Сцинтилляционные счетчики

Сцинтилляционные счетчики

Принцип действия и устройство сцинтилляционного счетчика. Еще в начале XX века было установлено, что под действием радиоактивных излучений некоторые ве­щества начинают люминесцировать, то есть испускать свет. Такие вещества называются сцинтилляторамиь, к ним относятся сернистый цинк, йодистый натрий, кри­сталлы нафталина и многие другие твердые и жидкие, а также газообразные вещества.

Попадая в сцинтиллятор, ионизирующая частица растрачивает всю или часть своей энергии на возбуждение и ионизацию атомов и молекул вещества сцинтиллятора. В нелюминесцирующих веществах вся эта энергия в конце концов переходит в тепловую энергию колебания молекул. В сцинтилляторах часть этой энергии преобра­зуется в энергию световой вспышки — сцинтилляцию. У ионизированных атомов вещества сцинтиллятора про­исходит перегруппировка электронов: места электронов, выбитых ионизирующей частицей из внутренних слоев атома, занимаются электронами наружных слоев. Этот процесс перегруппировки электронов сопровождается испусканием фотонов ультрафиолетового или видимого света, которые и создают сцинтилляции. Чем больше ионизирующая способность частицы, тем больше иони­зированных атомов она создает и тем ярче вспышка света. Интенсивность сцинтилляций пропорциональна интенсивности радиоактивного излучения, поэтому, под­считывая число вспышек, можно определить поток иони­зирующих частиц, прошедших через люминесцирующее вещество.

Вспышки, создаваемые альфа-частицами, имеющими большую ионизирующую способность, могут быть обна­ружены глазом. На этом принципе был построен прибор, получивший название спинтарископа. Спинтарископ со­стоит из пластины, на которую нанесен слой люминесци- рующего вещества (обычно сернистый цинк), иголки, на острие которой находится ничтожное количество альфа- активного вещества, и оптической линзы. Если посмот­реть внутрь этого прибора, то можно увидеть, как на пластинке с сернистым цинком возникают и тотчас же гаснут зеленовато-желтые вспышки. Каждая отдельная

1 Сцинтилляция — латинское слово — вспышка света.

вспышка есть результат удара одной альфа-частицы о пластинку. Подсчитывая число таких вспышек за опреде­ленный промежуток времени, можно определить число излучаемых альфа-частиц и, следовательно, активность вещества. Однако такой способ регистрации потока альфа-частиц даже при применении его в лабораторных условиях обладает существенными недостатками. С по­мощью спинтарископа можно подсчитать вспышки для очень небольшого количества радиоактивного вещества, так как при большом числе вспышек глаз перестает раз­личать отдельные вспышки, и, кроме того, с утомлением глаза наблюдателя точность подсчета быстро падает. Поэтому этот метод был совершенно вытеснен другим методом счета частиц.

В последние годы метод счета сцинтилляций возро­дился на новой основе. Сцинтилляции, возникающие в люминесцирующем веществе, регистрируются не глазом, а высокочувствительным прибором — фотоумножителем, изобретенным советским инженером Л. А. Кубецким. С помощью фотоумножителей можно регистрировать не только сцинтилляции, вызванные сильно ионизирую­щими альфа-частицами, но и сцинтилляции, вызванные бета-частицами и гамма-квантами, а также нейтронами, протонами и другими ядерными частицами.

Фотоумножитель представляет собой цилиндриче­скую стеклянную колбу, из которой откачан воздух. Вну­три колбы имеется система электродов: Первым электро­дом является фотокатод К, нанесенный на внутреннюю поверхность колбы в виде тонкого полупрозрачного слоя вещества, способного легко испускать электроны под действием света. За фотокатодом находится фокусирую­щий электрод, выполненный в виде пластинки с круглым отверстием. Далее находится ряд электродов, получив­ших название эмиттеров, и, наконец, последним электро­дом является анод. Катод находится под наиболее низ­ким потенциалом, на каждый последующий электрод (эмиттер) подается напряжение примерно на 100 вольт более высокое, чем на предыдущий. Под наиболее высо­ким потенциалом находится анод; разность потенциалов между анодом и катодом у современных фотоумножите­лей может составлять более 2000 вольт. Сцинтиллятор сочленяется с фотоумножителем непосредственно или с помощью светопровода, выполненного из прозрачного материала. В первом случае он сочленяется с фотокато­дом с помощью прозрачного клея или вазелинового масла.

Во избежание воздействия на фотокатод посторон­него света сцинтиллятор и фотоумножитель поме­щаются в непрозрачный кожух. Для увеличения эффек­тивности собирания света на фотокатоде поверхность сцинтиллятора, кроме плоскости, обращенной к фотока­тоду, обычно покрывается отражающим слоем из по­рошка магния.

Рис. 34 иллюстрирует процесс регистрации гамма- кванта сцинтилляционным счетчиком. Световая вспышка в данном случае появляется за счет ионизирующего дей­ствия вторичного быстрого электрона, возникшего в ре­зультате взаимодействия гамма-кванта с веществом сцинтиллятора. Часть световых фотонов, поскольку сцинтиллятор выполнен из прозрачного материала, по­падает на фотокатод и выбивает из него электроны. Об­щее число возникших электронов от одной сцинтилляции не превышает нескольких тысяч, а их суммарный заряд составляет ничтожно малую величину (~ 10-16 кулона). Всякая попытка усилить такой импульс фототока с по­мощью электролампового усилителя является безуспеш­ной, так как импульс неизбежно потеряется на фоне шу­мов усилителя. Наличие эмиттеров в фотоумножителе

позволяет «размножить» поток электронов в сотни ты­сяч раз.

Принцип действия фотоумножителя состоит в следу­ющем. Выбитые из фотокатода электроны под дей­ствием электрического поля ускоряются и с помощью фокусирующего электрода собираются на первом эмит­тере (1—Э). Каждый электрон, попавший на эмиттер, выбивает из него 3—4 новых электрона. Электроны, вы­летевшие из первого эмиттера, разгоняясь электриче­ским полем, направляются ко второму эмиттеру и выби­вают еще по 3—4 электрона, которые устремляются к третьему эмиттеру, где повторяется то же самое. Про­цесс размножения электронов повторяется на всех после­дующих эмиттерах. Электронный поток с последнего эмиттера собирается на аноде. Общий коэффициент уси­ления фотоумножителя равен

К= а»,

где о — коэффициент размножения электронов одним эмиттером; п — общее число эмиттеров.

У современных фотоумножителей коэффициент раз­множения (вторичной эмиссии) о равен приблизитель­но 4, если разность потенциалов между соседними эмит­терами равна ~ 100 вольтам. Поэтому фотоумножитель, содержащий 10 эмиттеров, имеет общий коэффициент усиления К = 410 = 106 раз.

Собранные на аноде электроны, стекая через нагру­зочное сопротивление R, создают на нем кратковремен­ный импульс напряжения, который может быть сравни­тельно просто измерен.

Таким образом, прохождение ионизирующей частицы через сцинтиллятор отмечается кратковременным им­пульсом напряжения. Амплитуда импульса напряжения в этих счетчиках в отличие от газовых счетчиков с само­стоятельным разрядом пропорциональна ионизирующей способности радиоактивных частиц, поэтому сцинтилля- ционные счетчики непосредственно могут быть использо­ваны не только для счета частиц, но и для измерения ионизирующего действия радиоактивных излучений.