Сцинтилляторы — это вещества, излучающие короткие вспышки люминесценции ("сцинтилляции") при пролёте сквозь них частиц ионизирующего излучения (альфа-частиц, гамма-квантов, мюонов, нейтронов, протонов, электронов и т. д.).
Раньше в качестве сцинтилляторов чаще всего использовались неорганические кристаллы. Для увеличения выхода света в такой кристалл вводят специальную примесь – так называемый активатор (или допант). Например, в широко применяемом сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической решетке иодида натрия содержится активирующая примесь атомов таллия (в концентрации порядка сотых долей процента). Благодаря этому выход люминесценции повышается на порядок. Кроме иодида натрия, активированного таллием, широко используют также ZnS(Ag), CdS(Ag), LiI(Sn), LiI(Eu), CsI(Tl) и др. Имея высокую плотность, неорганические кристаллы хорошо поглощают гамма-излучение, эффективно тормозят быстрые электроны и мюоны, а также очень тяжелые быстрые частицы. И поэтому их применяют, в первую очередь, для детектирования такого ионизирующего излучения.
Во 2-й половине ХХ в. стали широко использовать также органические сцинтилляторы: антрацен, нафталин, p-терфенил, стильбен и др. Их преимуществом являются гораздо меньшие времена высвечивания – порядка единиц - десятков наносекунд (у неорганических кристаллов – порядка 250-1000 нс). Зато они в несколько раз уступают активированным неорганическим кристаллам по интенсивности вспышек. Поскольку в состав органических сцинтилляторов входит много атомов водорода, то они эффективно тормозят нейтроны и протоны. Поэтому их применяют, в первую очередь, для детектирования нейтронных и протонных излучений.
Позже на основе органических материалов стали производить жидкие и твердые пластиковые сцинтилляторы. В них в оптимальных пропорциях смешивают несколько компонент с пластификатором – полимеризующимся материалом. По такой технологии можно формировать сцинтилляторы любой геометрической формы и больших размеров (см. рис. 22.6). Например, сцинтилляторы Bicron BC 400...416 американской компании BICRON производятся на основе поливинилтолуола и обладают достаточно хорошими характеристиками: время вспышки ∼ 1 нс, интенсивность вспышек достигает 20-30% от наблюдаемых в NaI(Tl).
.files/image2225.jpg)
Рис. 22.6. Промышленные пластиковые сцинтилляторы разных форм и размеров
Сенсоры, в которых первичные информационные сигналы имеют вид сцинтилляций, называют сцинтилляционными сенсорами. Еще из школьного курса физики Вы помните, наверное, опыты по рассеянию альфа-частиц тончайшей золотой фольгой, проведенные в лаборатории Резерфорда и позволившие установить структуру атома. Для подсчета числа частиц, рассеянных на тот или иной угол, там использовались сцинтилляторы из кристаллов сернистого цинка. Подсчет числа сцинтилляций сотрудники лаборатории производили "вручную", предварительно адаптируя свои глаза к темноте. С этого примитивного сцинтилляционного сенсора и начинались вся атомная и ядерная физика.
Сейчас такую работу автоматически, быстро и эффективно выполняют интеллектуальные сенсоры, называемые сцинтилляционными счетчиками или сцинтилляционными детекторами. Принцип работы сцинтилляционного счетчика/детектора раскрывает рис. 22.7.
.files/image2227.gif)
Рис. 22.7. Функциональная схема сцинтилляционного счетчика/детектора: 1 – сцинтиллятор; 2 – фотоприемник; 3 – усилитель; 4 – формирователь счетных импульсов и АЦП; 5 – счетчик или микрокомпьютер; 6 – кнопки (клавиатура) управления; 7 – дисплей; 8 – внешний интерфейс
Штрихпунктирными линиями на нём условно показаны треки пролетающих ионизирующих частиц. Ионизируя атомы сцинтиллятора 1 и возбуждая их электронные оболочки, пролетающие частицы вызывают сцинтилляции. Фотоприёмник 2 преобразует вспышки люминесценции в электрические импульсы, которые усиливаются в электронном усилителе 3. В простейших сцинтилляционных счетчиках электронный узел 4 при поступлении импульса от усилителя формирует счетный импульс. Такие импульсы подсчитываются счетчиком 5. Число импульсов за фиксированный период времени характеризует интенсивность ионизирующего излучения. Значение интенсивности выводится на дисплей 7. Чем короче вспышка света и чем большее быстродействие имеют фотоприёмник и последующие электронные узлы, тем больше импульсов успевает подсчитать сцинтилляционный счетчик за единицу времени, и тем шире диапазон измеряемых интенсивностей ионизирующего излучения.
В интеллектуальных сцинтилляционных сенсорах, в составе которых имеется микрокомпьютер, появляются многие дополнительные возможности. В первую очередь, это возможность измерять энергетический спектр наблюдаемого ионизирующего излучения. Дело в том, что, чем больше энергия пролетающей сквозь сцинтиллятор частицы, тем больше ионизированных и возбужденных электронных оболочек атомов оставляет она на своем пути. И поэтому тем интенсивней вспышка люминесценции. Таким образом, измеряя интенсивность вспышки, можно (после соответствующей калибровки) приблизительно определить энергию пролетевшей частицы. Для этого в состав электронного узла 4 вводят аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирующий и передающий в микрокомпьютер 5 цифровой код, пропорциональный интенсивности наблюдаемой вспышки. В микрокомпьютере на основе этого цифрового кода каждой зарегистрированной частице ставится в соответствие её энергия. Накапливая в памяти статистику пролетающих частиц и их энергий, микрокомпьютер строит и выводит на дисплей 7 энергетический спектр наблюдаемого излучения, т.е. распределение пролетевших частиц по их энергиям (рис. 22.8).
.files/image2229.jpg)
Рис. 22.8. Пример энергетического спектра ионизирующего излучения, наблюдаемого при распаде радиоактивного изотопа америция 241Am
Если в микрокомпьютер заложить соответствующие программы и справочные данные, то во многих случаях по наблюдаемому энергетическому спектру он сможет автоматически идентифицировать природу наблюдаемого источника ионизирующего излучения. Ведь каждый радиоактивный изотоп имеет свой энергетический спектр ионизирующего излучения. Излучение из ускорителей заряженных частиц, из ядерных реакторов разных типов тоже имеет свои характерные энергетические спектры. Микрокомпьютер может автоматически рассортировать различные компоненты ионизирующего излучения по их энергиям или по источникам и выдать интенсивность каждого из них в отдельности.
Введенная в состав сцинтилляционного детектора излучений клавиатура 6 позволит пользователю управлять его работой, задавать масштаб энергетического спектра, диапазон отображаемых энергий, формат выдачи полученных данных. А внешний интерфейс 8 позволяет сцинтилляционному детектору обмениваться данными с внешним компьютером.
Длительное время в качестве фотоприемника в сцинтилляционных детекторах применялись электровакуумные ФЭУ (фотоэлектронные умножители). В последние десятилетия в связи с существенным улучшением характеристик полупроводниковых фотоприёмников они стали постепенно вытеснять ФЭУ. Благодаря этому были созданы гораздо более компактные и надёжные сцинтилляционные детекторы.
В настоящее время они широко применяются не только в физических исследованиях, но и для учета, контроля и охраны, для экологического надзора и противодействия незаконному обороту ядерных материалов и радиоактивных веществ. В качестве примера современных интеллектуальных сцинтилляционных сенсоров укажем на транспортный радиационный монитор КСАР1У.041 и радиационный монитор-идентификатор ИР-560 производства российского Научно-технического центра ЯФИ ("Ядерно-физические исследования"). Эти сенсоры предназначены для обнаружения, локализации и идентификации делящихся и радиоактивных материалов при досмотре людей, багажа, грузов, а также автомобильного, железнодорожного и иных видов транспорта. Они устанавливаются на проездах, контрольно-пропускных пунктах (рис. 22.9) и автоматически выдают сигнал тревоги, когда интенсивность ионизирующих излучений превышает заданные пороговые значения.
.files/image2230.jpg)
Рис. 22.9. Пример мест установки радиационного монитора-идентификатора ИР-560
Габариты монитора ИР-560 составляют 330×200×170 мм, масса 2,5 кг. Он позволяет регистрировать альфа-, бета- и гамма-излучение в диапазоне энергий от 0,03 до 3 МэВ, нейтронное и протонное излучения. Монитор автоматически производит идентификацию неэкранированных ядерных материалов (235U, 238U с разной степенью обогащения, 237Np, Pu), медицинских радиоизотопов (67Ga, 99mTc, 123I, 201Tl), промышленных изотопов (57Co, 60Co, 133Ba, 137Cs, 192Ir, 241Am, 152Eu), природных радиоактивных материалов (40K, 226Ra, 232Th, 90Sr). Высокоактивные материалы могут быть обнаружены и идентифицированы, даже будучи экранированы свинцом или сталью.
В качестве другого примера назовем сцинтилляционный аэрогамма-спектрометр АГСК-99С, разработанный и выпускаемый в МИФИ. Он предназначен для использования на летательных аппаратах с целью обнаружения и картирования локальных источников ионизирующих излучений как в "старых" районах радиоактивных загрязнений, так и вновь возникающих в результате аварий, потерь при транспортировке, актов терроризма. В нем применены сцинтилляторы NaI(Tl) диаметром 200 и высотой 100 мм или 200×200×100 мм. Измерительный спектрометрический модуль содержит 4 таких сцинтиллятора и вместе с электронной аппаратурой имеет габариты 55×55×45 см.
В результате реализации эффективных миниатюрных полупроводниковых фотоприёмников сцинтилляций появилась также возможность создания координатно- (или позиционно-) чувствительных сцинтилляционных детекторов.
Координатно-чувствительные сцинтилляционные детекторы строятся из многих слоев. Каждый слой состоит из матрицы фотодетекторов и расположенной над ней пластины сцинтиллятора. Индивидуальные фотодетекторы воспринимают в основном лишь сцинтилляции, происходящие в прилегающем объёме сцинтиллятора, каждый – в своём. Снимаемая с матриц фотодетекторов последовательность сигналов содержит информацию о координатах, моментах времени и интенсивности наблюдаемых сцинтилляций. Время сцинтилляции фиксируется с точностью порядка 1 нс, а координаты – с точностью единиц-десятков микрометра. Накапливая в памяти большого объёма такую информацию, компьютер, исходя из неё, может довольно точно реконструировать треки пролетающих частиц, их энергетические характеристики, точки распада, рассеяния или соударения частиц. Могут быть подсчитаны и показаны на дисплее также пространственное распределение пролетающих ионизирующих частиц, распределение их по направлениям и т.д.
С помощью современных интеллектуальных сцинтилляционных детекторов проводятся ныне новейшие эксперименты в области физики высоких энергий, ядерной физике и космологии. Остановимся вкратце лишь на одном примере. Примерно в 100 км от Рима глубоко в толще горы Гран-Сассо (Gran Sasso) расположена подземная лаборатория, принадлежащая итальянскому Национальному институту ядерной физики (INFN). Благодаря естественному экранированию (от поверхности ее отделяют полтора километра горных пород!), поток космических лучей в ней в миллион раз меньше, чем на поверхности Земли. Именно поэтому она идеально подходит для проведения сверхчистых экспериментов в физике элементарных частиц.
Астрофизические данные показывают, что свыше 90% материи Вселенной существует в виде т.н. "темной материи". Она практически никак не проявляет себя ни в оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском или инфракрасном диапазонах, ни в радиоволнах. О её наличии свидетельствует пока только гравитационное воздействие на видимую материю. Из чего состоит "темная материя", – пока не известно. Астрофизики склонны к мысли, что она состоит из неизвестных нам пока электрически не заряженных, массивных частиц, очень слабо взаимодействующих с веществом. Их назвали "вимп" (от англ. WIMP — weakly interacting massive particles). Они образуют огромное облако вокруг каждой галактики. Поскольку наша Солнечная система находится на периферии Млечного Пути, то вполне может соприкасаться с облаком вимпов. Если это облако неоднородно по плотности, то мы, находясь на Земле, вращающейся вокруг Солнца, можем в разных точках орбиты чувствовать то более сильный, то более слабый поток вимпов, с периодом один год. Как и известные нейтрино, большинство вимпов свободно проходят Землю насквозь. Конечно же, даже многокилометровая толща горы для них не помеха. Однако изредка вимпы всё же сталкиваются с атомными ядрами и вызывают вспышки света. Частота вызываемых сцинтилляций должна изменяться с периодом в 1 год. И действительно, в 2000 г., после многих лет наблюдений физики из INFN опубликовали сообщение о том, что с помощью сцинтилляционных детекторов NaI(Tl) они обнаружили годовые колебания интенсивности сцинтилляций (рис. 22.10 слева).
.files/image2231.gif)
Рис. 22.10. Результаты многолетних измерений интенсивности сцинтилляций в подземной лаборатории INFN. Слева – результаты до 2000 г., справа – начиная с 2003 г
Из-за больших случайных погрешностей эти результаты многими скептиками были поставлены под сомнение. Усовершенствовав аппаратуру, устранив или резко уменьшив влияние источников случайных погрешностей, исследователи с 2003 г. повторили эксперимент. Результаты повторных экспериментов представлены на рис. 22.10 справа. Наблюдается еще более четкая синусоидальная зависимость с периодом ровно в 1 год, регулярно повторяются максимумы 2 июня и минимумы в начале декабря каждого года. Авторы настаивают на том, что полученная зависимость – это результат взаимодействия с вимпами. Никакие другие известные источники излучений земного или космического происхождения не могут объяснить совокупность 3-х факторов: (1) строго синусоидальная годовая периодичность с точной привязкой к дате, (2) наблюдение сигнала только при низких энергиях и (3) только в "однодетекторных" событиях. Например, потоки известных космических излучений вызывают сцинтилляции с разными энергиями и одновременно во многих детекторах, поскольку порождают т.н. "космические ливни". Хотя в интерпретации полученных результатов и остаются еще кое-какие сомнения, не исключено, что интеллектуальный сцинтилляционный сенсор помог сделать важное открытие в физике элементарных частиц, астрофизике и в космологии.
