Сцинтилляционный счетчик и его важнейшие характеристики.

Сцинтилляционный счетчик представляет сочетание фосфора, в котором под воздействием ядерного излучения возникают сцинтилляции, и фотоэлектронного умножителя, который эти сцинтилляции регистрирует и преобразует в электрические импульсы. В настоящее время, благодаря целому ряду преимуществ по сравнению с другими методами регистрации ядерных излучений, сцинтилляционный метод является одним из наиболее распространенных не только в экспериментальных областях ядерной физики и химии, но и в технике. К основным преимуществам сцинтиляционного счетчика по сравнению с другими детекторами ионизирующих излучений относится универсальность, малое разрешающее время, высокая эффективность регистрации, особенно g-излучения, способность отличать и регистрировать излучения различных типов, а также измерять энергию частиц и g-квантов.

В настоящее время в качестве детектора ядерных излучений используют большое количество фосфоров, которые по своему химическому составу относятся как к органическим, так и к неорганическим веществам в твердом, жидком и газообразном состоянии.

Процесс люменисценции в фосфорах осуществляется двумя путями. Первый путь, когда переходы из возбужденных энергетических состояний (молекулы или атомы) в основные разрешены. Здесь испускание света происходит в соответствии со средним временем жизни данного возбужденного состояния по статистическим законам. Такого рода испускание световой энергии называют флуоресценцией. Второй путь, когда переход из возбужденного состояния в основное по каким либо причинам запрещен, возникает метастабильное состояние, среднее время жизни которого может оказаться больше времени жизни для обычного возбужденного состояния. В этом случае возбужденные молекулы или атомы должны предварительно перейти на более высокие энергетические уровни, переходы из которых в основные разрешены. Необходимая для этого небольшая дополнительная энергия может быть приобретена за счет энергии теплового движения. Процесс люминисценции такого рода называется фосфорисценцией. Вещества, в которых под действием ядерного излучения происходит люминисценция, называются фосфорами или сцинтилляторами. Основные характеристики сцинтиллятора: конверсионная эффективность, спектральный состав и длительность сцинтилляции.

Конверсионная эффективность - это отношение энергии световой вспышки к энергии, потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе. Коэффициент световой конверсии рассчитывается по уравнению:

К=(m_срЕ_ф)/Е,

где m_ср - среднее число фотонов с энергией Е_ф, которые образуются в сцинтилляторе при поглощении энергии Е от заряженной частицы.

Чтобы световая энергия сцинтилляции с небольшими потерями регистрировалась фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), спектр частот, излучаемых сцинтиллятором, должен хорошо укладываться в область спектральной характеристики фотоэлектронного умножителя.

Длительность сцинтилляции (t) у современных фосфоров лежит в пределах от 4×10^-10 до 10^-5 секунд. В сцинтилляционных счетчиках для регистрации каждого вида излучения используются различные сцинтилляторы.

Для регистрации a-частиц эффективным сцинтиллятором является сернистый цинк, активированный серебром ZnS(Ag) или медью ZnS(Cu). Конверсионная эффективность этих сцинтилляторов достигает 25 - 30%.

Для регистрации g-излучения широкое распространение получили монокристаллы иодистого натрия NaI(Tl) и иодистого цезия CsI(Tl), активированных таллием. Монокристалл NaI(Tl) - один из наиболле эффекивныых сцинтилляторов при регистрации g-излучения. Его конверсионная эффективность достигает 8%. Время высвечивания в кристалле NaI(Tl) при комнатной температуре составляет 0,25×10^-6 секунд.

Для регистрации b-излучения одним из наиболее эффективных органических сцинтилляторов является антрацен С₁₄Н₁₀; его конверсионная эффективность около 4%, длительность сцинтилляции 2×10^-8 секунд.

В качестве преобразователя световых импульсов, которые возникают в фесфорах под действием ядерного излучения, в электрические импульсы используется фотоэлектронный умножитель. ФЭУ в сцинтилляционном счетчике преобразует короткие (10^-5 - 10^-9 с) световые импульсы малой интенсивности и широкого спектрального состава (800 - 6000 ангстрем)в пропорциональные электрические сигналы с амплитудой, обеспечивающей работу электронной схемы. Таким образом, ФЭУ должен быть согласован как с фосфором, расположенном на его входе, так и со счетно-анализирующей электронной схемой. Принцип работы ФЭУ основан на том, что кванты света, попадая на фотокатод, выбивают из него (за счет фотоэффекта) электроны. Эти электроны за счет электрического поля, приложенного между фотокатодом и первым динодом системы, ускоряются и направляются на первый эмиттирующий электрод (динод). Из-за вторичной электронной эмиссии ускоренные электроны выбивают из первого динода вторичные электроны, которые в свою очередь ускоряются электростатическим полем, приложенным между первым и вторым динодами и направляются на второй динод и т.п. Коэффициент вторичной эмиссии материалов, применяемых в системе умножения ФЭУ, в рабочем диапазоне напряжений составляет 4-6, поэтому с каждого динода испускается электроов больше, чем на него падает. В результате нарастающего лавинообразного процесса в ФЭУ на последнем электроде умножителя (аноде) собирается в 10⁵ - 10¹⁰ раз больше электронов, чем было их выбито с фотокатода.

К наиболее важным параметрам и характеристикам ФЭУ, применяемых в сцинтилляционных счетчиках, относится квантовая эффективность фотокатода, его интегральная и спектральная чувствительности, равномерность чувствительности по площади фотокатода, интегральная чувствительность ФЭУ, коэффициент усиления, амплитудное и временное разрешение, величина темнового тока и его энергетический эквивалент, предельное межкаскадное напряжение, величина максимального выходного сигнала и др.

Принцип работы сцинтилляционного счетчика, предназначенного для регистрации ядерного излучения, можно представить так:

1. Поглощение ядерного излучения в фосфоре, которое приводит к возбуждения и ионизации его веществва.

2. Преобразование энергии в фосфоре в световую.

3. Собирание световой энергии из фосфора на фотокатод ФЭУ.

4. Поглощение фотонов света фотокатодом и испускание фотожлекронов.

5. Процесс электронного умножения в ФЭУ.

6. Анализ импульсов тока на выходе ФЭУ при помощи счетно-анализирующей электронной схемы.

Последовательность выполнения работы.

Опыт 1. Снятие счетной характеристики при регистрации b-излучения

Включаем сцинтилляционную b-установку и даём ей прогреться в течение 30 минут. Устанавливаем минимально возможное напряжение на высоковольтном блоке питания. Включаем высокое напряжение, устанавливаем b-источник известной активности в домик. Включаем пересчетную установку и начинаем плавно повышать высокое напряжение до того момента, когда прибор начнет регистрировать излучение. Измеряем скорость счета при данном напряжении (имп/100 c). Последующие точки снимаем с интервалом 50 вольт до напряжения, при котором скорость счета резко увеличивается. Далее, удаляем радиоактивный препарат и производим определение скорости счета фона при тех же значениях высокого напряжения. Результаты измерений сводим в таблицу:

По полученным данным строим график: f(U)=I²/I_ф

В качестве эталонного препарата используем: источник №40-III/08

α-излучатель (²³⁸Pu+²³⁹Pu+ ²⁴²Pu) ∑A=30,7Бк

По максимуму функции находим рабочее напряжение U_раб.

При рабочем напряжении определили параметры установки:

скорость счета фона и счетный коэффициент К_сч= (I-I_ф)/А_э, где I - скорость счета препарата при U_раб, I_ф - скорость счета фона, А_{э –} активность эталонного препарата (Бк).

К_сч= (528 - 14)/30,7 = 16,136

Опыт 2. Определение абсолютной активности препарата относительным методом.

Относительные измерения заключаются в сравнении регистрируемой активности двух препаратов, содержащих одинаковые радионуклиды и имеющих близкие скорости счета. Один из препаратов является эталонным и для него известна абсолютная активность. Исходя из этого, легко вычислить абсолютную активность препарата по формуле:

где A _э – абсолютная активность эталона (Бк); A _x – абсолютная активность измеряемого препарата; I _э – скорость счета эталона (без фона); I _x – скорость счета измеряемого препарата (без фона) за то же время, что и эталона.

Отношение:

называется счетным коэффициентом установки, т.е. можно записать:

A_x = (180,34 / 514)·30,7 = 10,77 Бк

К = 30,7 / 514 =0,0597

A_x = 0,0597·180,34 = 10,766 Бк

Вывод:

В ходе работы были выполнены измерения скорости счета эталонного и неизвестного препарата. Данные занесены в соответствующие таблицы. Построен график зависимости f(U)=I²/I_ф, по которому определили max функции (рабочее напряжение) U_раб=1400. Также рассчитали абсолютную активность неизвестного препарата А_х=10,77 Бк и определили счетный коэффициент установки К=0,0597.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: