6.2 Сцинтилляционные детекторы
Процесс образования световых вспышек в результате поглощения энергии веществом известно как явление люминесценции. Причинами, вызывающими люминесценцию, могут быть свет, нагревание, механическое напряжение, химическая реакция, а также ионизирующее излучение. Световые вспышки, возникающие в результате поглощения веществом ионизируюшего излучения, называют сцинтилляциями. А вещества, в которых под действием заряженных частиц возникают фотоны видимой или ультрафиолетовой части спектра излучения, называют сцинтилляторами. Сцинтилляторами могут быть только те вещества, в которых велика вероятность испускания фотонов возбужденными атомами и молекулами и, кроме того, мала вероятность поглощения ими «собственных» фотонов. Механизм возникновения сцинтилляций зависит от природы вещества сцинтиллятора (рассмотрен ниже).
Сцинтилляционные детекторы представляют собой совокупность сцинтиллятора и фотоприемника, регистрирующего фотоны, испускаемые веществом сцинтиллятора под действием ионизирующего излучения. В качестве фотоприемников используют различные типы приборов: фотоумножители, фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и др.
Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра.
Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), которые преобразуют вспышку света в импульс электрического тока и усиливает его в 106 раз и более. Получаемый на выходе ФЭУ электрический сигнал подается на вторичные электронные устройства для его обработки. Позже появились и другие фотоприемники. Общая блок- схема сцинтилляционного счетчика представлена на рисунке (рисунок 6.6.).
Рис. 6.6 Блок- схема сцинтилляционного счетчика.
Световые кванты, образованные в сцинтилляторе и падающие на фотокатод, вызывают фотоэффект. Возникшие при этом фотоэлектроны попадают в электрическое поле, ускоряются и фокусируются на первом диноде. При ударах электронов о первый динод происходит вторичная эмиссия. Электроны, выбитые из первого динода, ускоряются в следующем межэлектродном промежутке и, попадая на второй динод, вызывают, в свою очередь, вторичную эмиссию со второго и т.д. Таким образом, число электронов от динода к диноду лавинообразно нарастает. Электроны с последнего динода собираются на аноде ФЭУ, при этом на анод приходит в 104-107 раз больше электронов, чем вылетело с фотокатода. Возникает электрический импульс, который и регистрируется.
Различные комбинации сцинтилляторов и фотоприемников подбираются в зависимости от условий эксперимента, измеряемых характеристик ионизирующего излучения, а также от уровня точности проводимых измерений.
Так как в органических сцинтилляторах возбуждаются молекулярные уровни, которые излучают в ультрафиолетовой области, для согласования со спектральной чувствительностью регистрирующих свет устройств (ФЭУ и фотодиодов) используются светопреобразователи, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и переизлучают видимый свет в области 400 нм.