|
|
|
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫПоэтому на основе сцинтилля-ционного материала и оптического детектора фотонов можно реализовать датчик радиоактивных излучений. Однако рекомендуется отметить, что несмотря на высокую эффективность преобразований, интенсивность полученного в результате облучения материала света всегда очень мала. Поэтому в состав сцинтилляционных сенсоров для усиления сигнала до требуемого уровня обычно входит фотоумножитель. Идеальный сцинтилляционный материал должен обладать следующими свойствами: 1. Он должен эффективно преобразовывать кинетическую энергию заряженных частиц в детектируемый свет 2. Это преобразование должно быть линейным; это значит, что интенсивность полученного света должна быть в широком динамическом диапазоне пропорциональна 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 (к примеру, антрацен), пластифицированные некрупным количеством других материалов. Принцип действия этой подгруппы детекторов основан на способности некоторых материалов преобразовывать ядерное излучение в свет. Поскольку количество электронов все время возрастает, этот процесс носит лавинообразный характер. Коэффициент усиления такого КФУ бывает более 109. 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 у-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 того заключается в преобразовании фотонов в малоэнергетичные электроны. Поскольку эффективность фотокатода составляет 20%, он вырабатывает порядка 2000 электронов на одну у-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. В настоящее время используются несколько видоизмененные фотоумножители (ФУ), получившие название канальных (КФУ), в которых устранены практически все недостатки традиционных ФУ. На рис. 15.2А отображена структура КФУ, состоящего из фотокатода, извилистой структуры усилительного канала и анода. Здесь также как и в ФУ, отображенном 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. Неорганические материалы обладают не только большей чувствительностью, но и крупным 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. к примеру, 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 сайте 15.2.4. На рис. 15.1 отображена 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.
Рис. 15.1. Сцинтилляционный детектор с фотоумножителем
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. 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.
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.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
