Счетчики и интегральные приборы

Принцип действия этой группы датчиков основан на способности некоторых материалов преобразовывать ядерное излучение в свет.

Первоначально такое устройство, использованное Резерфордом (1900 г.), представляло собой экран, покрытый сульфидом цинка (ZnS). Вспышки света, получаемые при бомбардировке экрана частицами, подсчитывались вручную. Так как интенсивность получаемого светового сигнала невелика, то в дальнейшем для его усиления стали использовать фотоэлектронные умножители (ФЭУ). В дальнейшем для использования в качестве сцинтилляторов было разработано большое количество материалов, характеризующихся более высокой чувствительностью, в которых используются вторичные эффекты, например, термолюминесценция (с дополнительным подогревом).

Для регистрации частиц с высокой энергией используют излучение Черенкова (когда скорость частиц выше скорости света в среде происходит поляризация материала).

При попадании a-частиц на флуоресцирующие вещества они вызывают слабые световые вспышки - сцинцилляции. Было установлено, что каждая попавшая на такое вещество a-частица вызывает одну вспышку и это может быть использовано для счета a-частиц. Однако непосредственный подсчет глазом числа вспышек утомителен и труден.

В конце сороковых годов были построены сцинтилляционные счетчики частиц. Такой счетчик состоит из флуоресцирующего вещества. В качестве люминофоров используются кристаллы: йодистый натрий или калий, нафталин, антрацен и другие. Применяются также жидкие люминофоры, например, раствор трифенила в ксилоле. Частицы, обладающие достаточно большой энергией попадая в вещество, вызывают сцинтцилляционные вспышки. Каждая вспышка действует на фотокатод электронного умножителя и выбивает из него электроны. Электроны, проходя через n каскадов умножителя, дают на выходе импульс тока, который затем подается на вход усилителя. Усиленный электрический импульс подается на регистрирующее устройство (осциллограф или электромеханический счетчик импульсов). С помощью осциллографа можно определить интенсивность отдельных импульсов. Эта интенсивность пропорциональна энергии отдельной сосчитанной частицы. Таким образом, определяют не только число частиц, но и распределение их по энергиям.

Светопровод

электронный

пучок частиц умножитель

Для того чтобы большая часть света, возникающая в результате вспышки, доходила до фотокатода, между веществом и фотоэлектронным умножителем устанавливают светопровод. Светопровод представляет собой цилиндрический стержень из органического стекла люцита, внутри которого свет проходит, испытывая полное внутреннее отражение.

Сцинтилляционный материал должен обладать следующими свойствами:

• эффективно преобразовывать кинетическую энергию частиц в кванты света;
• преобразование должно быть линейным;
• должно быть коротким послесвечение;
• коэффициент преломления материала должен быть таким же, как и у стекла, что важно для конструктивного исполнения датчика.

Недостатком сцинтилляционных счетчиков является их низкое разрешение по энергии излучения. Единственным методом повышения их эффективности является использование дополнительных усилителей (ФЭУ).

Конструктивно ФЭУ состоит из ряда динодов, последовательно включенных к высоковольтному источнику постоянного напряжения. Первичный фотон сначала высвобождает электрон с поверхности катода, затем ускоренный электрическим полем электрон выбивает с поверхности динода несколько электронов и этот процесс повторяется несколько раз, в результате чего происходит лавинообразное нарастание фототока, который собирается анодом.

ФЭУ изготавливаются с различными коэффициентами усиления и для различных длин волн, поэтому характеризуются высокой чувствительностью, линейностью, имеют широкую полосу частот и малый темновой ток. По сравнению с полупроводниковыми приборами чувствительны к УФ излучению.

Рис. 15.1 Сцинтилляционный преобразователь радиоактивного излучения с фотоумножителем.