Для регистрации ядерных излу­чений наибольшее распростране­ние получили следующие органи­ческие кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладает достаточно большим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3•10-8 сек). Но при регистрации тяжелых заря­женных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтил­ляции наблюдается лишь при довольно больших энергиях час­тиц.

На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода c (в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2, дейтонов 3 и  a-частиц 4.

Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым вы­ходом, чем антрацен, но зато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (7•10-9 сек), чем у антрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения.

Пластмассовые сцинтилляторы. Пластмас­совые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем проз­рачном веществе. Например, растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе. Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов.

Так как растворителя много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя. Энергия возбуж­дения в дальнейшем передается молекулам сцинтиллятора. Оче­видно, что спектр испускания растворителя должен быть более жестким, чем спектр поглощения растворенного вещества, или по крайней мере совпадать с ним. Экспериментальные факты пока­зывают, что энергия возбуждения растворителя передается моле­кулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма, т. е. моле­кулы растворителя испускают фотоны, которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества. Возможен и другой меха­низм передачи энергии. Так как концентрация сцинтиллятора мала, то раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора.

Пластмассовые сцинтилляторы имеют значительные преиму­щества по сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами:

Ø      возможность изготовления сцинтилляторов очень больших раз­меров;

Ø      возможность введения в сцинтиллятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода;

Ø     возможность введения в сцинтиллятор различных веществ, необходимых в специальных экспериментах (например, при иссле­довании нейтронов);

Ø     возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме;

малое время высвечивания (~3•10-9 сек). Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцин­тилляторы, приготовленные растворением антрацена в полисти­роле. Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле.

Жидкие органические сцинтилляторы. Жидкие органические сцинтилляторы представляют собой рас­творы органических сцинтиллирующих веществ в некоторых жидких органических растворителях.

Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах анало­гичен механизму, происходящему в твердых растворах—сцинтил­ляторах.

Наиболее подходящими растворителями оказались ксилол, толуол и фенилциклогексан, а сцинтиллирующими веществами  р-терфенил, дифенилоксазол и тетрафенилбутадиен. Наибольшим световым выходом обладает сцинтиллятор, изго­товленный  при растворении  

р-терфенила в ксилоле при концен­трации растворенного вещества 5 г/л.

Основные достоинства жидких сцинтилляторов:

Ø      возможность изготовления больших объемов;

Ø      возможность введения в сцинтиллятор веществ, необходимых в специальных   экспериментах;

Ø      малая длительность вспышки (~3•10-9 сек).

Газовые сцинтилляторы. При прохождении за­ряженных частиц через различные газы в них наблюдалось появле­ние сцинтилляций. Наибольшим световым - выходом обладают тяжелые благородные газы (ксенон и криптон). Большим световым выходом обладает также смесь ксенона и гелия. Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход, даже больший, чем у чистого ксенона (рис. 3). Ничтожно малые примеси других газов резко уменьшают интен­сивность сцинтилляций в бла­городных газах.

Рис. 3. Зависимость светового вы­хода газового

 сцинтиллятора от соот­ношения смеси гелия и ксенона.

Экспериментально было по­казано, что длительность вспы­шек в благородных газах мала  (10-9-10-8 сек), а интенсив­ность вспышек в широком диапа­зоне пропорциональна потерян­ной энергии регистрируемых частиц и не зависит от их массы и заряда. Газовые сцинтилля­торы обладают малой чувстви­тельностью к   g-излучению.

Основная часть спектра лю­минесценции лежит в области далекого ультрафиолета, поэтому для приведения в соответствие со спектральной чувствительностью ФЭУ используются светопреобразователи. Последние должны обладать высоким коэффи­циентом конверсии, оптической прозрачностью в тонких слоях, низкой упругостью насыщенных паров, а также механической и химической устойчивостью. В качестве материалов для светопреобразователей в основном используются различные органиче­ские соединения, например:

дифенилстильбен (эффективность преобразования около 1);

P1p’-кватерфенил (~1);

антрацен (0,34) и др.

Светопреобразователь наносится тонким слоем на фотокатод ФЭУ. Важным параметром светопреобразователя является его время высвечивания. В этом отношении органические преобразо­ватели являются вполне удовлетворительными (10-9 сек или не­сколько единиц на 10-9 сек). Для увеличения светосбора внутрен­ние стенки камеры сцинтиллятора обычно покрываются светоотражателями (MgO, эмаль на основе окиси титана, фторопласт, окись алюминия и др.).

§ 3. Фотоэлектронные умножители

Основными элементами ФЭУ являются: фотокатод, фокуси­рующая система, умножительная система (диноды), анод (коллек­тор). Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаченном до высокого вакуума ( 10-6 мм рт.ст.).

Для целей спектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торце­вой части баллона ФЭУ. В качестве материала фотокатода выби­рается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при l= 3900¸4200 А, что соответствует, максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов.

Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ.

Одной из характеристик фотокатода является его квантовый выход в, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. Величина e может достигать 10-20%. Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чув­ствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).

Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрач­ного слоя. Существенна толщина этого слоя. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффектив­ный квантовый выход может оказаться малым. Поэтому подби­рается оптимальная толщина фотокатода. Существенно также обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувстви­тельность была одинакова на всей площади. В сцинтилляционной  g-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с боль­шими диаметрами фотокатодов. В отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15¸20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этой цели используется система электростатических линз, которые пред­ставляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом. На рис.4 при­ведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электро­дами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспе­чивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (s>1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жалюзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное располо­жение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обла­дают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов. Максимальное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350¸400 эв, а для   сплавных  эмиттеров — при 500¸550 эв. В первом     случае s= 12¸14, во втором s=7¸10. В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько меньше. Достаточно хорошим коэф­фициентом вторичной эмиссии является  s= 5.

Фотоэлектроны, сфокусированные на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вто­ричные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в s раз.

При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5—7 порядков и попадает на анод — собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает им­пульс напряжения.

Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умно­жения М. Если значение s для всех динодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодов равно n, то

			sn = (Aue-Bu)n

 

A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиле­ния М', который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току, выходящему из катода

М' = СМ,

где С<1 — коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.

Очень важным является постоянство коэффициента усиле­ния М'  ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электро­нов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позво­ляет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектро­метров ядерных излучений.

О помехах в фотоум­ножителях. В сцинтилляционных счетчиках даже при отсутст­вии внешнего облучения возможно появление большого числа импуль­сов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют небольшие ампли­туды и носят название шумовых. Наибольшее число шумовых им­пульсов обусловливается появле­нием термоэлектронов из фотока­тода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации излучений, соз­дающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы.

Рис. 5. Схема для подавления шумов ФЭУ.

1.    При регистрации импульсов, амплитуда которых сравнима с шумовыми, рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ, включенными в схему совпадений (рис. 5). В этом случае происходит временная селекция импульсов, возникших от регистрируемой частицы. В самом деле, вспышка света, возник­шая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одно­временно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в каж­дом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зарегистрированы схемой совпадений. Такой способ позволяет уменьшать собственный фон ФЭУ на 2—3 порядка.

Число шумовых импульсов растет с ростом приложенного напряжения, сначала довольно медленно, затем возрастание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона яв­ляется автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникновение обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ.

В районе анода, где плотность тока наибольшая, возможно возникновение свечения как остаточного газа, так и конструктив­ных материалов. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых сопро­вождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10-8¸10-7 сек.

§ 4. Конструкции сцинтилляционных счетчиков

К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования:

Ø      наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде;

Ø      равномерное распределение света по фотокатоду;

Ø      затемнение от света посторонних источников;

Ø      отсутствие влияния магнитных полей;

Ø      стабильность коэффициента усиления ФЭУ.

При работе со сцинтилляционными счетчиками всегда необ­ходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает опти­мально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцин­тилляторе. Обычно сцинтиллятор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного конца плоским стеклом. Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой материала, отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу. Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуокись титана (0,95), гипс (0,85—0,90), используется также алюминий (0,55—0,85).

Особое внимание должно быть обращено на тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов. Так, например, наиболее часто используемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги желтеет и теряет свои сцинтилля­ционные свойства.

Пластмассовые сцинтилляторы нет необходимости упаковы­вать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все твердые сцин­тилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, которое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значительные потери интенсивности света сцинтилля­ции. Для избежания этих потерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт.

В некоторых экспериментах, например при измерениях в ва­кууме, в магнитных полях, в сильных полях ионизирующих излучений сцинтиллятор не может быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ. В таких случаях для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод. В качестве светопроводов применяются полированные стержни из прозрачных материалов — таких, как люсит, плексиглас, полистирол, а также металлические или плексигласовые трубки, заполненные прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых экспе­риментах необходимо использовать изогнутые светопроводы.

Страницы: 1, 2, 3