Методические указания к курсу физика атомного ядра и частиц для студентов физического факультета (стр. 6 из 7)
Экспериментально энергия γ-квантов определяется по вторичному излучению, возникающему при взаимодействии γ-кванта с веществом. При прохождении гамма-излучения через вещество вследствие взаимодействия γ -квантов с атомами веществ происходит ослабление интенсивности пучка. В диапазоне энергий радиоактивных препаратов 0.05-3 МэВ основными являются следующие три процесса взаимодействия фотонов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование электронно-позитронной пары.
В эффекте Комптона вместо падающего фотона с энергией Eγ возникает рассеянный фотон с меньшей энергией Eγ’ < Eγ, а электрон, подвергшийся рассеянию, приобретает дополнительную энергию Ee= E γ - E γ’).
При фотоэффекте энергия фотона полностью поглощается атомом, и вылетает один из электронов i-той оболочки с энергией Ee:
Ee= Eγ - Ii , i = K,L,M...,
где Ii - потенциал ионизации i-той оболочки атома.
Процесс образования электронно-позитронной пары маловероятен, так как возможен при очень высокой энергии γ -квантов Eγ > 1 МэВ.
Вероятность каждого из рассмотренных эффектов зависит от энергии γ-квантов. Это позволяет анализировать энергетические состояния ядер в атомах и элементный состав γ -радиоактивных веществ по энергетическому спектру вторичных электронов.
Сцинтилляционный метод основан на том, что при прохождении заряженных частиц через вещество происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул. Слабые световые вспышки, сопровождающие эти процессы, могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой светочувствительностью.
В сцинтилляторе при прохождении ионизирующей частицы возникает слабая световая вспышка, которая в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) преобразуется в электрический импульс. На внутреннюю поверхность стеклянного торца ФЭУ нанесен полупрозрачный сурьмяно-цезиевый (Sb-Сs) слой, служащий фотокатодом. Фотоны световой вспышки, возникающей в сцинтилляторе под действием заряженных частиц от источника, попадают на фотокатод и вырывают из него фотоэлектроны. Фотоэлектроны проходят через фокусирующую диафрагму и разгоняются электрическим полем, существующим между умножающими электродами (динодами). Для питания ФЭУ используется источник высокого стабилизированного напряжения с делителем. Если энергия падающего электрона в несколько раз превосходит работу выхода динода, то возможно выбивание вторичных электронов. Этот процесс умножения числа электронов в ФЭУ называется вторичной электронной эмиссией. Количественной характеристикой процесса умножения является коэффициент вторичной эмиссии, равный отношению числа выбитых из динода электронов к числу электронов, падающих на его поверхность. Максимальное значение коэффициента (7–10) достигается для сплавных динодов при росте энергии электронов до 500–550 эВ. Коэффициент умножения ФЭУ в сцинтилляционном детекторе обычно составляет 105–106. Вещества, применяемые в качестве сцинтилляторов, характеризуются следующими параметрами: сцинтилляционной эффективностью, световым выходом, временем высвечивания, прозрачностью к собственному люминесцентному излучению и его спектром.
Под сцинтилляционной эффективностью понимают часть поглощенной в сцинтилляторе энергии ионизирующего излучения, преобразованной в энергию световой вспышки. Световым выходом сцинтиллятора называется отношение числа фотонов световой вспышки к поглощенной энергии.
После поглощения энергии заряженной частицы число фотонов световой вспышки нарастает, затем происходит спад. Временная разрешающая способность сцинтиллятора определяется временем высвечивания, которое необходимо для уменьшения максимального числа испускаемых фотонов в 3 раза. Значение его зависит от вида заряженных частиц и типа сцинтиллятора и изменяется для большинства сцинтилляторов от 10-6 до 10-8 с.
Сцинтилляторы должны иметь высокую сцинтилляционную эффективность, малое время высвечивания, прозрачность к собственному люминесцентному излучению, спектр которого необходимо согласовывать со спектральной чувствительностью фотокатода ФЭУ. Для применения в дозиметрии γ-излучения следует уменьшать ход с жесткостью сцинтиллятора.
В качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных детекторах применяются неорганические и органические кристаллы, органические жидкие сцинтилляторы и сцинтиллирующие пластмассы, а также газовые сцинтилляторы – гелий, аргон, криптон, ксенон.
Из неорганических кристаллов наибольшее распространение получили NаI, ΚI, СsI, активированные таллием, и Li, активированный таллием и европием или самарием. Для счета α–частиц распространено применение ZnS, активированного Аg или Сu. Некоторое распространение получили также вольфраматы щелочноземельных элементов, например СаWО4, и соли ВаF2, СаF2.
Органические сцинтилляторы по своему химическому составу значительно ближе к составу биологической ткани. Их существенная особенность – малая длительность импульсов (время высвечивания равно 10-8 –10-9 с). Недостатком органических сцинтилляторов является низкое по сравнению с неорганическими кристаллами значение светового выхода. Из органических кристаллов чаще всего применяются антрацен, стильбен, нафталин, толан.
Жидкие сцинтилляторы являются растворами некоторых органических веществ, например, пара-терфенила, в органических растворителях – толуоле, ксилоле и др. В сцинтиллирующих пластмассах различные органические вещества образуют твердые растворы в полистироле. Жидкие и пластмассовые сцинтилляторы имеют ряд существенных достоинств: возможно приготовление сцинтилляторов очень большого объема, введение в них радиоактивных веществ, что особенно ценно при измерениях мягких β–излучателей (3Н, 14С, 35S).
Основными характеристиками ФЭУ являются квантовый выход, т. е. вероятность выбивания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод, и интегральная чувствительность, которая равна отношению силы тока на выходе ФЭУ к световому потоку. Интегральная чувствительность пропорциональна коэффициенту умножения системы динодов.
Сцинтилляционный детектор может работать в импульсном и тактовом режиме в зависимости от того, измеряется ли число импульсов тока или среднее значение анодного тока ФЭУ. Использование ФЭУ в сцинтилляционном методе накладывает определенные эксплуатационные требования при их проектировании и применении. Основными требованиями можно считать следующие: – минимальная чувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие необратимых эффектов после их воздействия; – необходимость избегать использования фотоумножителей в электромагнитных полях; – хорошая виброустойчивость; при эксплуатации необходимо максимально оберегать фотоумножитель от встрясок и ударов; – достаточная надежность выходных контактов и их надежное сочленение с внешней контактной панелью; – обеспечение полной изоляции фотоумножителя от воздействия внешних источников света.
Сочетание фотоумножителя с сцинтиллятором дает возможность регистрировать различные виды излучений. При регистрации α-частиц чаще всего используются кристаллы ΖnS (Αg). Толщина кристаллов должна немного превышать пробег α-частиц. Регистрация быстрых нейтронов производится путем счета протонов отдачи в сцинтилляторе, содержащем водород. Возможно применение, кроме того, жидких сцинтилляторов, а также твердых органических веществ, в которые вводится ΖnS. Для регистрации тепловых нейтронов могут быть использованы сцинтилляторы, содержащие литий или бор, в которых под действием тепловых нейтронов происходят ядерные реакции 6Li (n,α) 3Η или 10В (n,α). К числу таких сцинтилляторов относятся LiI (Тl) или жидкие сцинтилляторы, в которые добавляются органические соединения бора, например, метилборат В(ОСН3)3.
Для измерения дозы рентгеновского или γ-излучения следует пользоваться сцинтиллятором из тканеэквивалентного вещества, например, стильбена или антрацена. Зависимость дозовой чувствительности сцинтилляционного дозиметра от энергии ионизирующего излучения (ход с жесткостью) определяется типом сцинтиллятора. Ход с жесткостью устраняется, например, комбинацией органических и неорганических веществ или смешением двух органических и неорганических веществ, или смешением двух органических сцинтилляторов таким образом, чтобы комбинированный сцинтиллятор был воздухоэквивалентным.
Таким образом, основными преимуществами сцинтилляционных детекторов является высокое временное разрешение, линейная зависимость между величиной сигнала и поглощенной энергией излучения с низким значением линейной передачи энергии, возможность применения жидких детекторов любой формы и объема. Эффективность регистрации достигает 100 %. Недостатком метода является сложность и нестабильность ФЭУ, применяемого для усиления первичного эффекта.
Общий вид установки приведен на Рис. 1.
Рис.1
Установка состоит из объекта исследования, измерительного устройства, подключенного к персональному компьютеру.
1. Включить кнопку “Сеть” на задней панели измерительного устройства. При этом на индикаторе «кВ» должны высветиться нули.
2. Дать установке прогреться 5 мин.
3. Поворачивая ручку “Напряжение”, установить на индикаторе «кВ» значение напряжения в пределах 0.6 ... 1.0 . (напряжение питания ФЭУ).
4. Запустить программу fpk12_1.exe.
5. Согласно программе установить полосу пропускания импульсов. Нажать “Ввод”, запустить режим измерения количества зарегистрированных частиц (можно измерять до переполнения любого из 50-ти каналов устройства).