СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК

Детектор ядерных ч-ц, осн. элементами к-рого являются в-во, люминесцирующее под действием заряж. ч-ц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием a-частиц и осколков деления атомных ядер были осн. методом ядерной физики в нач. 20 в. Позднее этот метод был вытеснен ионизационными камерами и пропорциональными счётчиками.

Рис. 1. Схематич. изображение сцинтилляп. счётчика.

Его возвращение в яд. физику в кон. 40-х гг. связано с появлением многокаскадных фотоумножителей, способных регистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки.

Табл. 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕК-РЫХ КРИСТ. И ЖИДКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В С. с.

1 РОРОР — 1,4-ди (-2- (5-фенилоксазолил))-бензол.

2 NPO — 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол.

Заряж. ч-ца, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул, возбуждает их. Возвращаясь в осн. состояние, они испускают фотоны (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают эл-ны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрич. импульс, к-рый далее усиливается и регистрируется (рис. 1). Регистрация нейтр. ч-ц (нейтронов, g-квантов и др.) происходит по вторичным заряж. ч-цам, образующимся при их вз-ствии с атомами сцинтиллятора.

Доля энергии регистрируемой ч-цы, к-рая превращается в световую энергию, наз. конверсионной эффективностью т). Наибольшими h обладают кристаллы NaI, активированные Тl, антрацена и ZnS (табл. 1). Интенсивность свечения после прохождения ч-цы изменяется во времени экспоненциально: I=I0еt/t, где I0 — нач. интенсивность; t-время высвечивания, определяемое временем жизни на возбуждённых уровнях. Для большинства сцинтилляторов t составляет =10-9—10-5 с. Чем меньше t, тем более быстродействующим явл. С. с. Самыми малыми t обладают пластмассы.

Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектр. областью чувствительности ФЭУ, а сцинтиллятор был бы прозрачен для собств. излучения. Для регистрации медленных нейтронов в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водосодержащие сцинтилляторы. Для g-квантов и эл-нов высокой энергии используют NaI (Tl), обладающий большой плотностью, высоким эфф. ат. номером (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ).

С. с. изготавливают со сцинтилляторами разных размеров от мм3 до м3. Чтобы не «потерять» свет, необходим хороший контакт ФЭУ со сцинтиллятором. В С. с. небольших размеров сцинтиллятор приклеивается к фотокатоду, а остальные грани часто покрываются слоем светоотражающего в-ва (MgO2, ТiO2). В С. с. большого размера используют световоды (рис. 2). ФЭУ для С. с. должны обладать высокой эффективностью фотокатода (= 10%), большим коэфф. усиления (106—108), малым временем собирания эл-нов (= 10-8 с) при высокой его стабильности. Последнее позволяет достичь временного разрешения =10-9 с. Высокий коэфф. усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собств. шумов делает возможной регистрацию отд. эл-нов, выбитых с фотокатода.

Рис. 2. Внешний вид сцинтилляц. счётчика с пластмассовым сцинтиллятором.

Световой выход сцинтиллятора зависит от энергии, выделенной в нём заряженной ч-цей, что позволяет применять С. с. как спектрометр. Для сильно ионизующих ч-ц (a-частицы, осколки деления) и ч-ц малых энергий (?? МэВ) наилучшими спектрометрич. хар-ками обладает кристалл NaI(Tl), к-рый имеет линейную зависимость светового выхода от ?. Для эл-нов с энергией ?>1 Гэв при толщине кристалла NaI(Tl)=40—50 см разрешение по энергии даётся ф-лой: D?/?=2%/4??.

Табл. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕК-РЫХ ГАЗОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАЧ-ВЕ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ В С. с. (ПРИ ДАВЛЕНИИ 740 мм РТ. СТ. ДЛЯ a-ЧАСТИЦ С ЭНЕРГИЕЙ 4,7 МэВ)

Для измерения очень больших энергий (= 10 —100 ГэВ) иногда используются гигантские секционированные С. с. полного поглощения, в к-рых масса сцинтиллятора достигает сотен т. Измерение полной выделенной энергии в яд. каскаде позволяет определить энергию налетающей ч-цы с точностью = 10%.

Для исследования ч-ц малых энергий (?0,1 МэВ) и осколков деления ядер в кач-ве сцинтилляторов применяются нек-рые газы (табл. 2). Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии ч-цы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью изменять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введён в объём газового сцинтиллятора. В случае газовых сцинтилляторов необходимо применять ФЭУ с кварцевыми окнами (значит. часть излучаемого света лежит в УФ области).