Бушуев Експерименталная реакторная физика. Учебное пособие 2008

2.4.Сцинтилляционные детекторы: принцип работы, устройство. Типы сцинтилляторов: твердые кристаллические, органические, жидкие

Сцинтилляторы – вещества, в которых под действием заряженных частиц или излучений возникают фотоны видимой или ультрафиолетовой части спектра. Кроме того, они слабо поглощают эти собственные излучения.

Вторая часть сцинтилляционного детектора – фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), рис. 2.11. Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают электроны. Под действием электрического поля эти электроны приобретают энергию и направляются на диноды ФЭУ, где происходит вторичная электронная эмиссия. В результате на анод ФЭУ приходит в 104–107 раз больше электронов, чем вылетело с фотокатода. Возникает электрический импульс, который регистрируется.

Рис. 2.11. Принципиальная схема ФЭУ

41

Время испускания фотонов определяется временем жизни возбужденного состояния молекул, которое для разных сцинтилляторов равняется 10–9–10–5 с. Вероятность образования электрона при взаимодействии фотона с фотокатодом называют конверсионной способностью. Она равна 0,05–0,1. Наиболее распространены Sb-Cs и Bi-Ag-Cs фотокатоды, которые обладают высокой чувствительностью к испускаемым сцинтилляторами фотонам.

Увеличение числа электронов при движении от фотокатода к

n

аноду называют коэффициентом усиления ФЭУ: M i , где

1/ n – вероятность				i 1
	попадания	электрона	на	динод,
i –коэффициент вторичной электронной эмиссии.			Промышлен-

ные ФЭУ имеют M = 105–108. M зависит от колебаний напряжения, от температуры, от влияния магнитного поля. Время регистрации t зависит от статистической природы появления вспышки света, различий во времени движения фотонов до фотокатода (они образуются в разных местах и попадают на катод после нескольких рассеяний), различия во временах движения от динода к диноду. После попадания в сцинтиллятор ионизирующей частицы интенсивность флюоресценции затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени жизни возбужденных молекул. Электронный заряд, собираемый на аноде ФЭУ, экспоненциально возрастает с той же постоянной времени. Таким образом, время высвечивания определяет минимальную длительность сигнала и, следовательно, разрешающую способность детектора. Луч-

шее разрешающее время можно получить с жидким сцинтиллятором (3 10–9 с), со стильбеном (6 10–9 с), для NаJ 2 10–6 с.

Наибольшее распространение имеют монокристаллы галоидов щелочных металлов: NaJ, CsJ, LiJ с добавками активаторов (табл. 2.2). Галоидные соединения гигроскопичны, требуется защита кристаллов от атмосферной влаги.

Органические сцинтилляторы изготавливают в виде монокристаллов (стильбен, антрацен), а также из жидких и твердых растворов ароматических углеводородов в растворителе (табл. 2.3).

42

							Таблица 2.2
	Свойства неорганических сцинтилляторов
Кристалл	Плотность,	Время высвечивания,				Конверсионная
	г/см3	мкс			эффективность, %
NaJ(Tl)	3,67	0,23					8–13
CsJ(Tl)	4,51	1,00					6
LiJ(Eu)	4,06	1,20					4
							Таблица 2.3
	Свойства органических сцинтилляторов
		Плот-		Время высве-			Конверсионная
Сцинтиллятор		ность,					эффективность,
		г/см3		чивания, нс			%
Кристаллические:
антрацен (С14Н10)		1,25		30			4
стильбен (С14Н12)		1,16		6			1,5–3
Жидкие:		0,9		2			2
р-терфенил в ксилоле
р-терфенил в поливинил-				3			2
толуоле		1,0

Жидкие сцинтилляторы можно использовать в больших объемах, их стоимость низкая (иногда используются объемы в десятки тысяч литров). В них можно растворять исследуемые радиоактивные вещества, что создает возможность регистрации альфа- и мягкого бета-излучений.

Жидкий сцинтиллятор представляет собой смесь из сцинтиллирующего вещества, растворителя (толуол, ксилол) и активатора (р-терфенил и др.) с концентрацией 2,5–10 г/л. Активатор смещает длину волны вспышки в сторону максимальной чувствительности фотокатода ФЭУ.

Пластмассовые сцинтилляторы – твердые растворы органических сцинтилляторов.

Амплитудный анализ. Функция отклика G (E, V) для заряженных частиц имеет форму близкую к функции Гаусса. Для гаммаквантов и нейтронов функция отклика имеет более сложный вид.

43

Фотопоглощение гамма-квантов и эффект образования пар (при E 1,02МэВ) приводят к образованию пиков в амплитудном рас-

пределении импульсов. В результате комптоновских рассеяний образуется непрерывное распределение импульсов. Вероятности этих процессов в зависимости от энергии гамма-кванта показаны на рис. 2.12. На формирование амплитудного распределения импульсов влияют размеры детектора – в больших детекторах велика вероятность многократных процессов, приводящих к полному поглощению энергии гамма-квантов и возникновению импульсов максимальной амплитуды регистрируемых в пиках.

Рис. 2.12. Линейные коэффициенты поглощения NaI для разных процессов взаимодействия гаммаквантов с веществом

Амплитуда таких импульсов пропорциональна энергии частицы (гамма-кванта), т.е. именно пики полного поглощения, можно использовать для анализа энергетического распределения частиц.

44

Ионизирующая частица, проходя через кристалл антрацена, создает около 6000 фотонов со средней длиной волны 4500 Å при потере энергии 1 МэВ. Если средняя энергия фотона равна 2,75 эВ, то эффективность превращения энергии частицы в фотоны составляет около 1,6 % или 170 эВ на фотон. Величина энергетического разрешения для частиц с энергией 1 МэВ приблизительно равна 4,5 %, т.е. не высока.

Для регистрации нейтронов используют органические кристаллы, где флюоресценцию вызывают протоны отдачи. Импульсы, образованные протонами отдачи от моноэнергетических нейтронов, распределены по энергии равномерно. Кристалл стильбена 30 30 мм регистрирует нейтроны с энергией 10 МэВ с эффективностью = 10 %, нейтроны с En 1 МэВ с = 45 %.

Применение сцинтилляционных детекторов для активаци-

онного анализа. Образующиеся при захвате нейтрона радиоактивные ядра имеют невыгодные нейтрон-протонные соотношения и через интервал времени равный T1/ 2 испытывают бета-распад, ко-

торый обычно сопровождается испусканием гамма-квантов:

ZAB n A Z1B , ZA 11B.

T1/ 2

Количество образовавшихся за время облучения радиоактивных ядер можно определить путем регистрации бета-частиц или гаммаквантов. Спектр бета-частиц – непрерывный, так как часть энергии распада уносят нейтрино. Поэтому бета-излучение данного ядра маскируется фоновым излучением других радиоактивных ядер. Его создают внешние излучатели и радиоактивные продукты других реакций, в том числе вызванных активацией веществ, загрязняющих поверхность образца. Еще одна проблема – сильно поглощение бета-излучения внутри образца.

Предпочтительнее регистрировать гамма-излучение в спектрометрическом режиме. Спектр гамма-излучения – дискретный. Пи-

ки, образованные гамма-излучением ядра A Z1B , можно отделить от пиков фоновых излучений гамма-спектрометрометрическим методом с применением сцинтилляционного детектора. Такой метод во многих случаях является наилучшим для практики активационных измерений. Его отличают относительная простота измерительной

45

аппаратуры (рис. 2.13), ее надежность и транспортабельность. Зависимость эффективности регистрации гамма-квантов сцинтиляторами от энергии хорошо изучена.

Используют NaJ(Tl)-кристаллы 63 63 мм для спектрометрии гамма-излучения с энергией 0,3–2,0 МэВ, 40 40 мм для 0,1– 1,0 МэВ, толщиной 1–3 мм – для спектрометрии рентгеновского излучения с энергией 0,01–0,1 МэВ.

Измеряемая величина – число импульсов в фотопике SФ , на-

бранных за время , от гамма-квантов с энергией E (nФ SФ / ).

Рис. 2.13. Схема простейшего спектрометра гамма-излучения с сцинтилляционным детектором

При подготовке к измерениям калибруют спектрометр с помощью набора стандартных гамма-источников. Путем калибровки находят зависимости f1(E ) и f2(E ). Полученные данные

используют для идентификации радионуклидов, присутствующих в исследуемом образце, и определения их содержания по числу отсчетов в пиках.

Активность измеряемого источника определяется по следующей формуле:

	Aизм	nФ	KП Ki ,	(2.11)
		Ф I
			i

где Ф – эффективность регистрации излучения в фотопике; I –

квантовый выход регистрируемого гамма-излучения (число кван-

тов на 1 распад ядра A Z1B); KП – поправка на поглощение гамма-

излучения внутри источника (самопоглощение); Ki – поправка, учитывающая отличия условий измерения от условий калибровки

46

(различие позиций измеряемого и калибровочного источников и др.).

Скорость счета в пике полного поглощения определяется по формуле:

n

SФ

K

K

M

,

(2.12)

Ф

где K

– поправка на распад ядер A Z1B за время

1 exp( )

измерения; – постоянная распада;

KM – поправка на мертвое

время спектрометра.

Для

описания

пика

SФ используют

функцию Гаусса:

1

1

(x )

2

f(x)

, где и – параметры, характери-

exp

2

2

2

зующие положение вершины пика и ширину распределения. Фон описывают прямой или параболой. Для разложения спектра используют метод наименьших квадратов.

2.5.Полупроводниковые детекторы (ППД). Характеристики и области применения ППД: используемые материалы и устройство, типы ППД и их особенности

ППД можно представить в виде ионизационной камеры с твердым веществом между электродами. При поглощении ионизирующего излучения образуются носители электрических зарядов (электроны и дырки), которые под действием электрического поля собираются на электродах.

ППД имеют важные преимущества перед ионизационными камерами:

1)плотность вещества в чувствительном объеме в 103 раз выше, поэтому выше эффективность;

2)более высокая разрешающая способность.

Другие достоинства – линейная связь между амплитудой сигнала и энергией измеряемого излучения, короткий фронт сигнала.

Требования к материалу для ППД:

47

малый расход энергии на создание пары носителей заряда; отсутствие рекомбинации и захвата носителей заряда при дви-

жении в детекторе; большие и близкие по величине подвижности носителей заря-

дов; высокое удельное сопротивление.

Чем меньше расход энергии на создание пары носителей заряда ( ), тем больше образуется носителей, тем больше вырабатывается сигнал и тем меньше относительная флуктуация величины сигнала, от которой зависит энергетическое разрешение. У ППД средняя энергия образования пары носителей в 10 раз меньше, чем у газовых камер, и в 100 раз меньше, чем у сцинтилляторов.

Чем выше подвижность носителей, тем лучше временные характеристики детектора. Если подвижности электронов и дырок равны, то амплитуда сигнала не зависит от места образования носителей в объеме детектора.

Любой материал имеет некоторую электропроводность. При включении напряжения возникает постоянный ток через детектор, величина которого флуктуирует – появляется «шум», который накладывается на полезные сигналы. Требуемое значение удельного сопротивления более 1010 Ом/см.

Всем перечисленным требованиям лучше всего могут удовлетворять кристаллические Si и Ge, хотя их удельные сопротивления меньше, чем требуется (у Si 104 Ом/см, у Ge 10 Ом/см). Поэтому необходимо на несколько порядков повысить их удельное сопротивление.

Свойства полупроводников. Согласно законам квантовой физики, энергия электронов в твердом теле не может быть произвольной. В одиночном атоме энергия электрона принимает дискретные значения, при сближении атомов возникает их взаимодействие, приводящее к расщеплению уровней энергии. В кристалле вместо отдельных разрешенных значений энергии существуют зоны разрешенных и запрещенных энергий электронов.

Электроны с внутренних оболочек не взаимодействуют с соседними атомами, для электронов с внешних оболочек вероятность взаимодействия велика, и ширина разрешенной зоны составляет около 1 эВ. Электроны с энергиями, соответствующими такой зоне, принадлежат всему кристаллу.

48

При воздействии электрического поля на кристалл электроны в заполненных зонах не изменяют своего распределения по энергиям, не участвуют в переносе заряда и не дают вклада в электропроводимость. Твердое тело со всеми заполненными разрешенными зонами является диэлектриком, а с частично заполненными – полупроводником. У металлов зоны разрешенных значений энергии перекрываются, и при любой температуре электроны могут под действием внешнего электрического поля участвовать в электропроводимости.

Вполупроводнике часть электронов в результате теплового движения может переходить в зону проводимости; вероятность такого перехода экспоненциально увеличивается с уменьшением ширины запрещенной зоны. После ухода электрона остается незаполненная вакансия – «дырка», благодаря которой другие электроны получают возможность перемещаться под действием электрического поля, внося вклад в электрический ток. Если электроны и дырки образуются только в результате тепловых переходов через запрещенную зону, то их число одинаково, и тело называют «идеальным» кристаллом.

Вреальных кристаллах имеются дефекты и примеси, а в запрещенной зоне существуют уровни, принадлежащие этим дефектам и примесям. Вероятность переходов через эти уровни намного превышает вероятность теплового перехода через запрещенную зону. Ионизация приводит либо к переводу электронов с уровня в зону проводимости (донор), либо к переходу электрона из нижележащей зоны на уровень (акцептор). Донорные уровни располагаются вблизи верхнего края запрещенной зоны, акцепторные – вблизи нижнего края. Полупроводники электронного типа (или n-типа) называют донорными, полупроводники дырочного (или p-типа) – акцепторными (рис. 2.14).

Влюбом полупроводнике могут присутствовать и донорные, и акцепторные примеси, которые частично компенсируют друг друга. Ток, обусловленный дрейфом носителей заряда под действием

внешнего поля, определяет удельное сопротивление полупроводника:

			1		,	(2.13)
			p
	e (			n)

49

где p – плотность дырок, n – плотность электронов, + – подвижность дырок, – – подвижность электронов.

Рис. 2.14. Типы полупроводниковых кристаллов

Плотность носителей заряда зависит от температуры T и ширины запрещенной зоны g :

n	b T3/2 exp( g	(2 k T)),	(2.14)
	i

где b – константа для данного материала, k – постоянная Больцмана;

ni2 n p ,

(2.15)

т.е. если плотность электронов в кристалле увеличивается, то плотность дырок уменьшается.

Минимальное число носителей обоих зарядов наблюдается при n = p, что соответствует случаю полностью скомпенсированного полупроводника, сопротивление которого такое же, как и у беспримесного. Реальные полупроводники обычно содержат примеси: кремний трудно очистить от бора, германий – от кислорода. Характеристики Si и Ge приведены в табл. 2.4.

50