- Принцип работы сцинтилляционного счетчика

- Сцинтилляторы

- Фотоэлектронные умножители

- Конструкции сцинтилляционных счетчиков

- Свойства сцинтилляционных счетчиков

- Примеры использования сцинтилляционных счетчиков

- Список использованной литературы

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ

Метод регистрации заряженных частиц с помощью счета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS), является одним из первых методов регистрации ядерных излучений.

Еще в 1903 г. Крукс и другие показали, что если рассматривать экран из сернистого цинка, облучаемый a-частицами, через увеличительное стекло в темном помещении, то на нем можно заметить появление отдельных кратковременных вспышек света - сцинтилляций. Было установлено, что каждая из этих сцинтилляций создается отдельной a-частицей, попадающей на экран. Круксом был построен простой прибор, названный спинтарископом Крукса, предназначенный для счета a-частиц.

Визуальный метод сцинтилляций был использован в дальнейшем в основном для регистрации a-частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электронвольт. Отдельные быстрые электроны регистрировать не удалось, так как они вызывают очень слабые сцинтилляции. Иногда при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки, но это происходило лишь тогда, когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов.

Гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение. Это позволяет регистрировать a-частицы в присутствии сильного g-излучения.

Визуальный метод сцинтилляций позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени. Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту. Конечно, метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной мере зависят от индивидуальных качеств экспериментатора.

Несмотря на недостатки, визуальный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомной физики. С помощью него Резерфорд регистрировал a-частицы при их рассеянии на атомах. Именно эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их a-частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра.

Визуальный метод сцинтилляций имел большое значение вплоть до тридцатых годов, когда появление новых методов регистрации ядерных излучений заставило на некоторое время забыть его. Сцинтилляционный метод регистрации возродился в конце сороковых годов XX века на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увеличить скорость счета в 108 и даже более раз по сравнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализировать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и g-лучи.

§ 1. Принцип работы сцинтилляционного счетчика

Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрического питания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод).

Принцип работы сцинтилляционного счетчика состоит в следующем. Заряженная частица, попадая в сцинтиллятор, производит ионизацию и возбуждение его молекул, которые через очень короткое время (10-6- 10-9 сек) переходят в стабильное состояние, испуская фотоны. Возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны. Последние под действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направляются на первый электрод (динод) электронного умножителя. Далее в результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который затем уже усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой.

Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ.

В качестве фосфоров используются:

Органические кристаллы,

Жидкие органические сцинтилляторы,

Твердые пластмассовые сцинтилляторы,

Газовые сцинтилляторы.

Основными характеристиками сцинтилляторов являются: световой выход, спектральный состав излучения и длительность сцинтилляций.

При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией. Часть этих фотонов будет поглощена в объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора.

Световым выходом или конверсионной эффективностью сцинтиллятора c называется отношение энергии световой вспышки , выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе,

где - среднее число фотонов, выходящих наружу, - средняя энергия фотонов. Каждый сцинтиллятор испускает не моноэнергетические кванты, а сплошной спектр, характерный для данного сцинтиллятора.

Очень важно, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ.

Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой. данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования

где - внешний спектр сцинтиллятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора. На практике при сравнении сцинтилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводят понятие сцинтилляционной эффективности, которая определяется следующим выражением:

где I 0- максимальное значение интенсивности сцинтилляции; t - постоянная времени затухания, определяемая как время, в течение которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз.

Число фотонов света n , испущенных за время t после попадания регистрируемой частицы, выражается формулой

где - полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции.

Процессы люминесценции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции и фосфоресценции. Если высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10-8сек, то процесс называется флуоресценцией. Интервал 10-8сек выбран потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов.

Хотя спектры и длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флуоресценции существенно зависит от него. Так при возбуждении кристалла a-частицами выход флуоресценции почти на порядок меньше, чем при фотовозбуждении.

Под фосфоресценцией понимают люминесценцию, которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения. Но основное различие между флуоресценцией и фосфоресценцией заключается не в длительности послесвечения. Фосфоресценция кристаллофосфоров возникает при рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении. В некоторых кристаллах возможно затягивание послесвечения за счет того, что электроны и дырки захватываются «ловушками», из которых они могут освободиться, лишь получив дополнительную необходимую энергию. Отсюда очевидна зависимость длительности фосфоресценции от температуры. В случае сложных органических молекул фосфоресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии, вероятность перехода из которого в основное состояние может быть малой. И в этом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфоресценции от температуры.

§ 2. Сцинтилляторы

Неорганические сцинтилляторы . Неорганические сцинтилляторы представляют собой кристаллы неорганических солей. Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов.

Процесс возникновения сцинтилляций можно представить при помощи зонной теории твердого тела. В отдельном атоме, не взаимодействующем с другими, электроны находятся на вполне определенных дискретных энергетических уровнях. В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях, и их взаимодействие достаточно сильно. Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Самой внешней разрешенной зоной, заполненной электронами, является валентная зона. Выше ее располагается свободная зона - зона проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, энергетическая ширина которой составляет несколько электронвольт.

Если в кристалле имеются какие-либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, то в этом случае возможно появление энергетических электронных уровней, расположенных в запрещенной зоне. При внешнем воздействии, например при прохождении через кристалл быстрой заряженной частицы, электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне останутся свободные места, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и называемые дырками.

Описанный процесс и является процессом возбуждения кристалла. Возбуждение снимается путем обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону, происходит рекомендация электронов и дырок. Во многих кристаллах переход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанные центры обусловливаются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому световой выход для него много больше, чем для чистого, беспримесного кристалла.

На практике, для увеличения светового выхода неорганических сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами. Так, например, в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий. Сцинтиллятор, построенный на основе кристалла NaJ(Tl), обладает большим световым выходом. Сцинтиллятор NaJ(Тl) имеет значильтельные преимущества по сравнению с газонаполненными счетчиками:

большую эффективность регистрации g-лучей (с большими кристаллами эффективность регистрации может достигать десятков процентов);

малую длительность сцинтилляции (2,5 10-7 сек);

линейную связь между амплитудой импульса и величиной энергии, потерянной заряженной частицей.

Последнее свойство требует пояснений. Световой выход сцинтиллятора имеет некоторую зависимость от удельных потерь энергии заряженной частицы.

При очень больших величинах возможны значительные нарушения кристаллической решетки сцинтиллятора, которые приводят к возникновению локальных центров тушения. Это обстоятельство может привести к относительному уменьшению светового выхода. Действительно, экспериментальные факты свидетельствуют о том, что для тяжелых частиц выход нелинеен, а линейная зависимость начинает проявляться только с энергии в несколько миллионов электронвольт. На рис.1 приведены кривые зависимости cот Е: кривая 1 для электронов, кривая 2для aчастиц.

Кроме указанных щелочно-галоидных сцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4 и др.

Органические кристаллические сцинтилляторы. Молекулярные силы связи в органических кристаллах малы по сравнению с силами, действующими в неорганических кристаллах. Поэтому взаимодействующие молекулы практически не возмущают энергетические электронные уровни друг у друга и процесс люминесценции органического кристалла является процессом, характерным для отдельных молекул. В основном электронном состоянии молекула имеет несколько колебательных уровней. Под воздействием регистрируемого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние, которому также соответствует несколько колебательных уровней. Возможны также ионизация и диссоциация молекул. В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, как правило, образуется в возбужденном состоянии. Первоначально возбужденная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время (~10-11сек) испускает фотон высокой энергии. Этот фотон поглощается другой молекулой, причем часть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движение и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией по сравнениюс предыдущим. После нескольких циклов испускания и поглощения образуются молекулы, находящиеся на первом возбужденномуровне; они испускают фотоны, энергия которых может оказаться уже недостаточной для возбуждения других молекул и, таким образом, кристалл будет прозрачным для возникающего излучения.

Рис. 2. Зависимость светового выхода

антрацена от энергии для различных частиц.

Благодаря тому, что большая часть энергии возбуждения расходуется на тепловое движение, световой выход (конверсионная эффективность) кристалла сравнительно невелик и составляет несколько процентов.

Для регистрации ядерных излучений наибольшее распространение получили следующие органические кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладаетдостаточно большим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3 10-8сек). Но при регистрации тяжелых заряженных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтилляции наблюдается лишь при довольно больших энергиях частиц.

На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода c(в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2, дейтонов 3 и a-частиц 4.

Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым выходом, чем антрацен, нозато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (7 10-9сек), чем у антрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения.

Пластмассовые сцинтилляторы. Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем прозрачном веществе. Например, растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе. Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов.

Так как растворителя много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя. Энергия возбуждения в дальнейшем передается молекулам сцинтиллятора. Очевидно, что спектр испускания растворителя должен быть более жестким, чем спектр поглощения растворенного вещества, или по крайней мере совпадать с ним. Экспериментальные факты показывают, что энергия возбуждения растворителя передается молекулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма, т. е. молекулы растворителя испускают фотоны, которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества. Возможен и другой механизм передачи энергии. Так как концентрация сцинтиллятора мала, то раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора.

Пластмассовые сцинтилляторы имеют значительные преимущества по сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами:

Возможность изготовления сцинтилляторов очень больших размеров;

Возможность введения в сцинтиллятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода;

Возможность введения в сцинтиллятор различных веществ, необходимых в специальных экспериментах (например, при исследовании нейтронов);

Возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме;

малое время высвечивания (~3 10-9сек). Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцинтилляторы, приготовленные растворением антрацена в полистироле. Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле.

Жидкие органические сцинтилляторы. Жидкие органические сцинтилляторы представляют собой растворы органических сцинтиллирующих веществ в некоторых жидких органических растворителях.

Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах аналогичен механизму, происходящему в твердых растворах-сцинтилляторах.

Наиболее подходящими растворителями оказались ксилол, толуол и фенилциклогексан, а сцинтиллирующими веществами р-терфенил, дифенилоксазол и тетрафенилбутадиен.Наибольшим световым выходом обладает сцинтиллятор, изготовленный при растворении

р-терфенила в ксилоле при концентрации растворенного вещества 5 г/л.

Основные достоинства жидких сцинтилляторов:

Возможность изготовления больших объемов;

Возможность введения в сцинтиллятор веществ, необходимых в специальных экспериментах;

Малая длительность вспышки ( ~3 10-9сек).

Газовые сцинтилляторы. При прохождении заряженных частиц через различные газы в них наблюдалось появление сцинтилляций. Наибольшим световым - выходом обладают тяжелые благородные газы (ксенон и криптон). Большим световым выходом обладает также смесь ксенона и гелия. Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход, даже больший, чем у чистого ксенона (рис. 3). Ничтожно малые примеси других газов резко уменьшают интенсивность сцинтилляций в благородных газах.

Рис. 3. Зависимость светового выхода газового

сцинтиллятора от соотношения смеси гелия и ксенона.

Экспериментально было показано, что длительность вспышек в благородных газах мала (10-9 -10-8 сек), а интенсивность вспышек в широком диапазоне пропорциональна потерянной энергии регистрируемых частиц и не зависит от их массы и заряда. Газовые сцинтилляторы обладают малой чувствительностью к g-излучению.

Основная часть спектра люминесценции лежит в области далекого ультрафиолета, поэтому для приведения в соответствие со спектральной чувствительностью ФЭУ используются светопреобразователи. Последние должны обладать высоким коэффициентом конверсии, оптической прозрачностью в тонких слоях, низкой упругостью насыщенных паров, а также механической и химической устойчивостью. В качестве материалов для светопреобразователей в основном используются различные органические соединения, например:

дифенилстильбен (эффективность преобразования около 1);

P1 p’ -кватерфенил (~1);

антрацен (0,34) и др.

Светопреобразователь наносится тонким слоем на фотокатод ФЭУ. Важным параметром светопреобразователя является его время высвечивания. В этом отношении органические преобразователи являются вполне удовлетворительными (10-9сек или несколько единиц на 10-9сек). Для увеличения светосбора внутренние стенки камеры сцинтиллятора обычно покрываются светоотражателями (MgO, эмаль на основе окиси титана, фторопласт, окись алюминия и др.).

§ 3. Фотоэлектронные умножители

Основными элементами ФЭУ являются: фотокатод, фокусирующая система, умножительная система (диноды), анод (коллектор). Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаченном до высокого вакуума (10-6мм рт.ст.).

Для целей спектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ. В качестве материала фотокатода выбирается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при l= 3900¸4200 А, что соответствует, максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов.

Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ.

Одной из характеристик фотокатода является его квантовый выход в, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. Величина e может достигать 10-20%. Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).

Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Существенна толщина этого слоя. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым. Поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода. Существенно также обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади. В сцинтилляционной g-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов. В отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15¸20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этой цели используется система электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом. На рис.4 приведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (s>1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жалюзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное расположение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обладают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов. Максимальное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350¸400 эв, а для сплавных эмиттеров - при 500¸550 эв. В первом случае s= 12¸14, во втором s=7¸10. В рабочих режимах ФЭУ значение sнесколько меньше. Достаточно хорошим коэффициентом вторичной эмиссии является s= 5.

Фотоэлектроны, сфокусированные на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в s раз.

При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5-7 порядков и попадает на анод - собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения.

Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умножения М. Если значение s для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодов равно n , то

A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиления М" , который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току, выходящему из катода

М" =СМ,

где С<1 - коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.

Очень важным является постоянство коэффициента усиления М" ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электронов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектрометров ядерных излучений.

О помехах в фотоумножителях. В сцинтилляционных счетчиках даже при отсутствии внешнего облучения возможно появление большого числа импульсов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют небольшие амплитуды и носят название шумовых. Наибольшее число шумовых импульсов обусловливается появлением термоэлектронов из фотокатода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации излучений, создающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы.

Рис. 5. Схема для подавления шумов ФЭУ.

1. При регистрации импульсов, амплитуда которых сравнима с шумовыми, рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ, включенными в схему совпадений (рис. 5). В этом случае происходит временная селекция импульсов, возникших от регистрируемой частицы. В самом деле, вспышка света, возникшая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одновременно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в каждом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зарегистрированы схемой совпадений. Такой способ позволяет уменьшать собственный фон ФЭУ на 2-3 порядка.

Число шумовых импульсов растет с ростом приложенного напряжения, сначала довольно медленно, затем возрастание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона является автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ.

В районе анода, где плотность тока наибольшая, возможно возникновение свечения как остаточного газа, так и конструктивных материалов. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопровождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10-8 ¸10-7сек.

§ 4. Конструкции сцинтилляционных счетчиков

К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования:

Наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде;

Равномерное распределение света по фотокатоду;

Затемнение от света посторонних источников;

Отсутствие влияния магнитных полей;

Стабильность коэффициента усиления ФЭУ.

При работе со сцинтилляционными счетчиками всегда необходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает оптимально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе. Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного конца плоским стеклом. Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой материала, отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу. Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85-0,90), используется также алюминий (0,55-0,85).

Особое внимание должно быть обращено на тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов. Так, например, наиболее часто используемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги желтеет и теряет свои сцинтилляционные свойства.

Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковывать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все твердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилляции. Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт.

В некоторых экспериментах, например при измерениях в вакууме, в магнитных полях, в сильных полях ионизирующих излучений сцинтиллятор не может быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ. В таких случаях для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод. В качестве светопроводов применяются полированные стержни из прозрачных материалов - таких, как люсит, плексиглас, полистирол, а также металлические или плексигласовые трубки, заполненные прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых экспериментах необходимо использовать изогнутые светопроводы.

Лучше применять светопроводы с большим радиусом кривизны. Светопроводы позволяют также сочленять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров. При этом используются конусообразные светопроводы. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором производится либо через светопровод, либо непосредственным контактом с жидкостью. На рис.6 приведен пример сочленения ФЭУ с жидким сцинтиллятором. В различных режимах работы на ФЭУ подается напряжение от 1000 до 2500в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зависит от напряжения, то источник питающего тока должен быть хорошо стабилизирован. Кроме того, возможно осуществление самостабилизации.

Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения, который позволяет подавать на каждый электрод соответствующий потенциал. Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов делителя. Положительный полюси другой конец делителя заземляются. Сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптимальный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядок превышать электронные токи, идущие через ФЭУ.

Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором.

1-жидкий сцинтиллятор;

2- ФЭУ;

3- светозащитный кожух.

При работе сцинтилляционного счетчика в импульсном режиме на выходе ФЭУ возникают короткие (~10-8сек) импульсы, амплитуда которых может составлять несколько единиц или несколько десятков вольт. При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие изменения, так как ток через делитель не успевает восполнить заряд, уносимый с каскада электронами. Чтобы избежать таких колебаний потенциалов, несколько последних сопротивлений делителя шунтируются емкостями. За счет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная электроннооптическая система, соответствующая оптимальному режиму.

В электроннооптической системе траектория электрона не зависит от пропорционального изменения потенциалов на всех электродах, образующих данную электроннооптическую систему. Так и в умножителе при изменении напряжения питания изменяется лишь коэффициент усиления его, но электроннооптические свойства остаются неизменными.

Принепропорциональном изменении потенциалов на динодах ФЭУ условия фокусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изменяются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэффициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал

Рис. 7. Часть схемы делителя.

одного из динодов по отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным, либо с помощью дополнительной батареи, либо с помощью дополнительно стабилизированного делителя. На рис.7 приведена часть схемы делителя, где между динодами D5 и D6 включена дополнительная батарея( Uб = 90 в). Для получения наилучшего эффекта самостабилизации необходимо подобрать величину сопротивленияR". ОбычноR" большеR в 3- 4 раза.

§ 5. Свойства сцинтилляционных счетчиков

Сцинтилляционные счетчики обладают следующими достоинствами.

Высокая разрешающая способность по времени. Длительность импульса в зависимости от используемых сцинтилляторов простирается от 10-6 до 10-9сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самостоятельным разрядом, что позволяет осуществлять намного большие скорости счета. Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных счетчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождения регистрируемой частицы через фосфор (10-9 -10-8сек). Это позволяет использовать схемы совпадений с малым разрешающим временем (<10-8сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

Высокая эффективность регистрации g -лучей и нейтронов. Для регистрации g-кванта или нейтрона необходимо, чтобы они прореагировали с веществом детектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зарегистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества на пути g-лучей или нейтронов, тем большей будет вероятность их поглощения, тем большей будет эффективность их регистрации. В настоящее время при использовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности регистрации g-лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенными веществами (10 В,6 Li и др.) также намного превышает эффективность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков.

Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения. В самом деле, для легких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтилляторе пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе.

С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным анализаторам, можно изучать спектры электронов и g-лучей. Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (a-частицы и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц. Это иллюстрируется графиками на рис.1 и 2.

Возможность изготовления сцинтилляторов очень больших геометрических размеров. Это означает возможность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших энергий (космические лучи), а также частиц, слабо взаимодействующих с веществом (нейтрино).

Возможность введения в состав сцинтилляторов веществ, с которыми с большим сечением взаимодействуют нейтроны. Для регистрации медленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленных нейтронов с6 Li идет реакция6 Li(n,a)3 Н, в которой выделяется энергия в 4,8 Мэв.

§ 6. Примеры использования сцинтилляционных счетчиков

Измерение времен жизни возбужденных состояний ядер. При радиоактивном распаде или в различных ядерных реакциях образующиеся ядра часто оказываются в возбужденном состоянии. Изучение квантовых характеристик возбужденных состояний ядер является одной из главных задач ядерной физики. Очень важной характеристикой возбужденного состояния ядра является время его жизниt. Знание этой величины позволяет получать многие сведения о структуре ядра.

Атомные ядра могут находиться в возбужденном состоянии различные времена. Для измерения этих времен существуют различные методы. Сцинтилляционные счетчики оказались очень удобными для измерения времен жизни уровней ядер от нескольких секунд до очень малых долей секунды. В качестве примера использования сцинтилляционных счетчиков мы рассмотрим метод задержанных совпадений. Пусть ядро A (см. рис.10) путем b-распада превращается в ядро В в возбужденном состоянии, которое избыток своей энергии отдает на последовательное испускание двух g-квантов(g1 ,g2). Требуется определить время жизни возбужденного состоянияI . Препарат, содержащий изотоп A, устанавливается между двумя счетчиками с кристаллами NaJ(Tl) (рис.8). Импульсы, возникшие на выходе ФЭУ, подаются на схему быстрых совпадений с разрешающим временем ~10-8 -10-7сек. Кроме того, импульсы подаются на линейные усилители и далее на амплитудные анализаторы. Последние настраиваются таким образом, что они пропускают импульсы определенной амплитуды. Для нашей цели, т.е. для цели измерения времени жизни уровня I (см. рис. 10), амплитудный анализаторAAI должен пропускать только импульсы, соответствующие энергии квантов g1 а анализаторAAII - g2.

Рис.8. Принципиальная схема для определения

времени жизни возбужденных состояний ядер.

Далее импульсы с анализаторов, а также с быстрой схемы совпадений подаются на медленную (t~10-6сёк) схему тройных совпадений. В эксперименте изучаются зависимость числа тройных совпадений от величины временной задержки импульса, включенной в первый канал схемы быстрых совпадений. Обычно задержка импульса осуществляется с помощью так называемой переменной линии задержки ЛЗ (рис.8).

Линия задержки должна включаться именно в тот канал, в котором регистрируется квантg1, так как он испускается раньше кванта g2. В результате эксперимента строится полулогарифмический график зависимости числа тройных совпадений от времени задержки (рис.9), и уже по нему определяется время жизни возбужденного уровня I (так же, как это делается при определении периода полураспада с помощью одиночного детектора).

Используя сцинтилляционные счетчики с кристаллом NaJ(Tl) и рассмотренную схему быстро-медленных совпадений, можно измерять времена жизни 10-7 -10-9сек. Если же использовать более быстрые органические сцинтилляторы, то можно измерять и меньшие времена жизни возбужденных состояний (до 10-11сек ).

Рис.9. Зависимость числа совпадений от величины задержки.

Гамма-дефектоскопия. Ядерные излучения, обладающие большой проникающей способностью, все чаще применяются в технике для обнаружения дефектов в трубах, рельсах и других больших металлических блоках. Для этих целей используется источник g-излучения и детектор g-лучей. Наилучшим детектором в этом случае является сцинтилляционный счетчик, обладающий большой эффективностью регистрации. Источник излучения помещается в свинцовый контейнер, из которого через коллиматорное отверстие выходит узкий пучок g-лучей, освещающий трубу. С противоположной стороны трубы устанавливается сцинтилляционный счетчик. Источник и счетчик помещаются на подвижный механизм, позволяющий передвигать их вдоль трубы, а также поворачивать около ее оси. Проходя через материал трубы, пучок g-лучей будет частично поглощаться; если труба однородна, поглощение будет всюду одинаковым, и счетчик будет всегда регистрировать одно и то же число (в среднем) g-квантов в единицу времени, если же в каком-то месте трубы имеется раковина, то g-лучи в этом месте будут поглощаться меньше, скорость счета увеличится. Местоположение раковины будет обнаружено. Примеров подобного использования сцинтилляционных счетчиков можно привести много.

Экспериментальное обнаружение нейтрино. Нейтрино - самая загадочная из элементарных частиц. Практически все свойства нейтрино получены из косвенных данных. Современная теория b-распада предполагает, что масса нейтрино mn равна нулю. Некоторые эксперименты позволяютутверждать, что. Спин нейтрино равен 1/2, магнитный момент <10-9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (n-частица). При электронном распадеиспускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

Создание ядерных реакторов, в которых образуется очень большое количество ядер с избытком нейтронов, вселило надежду на обнаружение антинейтрино. Все нейтронноизбыточные ядра распадаются с испусканием электронов, а следовательно, и антинейтрино. Вблизи ядерного реактора мощностью в несколько сотен тысяч киловатт поток антинейтрино составляет 1013см -2 · сек-1 - поток огромной плотности, и при выборе подходящего детектора антинейтрино можно было попытаться их обнаружить. Такая попытка была осуществлена Рейнесом и Коуэном в 1954 г. Авторы использовали следующую реакцию:

n + p ® n + e+ (1)

этой реакции частицами-продуктами являются позитрон и нейтрон, которые могут быть зарегистрированы.

Детектором и одновременно водородной мишенью служил жидкий сцинтиллятор, объемом ~1м3 , с высоким содержанием водорода, насыщенный кадмием. Позитроны, возникающие в реакции (1), аннигилировали в два g-кванта с энергией 511 кэв каждый и обусловливали появление первой вспышки сцинтиллятора. Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедлялся и захватывался кадмием. При этом захвате кадмием испускалось несколько g-квантов с суммарной энергией около 9 Мэв. В результате в сцинтилляторе возникала вторая вспышка. Измерялись запаздывающие совпадения двух импульсов. Для регистрации вспышек жидкий сцинтиллятор окружался большим количеством ФЭУ.

Скорость счета запаздывающих совпадений составляла три отсчета в час. Из этих данных было получено, что сечение реакции (рис. 1) s = (1,1 ± 0,4)10 -43 см2 , что близко к расчетной величине.

В настоящее время жидкостные сцинтилляционные счетчики очень больших размеров используются во многих экспериментах, в частности в экспериментах по измерению потоков g-излучений, испускаемых человеком и другими живыми организмами.

Регистрация осколков деления. Для регистрации осколков деления оказались удобными газовые сцинтилляционные счетчики.

Обычно эксперимент по изучению сечения деления ставится следующим образом: слой изучаемого элемента наносится на какую-то подложку и облучается потоком нейтронов. Конечно, чем больше будет использоваться делящегося вещества, тем больше будет происходить актов деления. Но так как обычно делящиесявещества (например, трансурановые элементы) являются a-излучателями, то использование их в значительных количествах становится затруднительным из-за большого фона от a-частиц. И если акты деления изучаются с помощью импульсных ионизационных камер, то возможно наложение импульсов от a-частиц на импульсы, возникшие от осколков деления. Только прибор, обладающий лучшим временным разрешением, позволит использовать большие количества делящегося вещества без наложения импульсов друг на друга. В этом отношении газовые сцинтилляционные счетчики обладают значительным преимуществом по сравнению с импульсными ионизационными камерами, так как длительность импульсов у последних на 2-3 порядка больше, чем у газовых сцинтилляционных счетчиков. Амплитуды импульсов от осколков деления много больше, чем от a-частиц и поэтому могут быть легко отделены с помощью амплитудного анализатора.

Очень важным свойством газового сцинтилляционного счетчика является его низкая чувствительность к g-лучам, так как часто появление тяжелых заряженных частиц сопровождается интенсивным потоком g-лучей.

Люминесцентная камера. В 1952 г. советскими физиками Завойским и другими впервые было произведено фотографирование следов ионизирующих частиц в люминесцирующих веществах с помощью чувствительных электроннооптических преобразователей (ЭОП). Этот метод регистрации частиц, названный люминесцентной камерой, имеет высокую разрешающую способность по времени. Первые опыты были произведены при использовании кристалла CsJ (Tl).

В дальнейшем для изготовления люминесцентной камеры стали использовать пластмассовые сцинтилляторы в виде длинных тонких стерженьков (нитей). Нити укладываются в виде стопки рядами так, что нити в двух соседних рядах расположены под прямым углом друг к другу. Этим обеспечивается возможность стереоскопического наблюдения для воссоздания пространственной траектории частиц. Изображения от каждой из двух групп взаимно перпендикулярных нитей направляются на отдельные электроннооптические преобразователи. Нити играют также роль светопроводов. Свет дают только те нити, которые пересекает частица. Этот свет выходит через торцы соответствующих нитей, которые фотографируются. Изготовляются системы с диаметром отдельных нитей от 0,5 до 1,0 мм.

Литература :

1. Дж.Биркс. Сцинтилляционные счетчики. М., ИЛ, 1955.

2. В.О.Вяземский, И.И. Ломоносов, В.А. Рузин. Сцинтилляционный метод в радиометрии. М., Госатомиздат, 1961.

3. Ю.А. Егоров. Стинцилляционный метод спектрометрии гамма излучения и быстрых нейтронов. М., Атомиздат, 1963.

4. П.А. Тишкин. Эксперементальные методы ядерной физики(детекторы ядерных излучений).

Издательство Ленинградского Университета, 1970.

5 Г.С. Ландсберга. Элементарный учебник физики (том 3).М., Наука, 1971

Эффект сцинтилляции для количественного определения радионуклидов начинали использовать еще во времена Резерфорда, который визуально считал сцинтилляционные вспышки под микроскопом. За сто лет принципиальных изменений не произошло. Рядом с источником излучения помещают сцинтиллятор и ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), который считает вспышки. Сцинтиллятор может быть твердым, а может быть и жидким (чаще, растворенным в жидкости). Во флакон (vial) с жидким сцинтиллятором добавляют тестируемый образец, и в этом случае можно эффективно измерять даже самое "слабое", низкоэнергетическое излучение.

При измерении активности (радиоактивности) любых образцов и для любых средств измерения необходимо помнить несколько простых, но важных правил:

Радиоактивный распад является классическим примером случайного, вероятностного природного процесса и, рассматривая измерение активности как регистрацию случайных событий, мы получаем математическую ошибку измерения активности:

где n -- число "событий" (в нашем случае распадов).

Например, для 400 зарегистрированных импульсов на любом приборе независимо от времени измерения (наблюдения) 4001/2 / 400 х 100% = 5%, т.е. ошибка 5%. Это означает, что чем больше число измерений (собственно счет), тем меньше математическая ошибка измерения. Более того, вопреки устоявшейся традиции, для снижения математической ошибки измерения надо считать не число зарегистрированных прибором распадов (импульсов) за единицу времени, а время, необходимое для "накопления нужного" числа импульсов -- например, 10000 имп. Тем не менее, во всем мире активность с помощью счетчиков измеряют как количество импульсов за единицу времени (обычно по 1 минуте).

Все счетчики имеют верхний предел измерения, после которого их точность падает, так как счетчик не успевает регистрировать -- "захлебывается". Для сцинтилляционных счетчиков -- это активность на уровне 106ч107 расп./мин. Некоторые типы счетчиков имеют встроенную блокировку и отказываются считать образцы, активность которых превышает установленную для данной модели. Оптимальная активность образца для точного измерения 104ч106 расп./мин.

Проводя количественные измерения, например, определяя концентрацию радионуклида в растворе, всегда делайте хотя бы 2, а лучше 3 измерения независимых аликвот и активность определяйте как среднюю из 2 -- 3 измерений. Затраты времени на "лишние" процедуры будут с лихвой компенсированы отсечением случайных "выбросов". Разброс в измерениях, особенно у начинающих исследователей, может достигать 200% и более, хотя в норме не должен превышать обычную ошибку рутинного отбора аликвот.

Ни один измерительный прибор не регистрирует 100% всех "распадов" (decompositions) в измеряемом образце. Эффективность счета -- это коэффициент, который связывает зарегистрированные прибором импульсы (counts) и реальные распады (decompositions). Поэтому для любого измерения распады/мин. (dpm -- decompositions per min.) больше импульсов/мин. (cpm -- counts per min.). Правда, для большинства радионуклидов, применяемых в life science, эффективность жидкостного сцинтилляционного счета составляет более 90%. Однако, тритий удается измерять с эффективность не более 50ч60%. Обычно эффективность счета для каждого радионуклида указывается в технической документации к прибору, и долгое время негласное соревнование между фирмами за более высокую эффективность счета трития было чуть ли не главным двигателем технического прогресса в этой области.

Все измерительные приборы имеют собственный "фон" -- регистрируют какое-то количество импульсов без источника ионизирующего излучения (радиоактивного препарата). Природа фона различна: космическое излучение, электронный шум, содержание природных радионуклидов в помещении, где установлена измерительная аппаратура и т.д. Поэтому минимально достоверная величина активности, измеряемая прибором, увязывается с фоном и обычно принимается равной трехкратному превышению фона данного прибора. Если в вашем "эпохальном" эксперименте активность "главного" образца едва-едва превышает фон, попытайтесь увеличить время измерения (можно до 20 мин.) -- тогда достоверность измерения возрастёт.

В большинстве случаев в life science абсолютные измерения активности не нужны, и гораздо важнее получить информацию об относительной активности образцов: распределение активности по гелю, хроматографической пластинке или по элюированным с колонки продуктам; доля субстрата, превратившегося в продукт под действием фермента; доля лиганда, связанного с рецептором; детекция продуктов метаболизма соединения, меченного радионуклидом, и другие аналогичные задачи. Поэтому очень важно, чтобы условия приготовления и измерения образцов в конкретном эксперименте были одинаковыми, тогда абсолютные погрешности в измерениях не окажут существенного влияния на биологические результаты.

Наиболее ярко эту относительность измерений иллюстрирует широкое использование минимониторов -- приборов, предназначенных для определения загрязнения поверхностей рабочих столов, одежды и т.д. Небольшие карманные приборы, имеющие ионизационный счетчик (обычно это ионизационная камера или счетчик Гейгера), оказались очень удобными для детекции меченного фосфором-32 фрагмента ДНК в агарозном геле или меченного йодом-125 белка в ПААГ и т.п. Некоторые ухитряются по показаниям такого прибора оценивать включение меченых предшественников биосинтеза в биополимеры после разделения продуктов реакции, используют мониторы для измерения активности образцов на фильтрах, кусках фильтровальной или хроматографической бумаги и даже в пробирках. Это удобно и полезно для качественных и полуколичественных оценок, но следует помнить, что приборные ошибки в таких измерениях могут быть очень значительными и достигать 200--300%.

Жидкостные сцинтилляционные счетчики уже многие годы остаются главным инструментом для количественного измерения радионуклидов. Несмотря на разнообразие конструкций, с точки зрения пользователя, все они измеряют активность образцов, помещенных в специальный стеклянный или пластиковый флакон и заполненный жидким сцинтиллятором. Поскольку измерение активности сводится к подсчету вспышек света, жидкость во флаконе должна быть прозрачная для счета и гомогенная по составу. Все отклонения от этого требования снижают эффективность счета, причем иногда существенно. Образование осадка или двухфазной несмешивающейся жидкой системы, наличие образцов биологических тканей или фильтровальных материалов -- все эти факторы снижают эффективность счета. То же самое касается добавок многих химических веществ: кислот, щелочей, концентрированных растворов сахаров, солей, мочевины и многое другое. Особенно это касается измерений трития, где разница в эффективности счета для гомогенного, почти идеального, образца и образца, нанесенного на хроматографический сорбент, может быть в 10ч30 раз и даже больше. Это необходимо учитывать, если при составлении баланса по активности вдруг куда-то исчезнет часть радиоактивного материала или откуда-то внезапно появится "лишнее".

Составы сцинтилляторов весьма разнообразны и фирмы, производящие сцинтилляционные коктейли, часто не раскрывают их состав. Классический (едва ли не самым первый) жидкий сцинтиллятор -- это толуольный раствор 2,5-дифенилоксазола (РРО) с добавкой 1,4-ди--бензола (РОРОР). Состав: 4 г РРО и 0,2 г РОРОР на 1 л толуола. Не вдаваясь в подробности, следует подчеркнуть, что это -- неводная система, а водные растворы считать в таком сцинтилляторе не принято. Для измерения водных проб к такому сцинтиллятору добавляют тритон Х-100 до 30% по объему.

Другим вариантом "водолюбивого" сцинтиллятора является диоксановый: 60 г нафталина, 4 г РРО, 0,2 г РОРОР, 200 мл спирта и до 1 л диоксан марки "сцинтиляционный". Впрочем, большинство исследователей сегодня успешно пользуются готовыми фирменными коктейлями, справедливо не задумываясь над их составом.

Важными источниками ошибок для жидкостного сцинтилляционного счета являются "засветка" сцинтилляционной жидкости и электризация счетных флаконов. Оба эффекта легко нейтрализуются во времени (не спешите сразу считать, дайте пробам постоять в темном пространстве прибора несколько минут), кроме того, электризация почему-то чаще проявляется на стеклянных флаконах, и реже -- на одноразовых пластиковых.

Внедрение в технологию биоскрининга радиометрических методов анализа подвигло разработчиков на создание высокопроизводительных сцинтилляционных счетчиков для измерения активности в планшетах. Для радиоактивных изотопов фосфора прибор используется в модификации с внешним твердым сцинтиллятором, который и является детектором. Для трития твердый сцинтиллятор добавляют прямо в лунку планшета в виде специальных бусинок и, так как эти бусинки являются одновременно компонентом биохимической реакции, то связанный с "бусами" меченый тритием лиганд считается сцинтиллятором, а не связанный, находящийся в растворе, -- не считается. С радиохимической точки зрения эффективность счета в таких измерениях очень низкая, но для биоскрининга важно относительное распределение меченых соединений в системе "связанный-несвязанный", а высокая производительность и простота операций оправдывают колоссальные затраты на реализацию таких методов.

Сцинтилляционный счетчик (рис. 2.3) имеет два основных элемента: сцинтиллятор, реаги­рующий на ядерное излучение вспышки света, и фотоэлектрон­ный умножитель (ФЭУ), преобразующий эти слабые вспышки света в электрические импульсы и усиливающий последние в миллионы раз.

Сцинтилляторы (люминофоры) работают следующим образом. Гамма-квант, попадая в сцинтиллятор, взаимодей­ствует с его атомами (фотоэффект и комптонэффект, образова­ние электронно-позитронных пар), что приводит к возникно­вению свободных зарядов (электронов и позитронов). Этим

. /-сцинтиллятор (люминофор); 2 - отражатель; 3 - ФЭУ; 4 - фотокатод;

5 - фокусирующий динод; й-диноды; 7-собирающий электрод (анод); 8- делитель напряжения

Рис. 2.3 Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика

зарядам передается либо вся энергия кванта (фотоэффект), либо часть ее (комптонэффект, образование пар). Энергия сво­бодных зарядов расходуется на ионизацию и возбуждение ато­мов сцинтиллятора. При переходе из возбужденного состояния в основное атомы сцинтиллятора теряют энергию, полученную при возбуждении, в виде электромагнитных колебаний (свето­вых фотонов) - люминесценции.

Различают два вида люминесценции: флуоресценцию, когда свечение атома происходит почти мгновенно после воз­буждения (10~ 9 -10~ 7 с), и фосфоресценцию, когда воз­бужденные молекулы находятся в метастабильном состоянии неопределенное время. Для сцинтилляционных счетчиков при­годны люминофоры, обладающие флуоресценцией, т. е. корот­ким временем высвечивания.

Образовавшиеся фотоны света в результате взаимодействия ядерных частиц или гамма-квантов со сцинтиллятором разлета­ются во все стороны, частично поглощаясь в толще кристалла сцинтиллятора. В связи с этим только часть фотонов попадает на фотоумножитель, и форма спектра световых фотонов, выхо­дящих из сцинтиллятора, отличается от формы спектра обра­зующих фотонов. Для увеличения числа фотонов, достигающих катода, стенки сцинтиллятора, кроме той, которая контакти­рует с фотокатодом, покрываются фотоотражающим слоем. Хорошие результаты можно получить, поместив кристалл сцинтиллятора в порошок магнезии. Важной особенностью сцинтилляторов является также линейная зависимость их эффек­тивности от энергии исследуемых частиц, что позволяет приме­нять их также при спектроскопических исследованиях естест­венного и искусственного гамма-излучения.

Из многочисленных сцинтилляторов наиболее часто применяются монокристаллы йодистого натрия Nа1 (Т1), которые характеризуются наиболее высо­кой эффективностью счета. Их основной недостаток - высокая гигроскопичность. В случае попадания в кристалл влаги он мутнеет и, следовательно, его эксплуатационные характеристики снижаются. Фотоэлектрический умножитель - устройство (см. рис. 88), соединяющее в себе фотоэлемент и электронный усилитель, действие которого основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Фотоны из сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ.

Электроны, вылетающие из фотокатода, ускоряются элек­трическим полем и через диафрагму устремляются на первый электрод (динод) умножителя. Вследствие вторичной эмиссии каждый упавший электрон выбивает из диода несколько вто­ричных электронов, число которых зависит от приложенной между электродами разности потенциалов. Эти электроны, на­ходясь в поле притяжения второго динода, также ускоряются и вызывают вторичную электронную эмиссию на следующем диноде. Таким образом, происходит скачкообразное увеличение числа электронов на каждом диноде фотоэлектрического умно­жителя. Последним электродом в этой цепи служит анод, ко­торый для устранения ненужной теперь вторичной эмиссии электронов иногда выполняется в виде сетки и окружается эк­раном, соединенным с предпоследним электродом. Число динодов определяет полное усиление электронов фотоумножителя и у современных фотоумножителей колеблется от 8 до 14.

Разрешающее время сцинтилляционных счетчиков зависит от длительности сцинтилляции, а также разброса времен про­лета электронных групп через умножитель и составляет до 10- 9 с.

В зависимости от назначения фотоумножители можно под­разделять на две группы: 1) фотоумножители для интеграль­ного счета сцинтилляций с целью определения ядерных частиц или гамма-квантов; 2) спектрометрические фотоумножители для амплитудного анализа импульсов сцинтилляций с целью определения энергии гамма-квантов.

К фотоумножителям первой группы предъявляются следую­щие требования: достаточно высокая чувствительность фотока­тода, большая величина отношения сигнал/шум и малое разре­шающее время. Спектрометрические фотоумножители должны обладать хорошим амплитудным разрешением и стабильностью работы во времени.

Основные преимущества сцинтилляционных счетчиков:

1) высокая чувствительность (эффективность), в том числе к гамма-лучам; 2) большая разрешающая способность ; 3) способность различать частицы по их энергии и из­мерять ее, т. е. проводить спектрометрию радиоактивных излу­чений. Таким образом, сцинтилляционные счетчики, соединяя в себе положительные качества пропорционального счетчика и счетчика Гейгера - Мюллера, обладают более высокой эф­фективностью и разрешающей способностью.

Недостатки сцинтилляционных счетчиков: 1) высокая чув­ствительность к изменению температуры окружающей среды;

2) повышенные требования к стабильности питающего напря­жения; 3) большой разброс параметров фотоумножителей и из­менение характеристик и параметров фотоумножителей в про­цессе их работы.

В сцинтилляционном счетчике регистрация заряженной частицы связана с возбуждением атомов и молекул вдоль ее траектории. Возбужденные атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ, называемых фосфорами или люминофорами, часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение заряженной частицы через такое вещество вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в фосфоре в последний добавляют так называемые активаторы. Вид активатора указывают в скобках после обозначения фосфора. Например, кристалл NaI, активированный таллием, обозначают NaI(Tl).

Попадание быстрой заряженной частицы в фосфор вызывает световую вспышку - сцинтилляцию. Последняя преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10 5 -10 6 раз фотоэлектрическим умножителем (ФЭУ). Подобное сочетание двух элементов - фосфора и ФЭУ-используют в сцинтилляционных счетчиках (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Принципиальная схема сцинтилляционного счётчика.

1 – кристалл NaI; 2 – фотокатод; 3 – фокусирующая электронная линза;

4 – эмиттеры (диноды); 5 - анод

Регистрация γ-квантов в сцинтилляционном счетчике происходит благодаря вторичным электронам и позитронам, образующимся при поглощении γ-квантов фосфором. Поскольку фосфоры обладают хорошей оптической прозрачностью, обеспечивающей сбор света на фотокатод ФЭУ со значительного объема фосфора, для регистрации γ-квантов можно применять фосфоры большой толщины. Это обеспечивает высокую эффективность регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком, на порядок и более превышающую эффективность газонаполненных счетчиков.

Фотоэлектронные умножители состоят из фотокатода, умножающих электродов (динодов) ианода (см. рис. 5.7). Потенциал каждого последующего электрода на некоторую величину (около 10 В) превышает потенциал предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними. Фотоны, поступающие из фосфора на фотокатод, выбивают из него несколько десятков или сотен электронов, которые фокусируются и ускоряются электрическим полем и бомбардируют первый динод. При торможении в диноде каждый ускоренный электрон выбивает до 5-10 вторичных электронов. Такой процесс, повторяясь на каждом последующем диноде, обеспечивает умножение электронов до многих миллионов раз.

Сцинтилляционные счетчики в ядерной геологии и геофизике используют для регистрации γ-квантов, реже нейтронов и β-частиц. При регистрации тяжелых заряженных частиц возникает трудность с обеспечением их ввода в фосфор. Поэтому для регистрации α-частиц чаще всего используют ионизационные камеры или торцовые счетчики. Лишь для регистрации α-активности эманации широко применяют сцинтилляционную камеру, внутренние стенки которой покрыты ZnS (Ag) .

Из-за термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых динодов на выходе даже полностью затемненного ФЭУ возникает некоторый темновой ток, создающий небольшие фоновые импульсы. Для их отсечения в схему регистрации вводят дискриминаторы.

Особенности использования сцинтилляционных счетчиков для спектрометрии γ-излучения. При регистрации γ-квантов сцинтилляционным счетчиком амплитуда импульса на его выходе пропорциональна энергии электрона и позитрона, образовавшихся при взаимодействии кванта с сцинтиллятором. Если при фотоэффекте энергия фотоэлектрона равна энергии кванта (за вычетом небольшой величины - энергии связи К -электрона), то электрону при комптоновском рассеянии и паре электрон-позитрон в эффекте образования пар передается лишь часть энергии кванта. При комптон-эффекте в зависимости от угла рассеяния γ-кванта энергия электрона может меняться в широких пределах (рис. 5.8.), а при эффекте образования пар - кинетическая энергия пары на 1,02 МэВ меньше, чем энергия кванта.

Рис. 5.8. Упрощенная схема распределения энергии вторичных

электронов в люминофоре при: а – фотоэффекте, б – комптоновском рассеянии,

в – образовании пар; N - число импульсов, Е – энергия вторичных электронов.

В результате спектр энергии вторичных частиц, образованных в сцинтилляторе монохроматическим пучком γ-квантов имеет сложный вид. Появление дополнительных линий Е v = 0,51 МэВ и Е у при эффекте образования пар обусловлено тем, что в ряде случаев один или даже оба γ-кванта с энергией 0,51 МэВ, образующихся при аннигиляции позитрона, поглощаются в сцинтилляторе в результате фотоэффекта и вспышка от этих фотоэлектродов сливается со вспышкой от первичной пары электрон-позитрон. Максимальная энергия комптоновского электрона

Реальное амплитудное распределение импульсов на выходе ФЭУ более расплывчатое, чем спектр электронов на рис. 5.8 из-за статистического характера процессов в фосфоре и ФЭУ. Оно не дискретное, а непрерывное. Типичный аппаратурный спектр изотопа 24 Na (Е Y =1,38 и 2,76 МэВ) приведен на рис.5.9.

Для линии 1,38 МэВ вклад эффекта образования пар ничтожен и соответствующие пики почти незаметны, образуется лишь пик 1,38 МэВ, обусловленный фотоэффектом, а также менее четкий комптоновский пик с энергией 1,17 МэВ. Для линии 2,76 МэВ наблюдаются три пика с энергиями 1,74, 2,25 и 2,76 МэВ. Два первых пика обязаны эффекту образования пар, а последний пик (2,76 МэВ) трем процессам: фотоэффекту, эффекту образования пар, сопровождающемуся поглощением обоих квантов аннигиляции; комптон-эффекту, когда рассеянный квант также поглощается фосфором в результате фотоэффекта. Во всех трех процессах в световую энергию превращается вся энергия кванта. Поэтому этот пик называют пиком полного поглощения.

Форма пика полного поглощения близка к гауссовой кривой. Отношение μ=ΔЕ/Е полуширины пика ΔЕ на половине его высоты к средней энергии Е называют амплитудным разрешением счетчика. Чем меньше μ, тем лучше спектрометр. Значение μ обычно растет с уменьшением энергии и для хороших сцинтилляционных спектрометров при Е v = l,33 МэВ (60 Со) составляет 6%.

Сцинтилляционные счетчики обеспечивают гораздо большую эффективность регистрации γ-квантов (до 30-50 % и более), чем газоразрядные, и дают возможность изучения спектрального состава излучения. К преимуществам сцинтилляционных счетчиков относится также более низкий уровень их собственного и космического фона.

Рис. 5.9. Аппаратурный спектр γ-излучения , содержащий линии

с энергией 1,38 и 2,76 МэВ.

Однако сцинтилляционные счетчики более сложны и требуют более квалифицированного обслуживания, чем разрядные. Это обусловлено большим влиянием температуры на световыход фосфоров, несравненно более высокими требованиями к стабилизации источника питания, а также более сильным изменением характеристик сцинтилляционных счетчиков во времени.

Сцинтилляционный счетчик состоит из таких двух составляющих, как сцинтиллятор (фосфор) и умножитель фотоэлектронного типа. В базовой комплектации к данному счетчику производители добавили источник для электрического питания и радиотехническую аппаратуру, обеспечивающую усиление и регистрацию импульсов ФЭУ. Довольно часто сочетание всех элементов данной системы осуществляется с помощью оптической системы - светопровода. Далее в статье рассмотрим принцип действия сцинтилляционного счетчика.

Особенности работы

Устройство сцинтилляционного счетчика довольно непростое, поэтому данной теме необходимо уделить больше внимания. Суть работы данного аппарата заключается в следующем.

В прибор поступает заряженная частица, вследствие этого происходит возбуждение всех молекул. Данные объекты спустя определенный промежуток времени успокаиваются, и в этом процессе они выпускают так называемые фотоны. Весь этот процесс необходим для того, чтобы произошла Определенные фотоны проходят на фотокатод. Этот процесс необходим для появления фотоэлектронов.

Фотоэлектроны фокусируются и поступают на первоначальный электрод. Данное действие происходит по причине работы так называемого ФЭУ. В последующем действии число этих самых электронов увеличивается в несколько раз, чему способствует электронная эмиссия. В результате появляется напряжение. Далее оно лишь увеличивает свое непосредственное действие. Продолжительность импульса и его амплитуда при выходе определяются характерными свойствами.

Что применяется вместо фосфора?

В данном аппарате придумали замещение такого элемента, как фосфор. Как правило, производители используют:

• кристаллы органического типа;
• сцинтилляторы из жидкости, которые также должны быть органического типа;
• твердые сцинтилляторы, которые произведены из пластмассы;
• сцинтилляторы из газа.

Взглянув на данные замещения фосфора, можно увидеть, что производители в большинстве случаев используют исключительно органические вещества.

Главная характеристика

Пришло время поговорить о главной характеристике сцинтилляционных счетчиков. В первую очередь необходимо отметить выход света, излучение, его так называемый спектральный состав и саму длительность сцинтилляции.

В процессе прохождения через сцинтиллятор различных заряженных частиц производится определенное число фотонов, которые несут тут или иную энергию. Довольно немаленькая часть произведенных фотонов будет поглощена и уничтожена в самом резервуаре. Вместо фотонов, которые были поглощены, произведутся иные виды частиц, которые будут представлять энергию несколько меньшего характера. В результате всего этого действия будут появляться фотоны, свойства которых характерны исключительно для сцинтиллятора.

Световой выход

Далее рассмотрим сцинтилляционный счетчик и принцип его действия. Теперь уделим внимание выходу света. Данный процесс также имеет название эффективность конверсионного типа. Выход света - это так называемое отношение энергии, которая выходит наружу, к величине энергии заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе.

В данном действии среднее число фотонов выходит исключительно наружу. Это также называется энергией среднего характера фотонов. Каждая из присутствующих в приборе частиц выводит наружу не моноэнергетику, а лишь спектр сплошной полосой. Ведь именно он является характерным для данного типа работы.

Необходимо уделить внимание самому важному, ведь данный спектр фотонов самостоятельно выходит из известного нам сцинтиллятора. Важно, чтобы он совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ. Данное перекрытие элементов сцинтиллятора с другой характеристикой определяется исключительно за счет согласованного производителями коэффициента.

В этом коэффициенте спектр наружного типа или же спектр наших фотонов выходит во внешнюю среду данного прибора. На сегодняшний день существует такое понятие, как «сцинтилляционная эффективность». Она представляет собой сравнение прибора с другими данными ФЭУ.

Данное понятие объединяет в себе несколько аспектов:

• Эффективность берет во внимание число наших фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу поглощенной энергии. Также этим показателем учитывается чувствительность прибора к фотонам.
• Эффективность данной работы, как правило, оценивается за счет сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, который принят за эталон.

Различные изменения сцинтилляции

Принцип действия сцинтилляционного счетчика также состоит из следующего не менее важного аспекта. Сцинтилляция может быть подвергнута тем или иным изменениям. Они рассчитываются по специальному закону.

В нем I 0 обозначает максимальный показатель интенсивности рассматриваемой нами сцинтилляции. Что же касается показателя t 0 - то это постоянная величина и обозначает она время так называемого затухания. Это затухание показывает время, в течение которого интенсивность уменьшается в своем показателе в определенные (е) разы.

Также необходимо уделить внимание числу так называемых фотонов. Оно в нашем законе обозначается буквой n.

Полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции. Эти фотоны испускаются в определенное время и регистрируются в приборе.

Процессы работы фосфора

Как мы уже писали ранее, сцинтилляционные счетчики действуют на основе работы такого элемента, как фосфор. В данном элементе осуществляется процесс так называемой люминесценции. И он делится на несколько видов:

• Первый вид представляет собой флуоресценцию.
• Второй вид - это фосфоресценция.

Эти два вида отличаются, прежде всего, за счет времени. Когда так называемое высвечивание происходит в слиянии с другим процессом или в течение промежутка времени порядка 10 -8 сек - это первый вид процесса. Что же касается второго типа, то тут интервал времени несколько больше предыдущего типа. Данное расхождение по времени возникает по той причине, что данный интервал соответствует жизни атома в неспокойном состоянии.

В общей сложности длительность первого процесса совершенно не зависит от показателя неспокойствия того или иного атома, но что касается выхода данного процесса, то на это влияет именно возбудительность данного элемента. Стоит также отметить тот факт, что в случае с неспокойствием определенных кристаллов скорость так называемого выхода несколько меньше, нежели при фотовозбуждении.

Что представляет собой фосфоресценция?

Достоинства сцинтилляционного счетчика включают в себя процесс фосфоресценции. Под данным понятием большинство людей понимают лишь люминесценцию. Поэтому рассмотрим данные особенности на основе этого процесса. Данный процесс - это так называемое продолжение процесса после завершения того или иного типа работы. Фосфоресценция кристаллофосфоров возникает при рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении. В определенных объектах фосфора совершенно невозможно осуществить замедление процесса, так как электроны и их дырки попадают в так называемые ловушки. Из этих самых ловушек они могут освободиться самостоятельным образом, но для этого им, как и другим веществам, необходимо получить дополнительный запас энергии.

В связи с этим длительность процесса также имеет зависимость от той или иной температуры. Если в процессе принимают участие и другие молекулы органического характера, то процесс фосфоресценции происходит лишь в случае пребывания их в метастабильном состоянии. А перейти в нормальное состояние эти молекулы не могут. Лишь в таком случае мы можем увидеть зависимость данного процесса от скорости и от самой температуры.

Особенности счетчиков

Имеет сцинтилляционный счетчик достоинства и недостатки, которые мы рассмотрим в этом разделе. В первую очередь опишем достоинства прибора, ведь их достаточно много.

Специалисты выделяют довольно высокий показатель временной способности. По времени один импульс, который издает данный прибор, не превышает десяти секунд. Но это в том случае, если используются определенные приборы. Данный счетчик имеет этот показатель в несколько раз меньше, чем другие его аналоги с разрядом самостоятельного характера. Это отлично способствует его применению, ведь скорость счета увеличивается в несколько раз.

Следующим положительным качеством данных является довольно мелкий показатель опаздывающего импульса. Но такой процесс осуществляется лишь после того, как частицы пройдут период регистрации. Это также позволяет сэкономить непосредственно время подачи импульса данного вида прибора.

Также сцинтилляционные счетчики имеют довольно высокий уровень регистрации тех или иных частиц, к которым относятся нейроны и их лучи. Для того чтобы увеличить уровень регистрации, обязательно необходимо, чтобы именно эти частицы вступили в реакцию с так называемыми детекторами.

Изготовление аппаратов

Кто изобрел сцинтилляционный счетчик? Сделал это немецкий физик Кальман Хартмут Пауль в 1947 году, а 1948-м ученый изобрел нейтронную радиографию. Принцип работы сцинтилляционного счетчика позволяет выпускать его довольно большого размера. Это способствует тому, что можно осуществлять так называемый герметический анализ довольно большого потока энергии, к которой относятся ультрафиолетовые лучи.

Также можно ввести в состав прибора определенные вещества, с которыми довольно хорошо могут взаимодействовать нейтроны. Что, безусловно, имеет свои непосредственные положительные качества в изготовлении и будущем применении счетчика данного характера.

Вид конструкции

Частицы сцинтилляционного счетчика обеспечивают его качественную работу. Потребители предъявляют следующие требования к работе устройства:

• на так называемом фотокатоде идет самый лучший показатель сбора света;
• по этому фотокатоду идет распределение света исключительно равномерного типа;
• ненужные частицы в приборе подвергаются затемнению;
• магнитные поля не несут абсолютно никакого влияния на весь несущий процесс;
• коэффициент в данном случае является стабильным.

Недостатки сцинтилляционный счетчик имеет самые минимальные. При осуществлении работы необходимо обязательно добиться того, чтобы амплитуда сигнальных типов импульсов соответствовала другим видам амплитуд.

Упаковка счетчика

Зачастую сцинтилляционный счетчик упаковывают в металлический контейнер, в котором с одной стороны имеется стекло. Кроме того, между самим контейнером и сцинтиллятором размещается слой специального материала , который не дает поступать ультрафиолетовым лучам и теплу. Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковывать в герметичные контейнеры, однако все твердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно. Очень важно уделять внимание упаковке данного прибора.

Преимущества счетчиков

Преимущества сцинтилляционного счетчика состоят в следующих аспектах:

• Чувствительность данного прибора всегда на самом высоком уровне, а от этого напрямую зависит и его непосредственная эффективность.
• Способности прибора включают в себя широкий спектр услуг.
• Способности по различию тех или иных частиц используют только информацию об их энергии.

Именно за счет вышеприведенных показателей данный вид счетчика обошел всех своих конкурентов и по праву стал самым лучшим прибором в своем роде.

Стоит также отметить, что к его недостаткам относится чувствительное восприятие изменения той или иной температуры, а также условий окружающей среды.