27. Сцинтилляционные детекторы

27. Сцинтилляционные детекторы

Как они работают

Сцинтилляционные детекторы основаны на том, что некоторые материалы (называемые люминофорами) испускают видимый свет при изменении орбитальным электроном энергетического уровня. Как Вы помните из Модуля 1.4 «Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом», ионизирующее излучение может передать электронам энергию, достаточную для перемещения на более высокую электронную оболочку. В люминофоре электроны не могут оставаться на высокоэнергетических уровнях длительное время. Они переходят в основное состояние, испуская фотоны видимого света (смотрите Рисунок 15).

Рисунок  15

Процесс сцинтилляции

Количество испускаемых фотонов света и, следовательно, интенсивность света, пропорционально энергии падающего ионизирующего излучения. Поэтому сцинтилляционные детекторы могут быть использованы не только для регистрации излучения, но и определения энергии излучения (то есть они могут быть использованы для спектроскопии).

3.2     Типы сцинтилляционных детекторов

Люминофоры, которые используются в детекторах излучения, должны обладать следующими свойствами:

  • Они должны преобразовывать достаточно большую долю поглощенной энергии в энергию света.
  • Время между возбуждением электрона и испусканием фотона света должно быть коротким.
  • Они должны пропускать испускаемые фотоны света, быть прозрачными для собственного излучения.
  • Испускаемый свет должен легко и эффективно преобразовываться в электрический сигнал.

Множество материалов отвечает этим критериям, и они составляют основу для сцинтилляционных детекторов. В этом модуле обсуждаются следующие типы сцинтилляционных детекторов:

  • Детекторы на основе сульфида цинка;
  • Детекторы на основе йодистого натрия;
  • Пластиковые органические сцинтилляторы; и
  • Жидкие органические сцинтилляторы.

Некоторые из этих люминофоров содержат небольшие количества примесей (называемых активаторами), добавленных для того, чтобы контролировать путь, по которому электроны возвращаются на нижележащий энергетический уровень. Это гарантируют, что испущенные фотоны будут фотонами видимого света.

3.2.1     Детекторы на основе сульфида цинка

Детекторы на основе сульфида цинка (ZnS) обычно в качестве активатора содержат атомы серебра. Этот тип детекторов, называемый ZnS(Ag) детекторы, высоко эффективны для регистрации ионизирующего излучения. Тем не менее, поскольку этот тип материала плохо пропускает фотоны видимого света, он может использоваться только в виде тонких слоев (смотрите Рисунок 16). Хотя это означает, что такие детекторы подходят для регистрации альфа-частиц и тяжелых ионов, однако их главным недостатком является то, что тонкий слой может быть легко поврежден острыми предметами.

Тонкая пленка детектора на основе сульфида цинка

Рисунок 16

Детектор на основе сульфида цинка

3.2.2     Детекторы на основе йодистого натрия

Детекторы на основе йодистого натрия с добавлением атомов таллия NaI(Tl) обладают высокой эффективностью регистрации гамма-излучения, даже по сравнению с твердотельными полупроводниковыми детекторами. Однако, кристалл поглощает влагу из атмосферы и быстро повреждается. Поэтому он дожжен быть герметизирован в воздухонепроницаемом контейнере. Обычно контейнер изготавливают из алюминия (смотрите рисунок 17) и он имеет тонкое входное окно.

Рисунок  17

Портативный детектор на основе йодистого натрия для регистрации гамма-излучения

Кристаллы NaI(Tl) могут быть выполнены различной толщины. Тонкий кристалл толщиной 3 мм обладает хорошей эффективностью регистрации гамма-излучения с энергией приблизительно до 150 кэВ. Более толстый кристалл обладает высокой эффективностью при больших энергиях. Детектор NaI(Tl) лучше использовать для работы в полевых условиях, чем твердотельный полупроводниковый детектор, так как он не нуждается в охлаждении. Также он имеет достаточно большую эффективность, особенно при больших энергиях. Однако, его энергетическое разрешение по сравнению с твердотельным детектором хуже.

На рисунке 18 показан типичный детектор на основе йодистого натрия используемый для гамма-спектроскопии.

Детектор NaI

Рисунок 18

Стандартный детектор на основе йодистого натрия для гамма-спектроскопии

3.2.3     Пластиковые органические сцинтилляторы

Пластиковые органические сцинтилляторы дешевы и могут изготавливаться различных форм и размеров. они часто используются совместно с ZnS(Ag)-детекторами для контроля альфа- и бета-излучения.

3.2.4     Жидкие органические сцинтилляторы

Жидкие органические сцинтилляторы используются для контроля альфа и бета излучений, особенно низко энергетических бета-излучений таких радионуклидов, как углерод-14 и тритий. Использование жидких сцинтилляторов позволяет пробу смешивать напрямую со сцинтиллятором, что обеспечивает очень высокую эффективность регистрации.

3.3     Резюме по сцинтилляционным детекторам

В Таблице 4 обобщены данные о различных сцинтилляционных детекторах.

Таблица  4

Сцинтилляционные детекторы

Детектор Основное применение Преимущества Недостатки
ZnS Регистрация альфа-частиц и тяжелых ионов
  • Эффективен для регистрации альфа-частиц и тяжелых ионов
  • Тонкий слой может быть легко поврежден острым предметом
NaI Гамма спектроскопияРегистрация гамма-излучения
  • Более эффективен при регистрации гамма-излучения, чем твердотельные полупроводниковые детекторы
  • Не нуждается в охлаждении
  • Худшее энергетическое разрешение, чем у твердотельных полупроводниковых детекторов
Пластиковые органические Контроль альфа и бета излучений
  • Дешевый
  • Может изготавливаться различных форм и размеров
Жидкие органические Контроль альфа и низкоэнергетического бета излучений
  • Высокая эффективность регистрации при смешивании пробы со сцинтиллятором