные детекторы применяются как в виде самостоят. детекторов, так и в качестве составных компонентов комбинированных систем детекторов при исследовании разл. процессов с энергиями >= неск. КэВ.

Неорганические сцинтилляторы - монокристаллы с добавкой активатора. Они обладают высокими эффективностью Z, плотностью r и достаточно большой длительностью высвечивания t (табл. 1).

Табл. 1.- Характеристика неорганических сцинтилляторов

Наиб. световыходом обладают кристаллы ZnS(Ag), но они существуют только в виде мелкокристаллич. порошка (кристаллы больших размеров получить не удаётся), прозрачность к-рых для собств. излучения мала. Одним из лучших неорганич. сцинтилляторов является NaI (Tl). Он имеет наибольший после ZnS (Ag) световыход и прозрачен для собств. излучения. Монокристаллы NaI(Tl) могут быть выращены больших размеров (до 500 мм); их недостаток-гигроскопичность, требующая герметизации. Сцинтиллятор CsI(Tl) имеет световыход ниже, но не гигроскопичен. Помимо этих универсально используемых неорганич. сцинтилляторов существует ряд других, применение к-рых диктуется условиями эксперимента - присутствием определ. элементов, большим или, наоборот, малым сечением захвата тепловых нейтронов (см. Нейтронные детекторы)и др. Перспективны сцинтилляторы на основе BaF₂ и Bi₄Ge₃O₁₂ (гигроскопичны, могут быть выращены размерами до неск. десятков см), неактивированные кристаллы галлоидов щелочных металлов при Т

-200° С. Напр., кристаллы NaI имеют тот же световыход, что и NaI (Tl) при Т= 300 К, но t на порядок меньше. Механизм высвечивания неорганич. сцинтилляторов иллюстрирует зонная диаграмма ионных кристаллов (рис. 2). Внутри запрещённой энергетич. зоны (см. Зонная теория) могут быть дискретные уровни энергии ионов активатора (напр., Тl для NaI), а также других неизбежных примесей и дефектов кристаллич. решётки. При прохождении заряж. частицы электроны могут получать энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в экситонную зону и зону проводимости. Обратные переходы электронов в зону валентности с промежуточным захватом на дискретных уровнях запрещённой зоны приводят к испусканию оптич. фотонов. Поскольку их энергия

меньше ширины запрещённой зоны

, а плотность дискретных уровней мала, кристалл оказывается для них прозрачным. Световыход зависит от концентрации активатора В (рис. 3). Уменьшение световыхода при больших концентрациях связано с ростом вероятности поглощения фотонов на активаторных уровнях. Время высвечивания t с ростом концентрации активатора до 3•10^-3 уменьшается от 0,35 до 0,22 мкс.

Рис. 2. Зонная диаграмма ионного кристалла.

Рис. 3. Зависимость световыхода С_к кристалла NaI от концентрации Тl.

Большая плотность р и высокий атомный номер Z обусловливают осн. применение С. д. на основе неорганич. сцинтилляторов для регистрации и спектрометрии g-из-лучения (рис. 4). Спектр монохроматич. g-излучения состоит из т. н. пика полного поглощения (полное поглощение g-кванта) и комптоновского распределения (см. Комптона эффект ),соотношение к-рых зависит от размера кристалла. Энергетич. разрешение пика полного поглощения

складывается из флуктуации числа электронов, собранных на 1-й динод ФЭУ, дисперсии ФЭУ и т.н. собств. разрешения кристалла. Последнее определяется помимо неравномерности процесса светосбора флуктуациями числа и энергии комптоновских и d-электронов при образовании пика полного поглощения, зависит от размера кристалла и составляет величину ~ неск. %. Полное разрешение

для энергии g-квантов от ¹³⁷Cs (

=661 КэВ) для лучших кристаллов порядка 7%. С изменением регистрируемой энергии

разрешение меняется по закону

. Пропорциональность между интенсивностью световой вспышки и "потерянной" энергией при регистрации электронов и у-квантов в NaI (Тl) имеет место при

> 100 КэВ. При меньших энергиях световыход сложным образом зависит от уд. потерь энергии.

Органические сцинтилляторы

К ним относятся органич. кристаллы, жидкие и твёрдые растворы сцинтиллирующих веществ в органич. растворителях и полимерах, а также органич. газы (см. Органические проводники).

Табл. 2.- Характеристика органических сцинтилляторов

В органич. сцинтилляторах высвечивание фотонов связано с электронными переходами возбуждённых молекул. Органич. сцинтилляторы характеризуются малой эффективностью Z~6, сравнительно небольшой плотностью р и малой длительностью высвечивания т (табл. 2). Последнее делает их удобными для временных измерений. Наиб. световыход достигается на антрацене, значение к-рого при сравнении с др. органич. сцинтилляторами часто принимается за 1.

На основе пластич. и жидких сцинтилляторов создаются С. д. больших поверхности и объёма и требуемой формы. Как правило, они состоят из 2-3 компонент: прозрачной пластмассы (полистирол, поливинилтолуол, метилметак-рилат) или органич. растворителей (наиб. световыход у ксилола и толуола) и сцинтиллирующей добавки или активатора (p-терфенил, 2,5-дифенилоксазол, тетрафенил-бутадиен, стильбен, нафталин, бифенил) с концентрацией 1 -10 г/л; иногда добавляют т. н. смеситель спектра (5-фенил-2, оксазолил бензол - РОРОР) с концентрацией 0,01-0,5 г/л для согласования спектра световой вспышки со спектральной чувствительностью фотокатода.

Активатор и растворитель подбирают так, чтобы 1-й возбуждённый уровень растворителя был выше 1-го уровня активатора. Тогда возможна передача энергии возбуждения от молекул растворителя к молекулам активатора. При увеличении концентрации активатора световыход сначала возрастает, затем, пройдя через максимум, начинает уменьшаться, что связано с увеличением вероятности самопоглощения света молекулами активатора. В жидкие и пластич. сцинтилляторы можно добавлять (неск. %) др. вещества, напр. исследуемые радиоакт. изотопы или при регистрации тепловых нейтронов Li, В, Gd, Cd.

Световыход органич. сцинтилляторов различен для лёгких и тяжёлых частиц при энергиях

< 10 МэВ, a/b

0,1. Сцинтилляционный импульс в органич. сцинтилляторах обычно содержит 2 компоненты: быструю (t~10 с) и медленную (t~10^-7 -10^-5 с). Относит. интенсивности компонент зависят от природы частиц, что приводит к различию в форме импульса для тяжёлых и лёгких частиц (рис. 5). На этом различии основан метод регистрации быстрых нейтронов по протонам отдачи на фоне потока g-квантов.

Рис. 5. Форма импульса в органических сцинтилляторах для электронов, протонов и a-частиц.

Зависимость световыхода от уд. потерь энергии описывается ф-лой Биркса:

Калибровка С. д. на основе органич. сцинтилляторов осуществляется в области малых энергий с помощью источников конверсионных электронов и g-источников, а в области высоких энергий - с помощью разл. процессов, связанных с релятивистскими частицами (распад остановившихся мюонов, прохождение релятивистскими частицами определ. линейного расстояния и др.).

Высокая прозрачность жидких сцинтилляторов позволяет создавать на их основе С. д. с размерами в неск. метров и массой вплоть до неск. сотен тонн, напр. в экспериментах по регистрации нейтрино. В этом случае часто используется сцинтиллятор на основе уайт-спирита (очищенный керосин). Его прозрачность s = 20 м. На основе уайт-спирита созданы крупнейшие подземные С. д. для комплексного изучения космич. лучей и нейтринной астрофизики: баксан-ский Сцинтилляционный телескоп (330 т), 105-тонный подземный С. д., расположенный в подземном помещении вблизи г. Артёмовск; российско-итальянский С. д. в туннеле под Монбланом (90 т).

Газовые сцинтилляторы - инертные газы и их смеси в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Центрами свечения являются возбуждённые молекулы. Инертные газы характеризуются короткими временами высвечивания (t~10^-8 -10^-9 с) и высоким световыходом, так световыход Хе того же порядка, что и у Nal(Tl). Осн. доля излучения инертных газов лежит в области вакуумного ультрафиолета (l~200 нм), поэтому регистрация таких фотонов требует ФЭУ с кварцевым входным окном либо нанесения на входное окно смесителя спектра (дифенил-стильбен или кватерфенил). Осн. применение газовых С. д.- регистрация a-частиц и осколков деления (см. Деление ядер).

Другие типы сцинтилляционных детекторов

Существенное влияние на световыход сцин-тиллятора оказывает электрич. поле. При приложении достаточно сильного поля возникающие при прохождении заряж. частицы электроны могут приобретать энергию, достаточную для возбуждения и ионизации атомов, что в конечном итоге приведёт к увеличению числа фотонов в световой вспышке. Этот принцип лежит в основе сцин-тилляционного пропорционального счётчика. Его преимущество- высокое энергетич. разрешение в области малых энергий.

При использовании электронно-оптического преобразователя возможно получение фотографии трека частицы в сцинтилляторе (люминесцентная камера). Распространены сцинтилляционные камеры, в к-рых в сочетании с электронно-оптич. преобразователем используется система сцинтилляционных волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях (см, Сцинтилляционный детектор на волокнах).

Литература по сцинтилляционным детекторам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.