Сцинтилляционные детекторы

Принцип действия этой фуппы детекторов основан на способности некоторых ма­териалов преобразовывать ядерное излучение в свет. Поэтому на основе сцинтилля-ционного материала и оптического детектора фотонов можно реализовать датчик радиоактивных излучений. Однако следует отметить, что несмотря на высокую эф­фективность преобразований, интенсивность полученного в результате облучения материала света всегда очень мала. Поэтому в состав сцинтилляционных датчиков для усиления сигнала до требуемого уровня обычно входит фотоумножитель.

Идеальный сцинтилляционный материал должен обладать следующими свой­ствами:

1. Он должен эффективно преобразовывать кинетическую энергию заряжен­
ных частиц в детектируемый свет

2. Это преобразование должно быть линейным; это значит, что интенсивность
полученного света должна быть в широком динамическом диапазоне про­
порциональна входной мощности излучений

3. Для обеспечения высокого быстродействия детектора время послесвечения
материала должно быть коротким

4. Коэффициент преломления материала должен быть близок к коэффициенту

стекла, что необходимо для эффективного оптического согласования сцин-

тилляционной камеры с трубкой фотоумножителя. В сцинтилляционных детекторах, в основном, используются три типа материа­лов: неорганические кристаллы галоидных соединений щелочей (самым популяр­ным является иодид натрия), органические растворы, в которых радиоактивное вещество смешивается с жидким сцинтиллятором, и органические кристаллы (на­пример, антрацен), пластифицированные небольшим количеством других мате­риалов. Неорганические материалы обладают не только большей чувствительно­стью, но и большим временем послесвечения, что не дает возможности реализо­вать на их основе быстродействующие детекторы. Органические материалы ли­шены этого недостатка, но их чувствительность, как правило, гораздо ниже.

Одним из главных недостатков сцинтилляционных счетчиков является их низкое разрешение по энергии излучения. Эффективность сцинтилляционных преобразователей является не очень высокой. Для образования одного регистри­руемого носителя (фотоэлектрона) необходима энергия более 1000 эВ. При этом количество носителей, созданных за время взаимодействия излучения с материа­лом, редко превышает нескольких тысяч. Например, разрешение по энергии для сцинтилляторов на основе иодида натрия при детектировании у-излучения мощ­ностью 0.662 МэВ ограничено 6%, что, в основном, определяется статистически­ми флуктуациями фотоэлектронов. Единственным методом снижения данного статистического ограничения является увеличение количества регистрируемых носителей, приходящихся на одну радиоактивную частицу. Как этого можно до­биться, описано в разделе 15.2.4.

На рис. 15.1 показана упрощенная схема сцинтилляционного детектора, со­единенного с фотоумножителем. Сцинтилляционная камера прикреплена к пе­редней стенке фотоумножителя, в которую встроен фотокатод, на который пода­ется нулевой потенциал (потенциал земли). Внутри трубки фотоумножителя ус­тановлено множество специальных выпуклых пластин, называемых динодами, расположение которых друг относительно друга напоминает форму жалюзей. Каж­дый динод подсоединен к источнику положительного напряжения. Чем дальше динод расположен от фотокатода, тем выше его потенциал. Последним эле­ментом трубки фотоумножителя явля­ется анод, на который подан макси­мальный положительный потенциал, иногда достигающий нескольких тысяч вольт. Все компоненты фотоумножите­ля находятся внутри стеклянной ваку­умной трубки, там же могут распола­гаться и некоторые дополнительные элементы, такие как фокусирующие электроды, экраны и т.д.

Фотоумножитель фактически явля­ется умножителем электронов, по­скольку внутри его трубки нет никаких

фотонов, а есть только электроны. Рассмотрим следующий пример. Считаем, что у-частицы обладают кинетической энергией 0.5 МэВ. При их воздействии на сцин-тилляционный кристалл образуются свободные фотоны. Эффективность сцинтил-лятора на основе кристалла иодида натрия с примесью таллия составляет 13%. Зна­чит, в видимый свет преобразуется энергия, равная 0.5x0.13 = 0.065 МэВ=65 кэВ. Поскольку средняя энергия излучения видимого диапазона спектра составляет по­рядка 4 эВ, то, очевидно, что на одну g-частицу приходится около 15000 фотонов. Это слишком мало для регистрации обычным фотодетектором, поэтому здесь не­обходимо использовать фотоумножитель. Из 15000 фотонов, как правило, только 10000 достигают фотокатода, функция которого заключается в преобразовании фотонов в малоэнергетичные электроны. Поскольку эффективность фотокатода составляет 20%, он вырабатывает порядка 2000 электронов на одну g-частицу. Труб­ка фотоумножителя является линейным устройством, и ее коэффициент усиления почти не зависит от количества размноженных электронов.

Поскольку на все диноды поданы положительные потенциалы, электроны, покинувшие фотокатод, притягиваются первым динодом. При столкновении этих электронов с поверхностью динода освобождаются несколько новых электронов, улетающих навстречу второму диноду и т.д., т.е. начинается лавинное образование свободных заряженных частиц Таким образом, процесс фотоумножения электро­нов происходит именно на динодах. Коэффициент умножения обычно составляет порядка 10⁶. В результате до анода доходит порядка 2х10⁹ электронов, создающих довольно большой электрический ток, регистрируемый соответствующими элект­ронными схемами. Коэффициент усиления фотоумножителя определяется как

(15.3)

где N — это количество динодов, a — доля электронов, собранных фотоумножи­телем, d— эффективность материала динодов (т.е. число освобождаемых элект­ронов на одно столкновение). Величина d обычно лежит в пределах 5...55. Коэф­фициент усиления зависит от приложенного напряжения, поскольку 5 является почти линейной функцией от напряжения между динодами.

В настоящее время используются несколько видоизмененные фотоумножи­тели (ФУ), получившие название канальных (КФУ), в которых устранены прак­тически все недостатки традиционных ФУ. На рис. 15.2А показана структура КФУ, состоящего из фотокатода, извилистой структуры усилительного канала и анода. Здесь также как и в ФУ, показанном на рис. 15.1, преобразование фотонов в фо­тоэлектроны происходит на фотокатоде, которые далее, ускоряясь за счет при­ложенного электрического поля, достигают анода. Вместо сложной динодной си­стемы в КФУ используется извилистый тонкий полупроводниковый канал. При прохождении этого канала электроны ударяются о его стенки, и при каждом та­ком столкновении с поверхности стенок канала выбиваются вторичные элект­роны. Поскольку количество электронов все время возрастает, этот процесс но­сит лавинообразный характер. Коэффициент усиления такого КФУ бывает бо­лее 10⁹. Результирующий ток снимается с анода. КФУ часто изготавливаются гер­метичными и имеют более прочную конструкцию по сравнению с хрупкими тра­диционными ФУ. Влияние магнитных полей на такие детекторы незначительно.

На рис. 15.2 показаны два типа КФУ, один из которых является герметичным уст­ройством, а второй — негерметичным. Достоинство КФУ — низкий уровень фоно­вого шума. Под термином фоновый шум подразумевается уровень выходного сиг­нала при отсутствии падающего света. В традиционных ФУ составляющая фоново­го шума, возникающего в динодной системе, имеет довольно большое значение. В КФУ фоновый шум возникает, в основном, из-за теплового излучения фотокатода. Поскольку КФУ изготавливаются в виде монолитных конструкций, в них не воз­никает эффекта накапливания заряда, характерного для обычных ФУ. Поэтому КФУ являются очень стабильными устройствами, которым не свойственны внезапные всплески выходного сигнала. При этом, благодаря отсутствию шума, характерного для динодов, легко отделить электронный шум от полезного сигнала. Все это ведет к высокой долговременной стабильности устройства.

Поиск по сайту: