Сцинтилляционные счетчики
Сцинтилляционный счетчик (рис. 88) имеет два основных элемента: сцинтиллятор, реагирующий на ядерное излучение вспышки света, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преобразующий эти слабые вспышки света в электрические импульсы и усиливающий последние в миллионы раз.
Сцинтилляторы (люминофоры) работают следующим образом. Гамма-квант, попадая в сцинтиллятор, взаимодействует с его атомами (фотоэффект и комптонэффект, образование электронно-позитронных пар), что приводит к возникновению свободных зарядов (электронов и позитронов). Этим зарядам передается либо вся энергия кванта (фотоэффект), либо часть ее (комптонэффект, образование пар). Энергия свободных зарядов расходуется на ионизацию и возбуждение атомов сцинтиллятора. При переходе из возбужденного состояния в основное атомы сцинтиллятора теряют энергию, полученную при возбуждении, в виде электромагнитных колебаний (световых фотонов) — люминесценции.
Рис. 88. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика. 1—сцинтиллятор (люминофор); 2 — отражатель; 3 — ФЭУ; 4 — фотокатод;5 — фокусирующий динод; 6—диноды; 7—собирающий электрод (анод); 8— делитель напряжения
Образовавшиеся фотоны света в результате взаимодействия ядерных частиц или гамма-квантов со сцинтиллятором разлетаются во все стороны, частично поглощаясь в толще кристалла сцинтиллятора. В связи с этим только часть фотонов попадает на фотоумножитель, и форма спектра световых фотонов, выходящих из сцинтиллятора, отличается от формы спектра образующих фотонов. Для увеличения числа фотонов, достигающих катода, стенки сцинтиллятора, кроме той, которая контактирует с фотокатодом, покрываются фотоотражающим слоем.
Из многочисленных сцинтилляторов наиболее часто применяются монокристаллы йодистого натрия Nа1 (Т1), которые характеризуются наиболее высокой эффективностью счета. Их основной недостаток — высокая гигроскопичность. В случае попадания в кристалл влаги он мутнеет и, следовательно, его эксплуатационные характеристики снижаются. Фотоэлектрический умножитель — устройство (см. рис. 88), соединяющее в себе фотоэлемент и электронный усилитель, действие которого основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Фотоны из сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ.
Электроны, вылетающие из фотокатода, ускоряются электрическим полем и через диафрагму устремляются на первый электрод (динод) умножителя. Вследствие вторичной эмиссии каждый упавший электрон выбивает из диода несколько вторичных электронов, число которых зависит от приложенной между электродами разности потенциалов. Эти электроны, находясь в поле притяжения второго динода, также ускоряются и вызывают вторичную электронную эмиссию на следующем диноде. Таким образом, происходит скачкообразное увеличение числа электронов на каждом диноде фотоэлектрического умножителя. Последним электродом в этой цепи служит анод, который для устранения ненужной теперь вторичной эмиссии электронов иногда выполняется в виде сетки и окружается экраном, соединенным с предпоследним электродом. Число динодов определяет полное усиление электронов фотоумножителя и у современных фотоумножителей колеблется от 8 до 14.
Основные преимущества сцинтилляционных счетчиков:
1) высокая чувствительность (эффективность), в том числе к гамма-лучам; 2) большая разрешающая способность ; 3) способность различать частицы по их энергии и измерять ее, т. е. проводить спектрометрию радиоактивных излучений. Таким образом, сцинтилляционные счетчики, соединяя в себе положительные качества пропорционального счетчика и счетчика Гейгера — Мюллера, обладают более высокой эффективностью и разрешающей способностью.
Недостатки сцинтилляционных счетчиков: 1) высокая чувствительность к изменению температуры окружающей среды;
2) повышенные требования к стабильности питающего напряжения; 3) большой разброс параметров фотоумножителей и изменение характеристик и параметров фотоумножителей в процессе их работы.