Сцинтилляционные счётчики. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Сцинтилляционный счётчик — прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, у-квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Принцип действия сцинтилляционных детекторов основан на способности некоторых веществ превращать энергию излучения в кванты света, которые, в свою очередь, при попадании на фотокатод вырывают из него электроны. Поток электронов усиливается с помощью фотоэлектронного умножителя (рис. 9). При этом коэффициент усиления достигает значения.

10⁵-ыо⁷. Число образующихся в фосфоре квантов света, а тем самым и число вырванных из фотокатода электронов зависит от энергии излучения, поэтому с помощью сцинтилляционного детектора можно измерять как число частиц, так и их энергию.

В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Существуют также газообразные сцинтилляторы (благородные газы под давлением). Необходимыми условиями для применения сцинтиллятора в системе детектирования ионизирующего излучения являются: высокий выход флуоресценции, незначительная фосфоресценция, прозрачность для излучаемого света, малые времена жизни возбужденного состояния (ю'⁶ч-10 ^ю с), соответствие спектральных характеристик излучаемого света спектральной чувствительности фотокатода.

Рис. 9. Схема сцинтилляционного счетчика.

Неорганические сцинтилляторы представляют собой кристаллы неорганических солей. Практическое применение в сцинтил;

ляционной технике имеют некоторые галогениды щелочных металлов. Для увеличения светового выхода таких сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами (например, таллий).

Для а-спетрометрии используют монокристаллы CsJ, активированные 1%Т1, для у-спектрометрии — монокристаллы NaJ (Tl), обладающие большим световым выходом. Так как NaJ является гигроскопичным соединением, его помещают в защитный контейнер.

В качестве твёрдотельных неорганических сцинтилляторов используются, такие кристаллофосфоры, как NaCl (AgCl), NaJ (активированный Tl), LiJ (Eu), LiF (Eu), CsJ (Tl), KJ (T1), BLjGegOia, LaBr₃(Ce) и др. Из всех этих соединений удаётся вырастить крупные кристаллы. Подобные сцинтилляторы применяются для регистрации у-излучения, т.к. как изготавливаются из материалов с большим порядковым номером Z и высокой плотностью. Кристаллы CsJ обладают гигроскопичностью и могут быть использованы в сцинтилляционных счётчиках даже в атмосферных условиях.

Существует большое количество сцинтилляторов, достаточно эффективных, но из них не удаётся вырастить большие кристаллы для детекторов, что делает невозможным проведение спектроскопических измерений. Например, фосфор ZnS (Tl) — обладает малой гигроскопичностью, высокой конверсионной эффективностью, достигающей 20^-25% и практически независимой от энергии регистрируемых частиц. В этой связи следует также упомянуть ZnS (Ag), используемый для регистрации а-излучения. Сульфид цинка широко применяется при изготовлении детекторов как мелкокристаллический порошок, в виде тонкого слоя, нанесённого на прозрачную основу, например, оргстекло. Такие детекторы имеют невысокое разрешающее время кгз сек, но с успехом используются при регистрации тяжёлых заряженных частиц. При добавлении к такому порошку борсодержащего компонента, например В₂0₃ — получают детектор для регистрации медленных и тепловых нейтронов (по ядерной реакции ^Bfad^Li).

Для регистрации медленных и тепловых нейтронов пригодны также детекторы на основе LiJ и LiF, допированные ⁶Li: нейтроны вызывают реакцию ⁶U (n, а)³Н с образованием частиц высокой энергии. Но они одновременно регистрируют и у-фон, который аппаратура должна отсекать.

В качестве твёрдых органических сцинтилляторов используются монокристаллы антрацена (С_чНю), стильбена (C,₄Hi₂), нафталина (СюНв) с антраценом (5%), толана (дифенилацетилен) и др. Все органические сцинтилляторы обладают по сравнению с неорганическими меньшим временем высвечивания и меньшей плотностью. Детекторы на их основе отличаются хорошим быстродействием, обычно ю^-6тШ^-8 с, но меньшей эффективностью к y-излучению. Обычно они используются для регистрации и спектрометрии аи р-частиц.

Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твёрдые растворы флуоресцирующих органических соединений (?1-терфенил,.

2,5-дифенилоксазол, 1-фенил-2-[4-бифенил]-этилен и др.) в подходящем прозрачном веществе (растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе). Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов. Пластмассовые сцинтилляторы характеризуются малым временем высвечивания порядка 10'⁸ч-10‘⁹ с, удовлетворительной устойчивостью к воздействию облучений, пропорциональной зависимостью высот импульсов сцинтилляций от энергии излучения. Эффективности пластмассовых сцинтилляторов достигает 70% от эффективности монокристаллов стильбена. Ценным свойством пластмассовых сцинтилляторов является их прозрачность к собственному излучению.

Сцинтиллирующие пластмассы легко изготавливаются, механически обрабатываются и дают интенсивное свечение. Фосфоры-пластики могут быть изготовлены больших объёмов и любой формы (блочные детекторы, плёнки, капилляры и т. п.). Пластмассовые сцинтилляционные детекторы имеют эффективности ниже введённого вещества-сцинтиллятора изза меньшей его концентрации на единицу объёма детектора. Зато такие детекторы не боятся механических воздействий, влаги и могут эксплуатироваться в диапазоне температур (от -190⁰ до +70⁰). Их применяют для регистрации заряженных частиц. Они чувствительны также и к у-излучению.

Органические сцинтилляторы (кристаллы или полимеры) используются для регистрации быстрых нейтронов в результате упругого их рассеяния в материале детектора и возникающим при этом ядрам отдачи.

Жидкие органические сцинтилляторы представляют собой растворы флуоресцирующих веществ в прозрачных растворителях, мало поглощающих энергию излучения в фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра. Растворителями являются очищенные м-ксилол, толуол, фенилциклогексан, сцинтиллирующими добавками п-терфенил, 2,5-дифенилоксазол, 1,4-ди-[2-(5-фенилоксазолил)]-бензол, 2,5-ди-(1-нафтил)-1,з, 4- оксадиазол, 1-фенил-2(4-бифенил)-этилен и др. Наибольшим световым выходом обладает сцинтиллятор, изготовленный при растворении р- терфенила в ксилоле при концентрации растворенного вещества 5 г/л.

Ценным свойством жидкостных сцинтилляторов является малое время высвечивания (кг⁸-МО'⁹ с), хорошая прозрачность для собственного излучения и возможность их изготовления в любых объёмах и сосудах. Жидкостные сцинтилляционные детекторы применяются в радиометрии образцов, содержащих низкоэнергетические р-частицы. Их применяют и для регистрации у-излучения, а также нейтронов.

При прохождении заряженных частиц через различные газы в них наблюдается появление сцинтилляций. Наибольшим световым выходом обладают тяжёлые благородные газы (ксенон и криптон), а также смесь ксенона и гелия. Присутствие в гелии ю% ксенона обеспечивает световой выход, даже больший, чем у чистого ксенона. Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник излучения может быть введён в объём газового сцинтиллятора.

Достоинства сцинтилляционного счётчика: высокая эффективность регистрации различных частиц, быстродействие, возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций, высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам сцинтилляционные счётчики широко применяется в ядерной физике, физике элементарных частиц и космических лучей, в промышленности (гамма-дефектоскопия, радиационный контроль), дозиметрии, радиометрии, геологии, медицине и т. д. Недостатки сцинтилляционного счётчика: малая чувствительность к частицам низких энергий (1 кэВ) и невысокая разрешающая способность по энергии. Эффективность регистрации заряженных частиц сцинтилляционным счётчиком близка к 100%.

Сцинтилляционные счётчики используют особенно широко для регистрации у-излучения. Кроме хорошего разрешающего времени такой детектор обладает значительно большей, чем счётчик Гейгера-Мюллера, эффективностью к у-квантам. В некоторых случаях удаётся обеспечить почти юо%-ную регистрацию у-излучения. Эффективность сцинтилляционного счётчика к у-квантам зависит от материала и толщины кристаллофосфора. Взаимодействие у-квантов с веществом фосфора определяется плотностью электронов и энергией у-квантов. Поэтому наиболее эффективно у-излучение регистрируется сцинтилляционными счётчиками с фосфорами, имеющими большую плотность и высокий средний порядковый номер люминофора Z. К таким фосфорам относятся неорганические монокристаллы NaJ (Tl), CsJ (Tl), KJ (T1). С меньшей эффективностью уизлучение регистрируется жидкими фосфорами и пластиками.