Детектори іонізуючих випромінювань, дозиметричні і радіометричні прилади

 

 

Сцинтиляційний детектор складається зі сцинтилятора і фотоелектронного підсилювача (помножувача) ФЕП. Сцинтилятор є тіло, при попаданні в яке частинки іонізуючого випромінювання виникає короткий спалах світла (сцинтиляція). Цей спалах світла попадає на катод ФЕП, в результаті чого в анодному колі цього приладу утворюється короткий імпульс струму. Схема фотоелектронного підсилювача представлена на на рис.2.

Сам прилад змонтований у вакуумному балоні ВБ, в якому знаходяться катод К, анод А і діноди Д1 і Д2 (їх може бути більше). Резистори R1, R2, R3 утворюють подільник напруги, в результаті чого на кожен із дінодів поступає напруга, вища від напруги катода і попереднього дінода, але нижча від напруги анода.

Світловий фотон вибиває з катода фотоелектрон, який прискорюється електричним полем і попадає на перший 

дінод Д1. При ударі цього електрона об дінод із нього внаслідок вторинної електронної емісії вибивається кілька електронів. Ці електрони знову прискорюються електричним полем і попадають на дінод Д2, із якого вибивається ще більше електронів. В колі анода виникає короткий імпульс струму і на навантажувальному резисторі R падає напруга, що приводить до появи негативного імпульсу напруги, який через конденсатор С передається на реєструючий пристрій (наприклад, лічильник імпульсів).

Амплітуда імпульсу сцинтиляційного детектора пропорційна кількості вибитих з катода фотоелектронів, яка, в свою чергу, пропорційна енергії світлового спалаху. Для сцинтиляторів енергія світлового спалаху пропорційна енергії швидкої зарядженої частинки, яка викликала цей спалах. Таким чином, амплітуда імпульсу напруги сцинтиляційного детектора пропорційна енергії зарядженої частинки, тобто виконується співвідношення (3). Це означає, що сцинтиляційний детектор можна використовувати для визначення енергії заряджених частинок.

Сцинтилятор повинен мати незвичайні оптичні властивості. Він не повинен поглинати світло, яке сам випромінює, спектр випускання повинен бути зміщений відносно спектра поглинання. Відома велика кількість неорганічних кристалів, які являються сцинтиляторами. Найбільше значення мають кристали галоїдів лужних металів NaJ, CsJ, LiJ, в які додано невелику кількість (біля 0,1% активаторів Tl, Na). Великий інтерес представляють також кристали сірчистого цинку, активованого сріблом ZnS(Ag), фтористого кальцію, активованого європієм CaF2(Eu), і кристали більш складних сполук CdWO4 i Bi2Ge3O12.

Фізика сцинтиляційного процесу найкраще вивчена в галоїдах лужних металів. Розглянемо ці процеси в кристалах NaJ, активованих талієм. Кристали NaJ являють собою діелектрик із шириною забороненої зони 7еВ. Валентна зона в чистому NaJ заповнена повністю, а зона провідності пуста. Домішка Tl створює в забороненій зоні NaJ локальні енергетичні рівні, розміщені порівняно далеко від країв зон.

Пролітаючи заряджена частинка утворює на своєму шляху електронно-діркові пари, які рекомбінують з утворенням фотонів з енергією, близькою до ширини забороненої зони. Ці фотони зразу ж поглинаються кристалом, утворюючи електронно-діркові пари в іншому місці кристалу. Таким способом збудження переміщується вздовж кристалу і воно може попасти в область, де є локальний енергетичний рівень домішки (Tl). Тоді рекомбінація електронно-діркової пари може може відбутися через локальний енергетичний рівень, при цьому випромінюються фотони з енергією меншою ширини забороненої зони, які вже не поглинуться кристалом і вийдуть із нього.

Підтвердженням цього механізму є той експериментальний факт, що при невеликих концентраціях домішки Tl світловий вихід збільшується при збільшенні концентрації домішки, досягає максимуму і далі зменшується при збільшенні концентрації. Це можна пояснити наступним чином. Спочатку при збільшенні концентрації світловий вихід збільшується, бо збільшується кількість рекомбінаційних центрів, завдяки яким випромінюються фотони, що не поглинаються кристалом. Одночасно зростає ймовірність поглинання фотона, що утворився внаслідок рекомбінації через локальний рівень Tl, наступними іонами Tl. При великих концентраціях останній процес переважає збільшення інтенсивності випромінювання за рахунок росту рекомбінації через локальні рівні.

Сцинтилятор характеризується конверсійною ефективністю  , яка дорівнює відношенню світлової енергії спалаху до енергії, поглинутої в кристалі

 .                                               (5.4.)

Важливою характеристикою сцинтилятора є час висвічування τ. Число фотонів, які висвічуються за одиницю часу при попаданні в сцинтилятор іонізуючої частинки, залежить від часу за експоненціальним законом

 .                                             (5.5.)

Для багатьох сцинтиляторів закон висвічування набагато складніший. Його можна описати сумою кількох експонент із різним часом висвічування τ.

Характеристикою сцинтилятора є також довжина світлової хвилі, яка відповідає максимуму спектра люмінесценції.

Сцинтилятор NaJ (Tl) має конверсійну ефективність порядку 10%,   і довжину хвилі випромінювання  . Інші лужно-галоїдні кристали мають сцинтиляційні характеристики, близькі до характеристик NaJ (Tl).

Йодистий натрій, активований талієм, є одним із кращих сцинтиляторів. Він