Сцинтилляционный счетчик — это прибор для обнаружения и измерения ионизирующего излучения , использующий возбуждающее воздействие падающего излучения на сцинтилляционный материал и детектирующий возникающие в результате световые импульсы.
Он состоит из сцинтиллятора , который генерирует фотоны в ответ на падающее излучение, чувствительного фотодетектора (обычно фотоумножителя (ФЭУ), камеры с зарядовой связью (ПЗС) или фотодиода ) , который преобразует свет в электрический сигнал и электроника для обработки этого сигнала.
Сцинтилляционные счетчики широко используются в радиационной защите, анализе радиоактивных материалов и физических исследованиях, поскольку они могут быть изготовлены недорого, но с хорошей квантовой эффективностью и могут измерять как интенсивность, так и энергию падающего излучения.
Первый электронный сцинтилляционный счетчик был изобретен в 1944 году сэром Сэмюэлем Карраном [1] [2] во время работы над Манхэттенским проектом в Калифорнийском университете в Беркли . Возникла необходимость измерить радиацию небольших количеств урана, и его изобретение заключалось в использовании одной из недавно доступных высокочувствительных фотоумножительных трубок, изготовленных Радиокорпорацией Америки, для точного подсчета вспышек света от сцинтиллятора, подвергнутого радиации.
Это основывалось на работах более ранних исследователей, таких как Антуан Анри Беккерель , который обнаружил радиоактивность во время работы над фосфоресценцией солей урана в 1896 году. Раньше сцинтилляционные явления приходилось тщательно обнаруживать на глаз, используя спинтарископ ( простой микроскоп) для наблюдения. в сцинтилляторе мигает свет. Первый коммерческий жидкостный сцинтилляционный счетчик был изготовлен Лайлом Э. Паккардом и продан Аргоннской онкологической исследовательской больнице Чикагского университета в 1953 году. Производственная модель была разработана специально для трития и углерода-14 , которые использовались в метаболических исследованиях in vivo и in vivo. пробирка . [3]
Когда ионизирующая частица проходит в материал сцинтиллятора, атомы возбуждаются вдоль трека. Для заряженных частиц трек — это путь самой частицы. Для гамма-лучей (незаряженных) их энергия преобразуется в энергичный электрон посредством фотоэлектрического эффекта , комптоновского рассеяния или образования пар .
Химический процесс снятия возбуждения атомов в сцинтилляторе производит множество фотонов низкой энергии, обычно вблизи синего конца видимого спектра. Величина пропорциональна энергии, выделяемой ионизирующей частицей. Их можно направить на фотокатод фотоумножителя, который за счет фотоэлектрического эффекта излучает не более одного электрона на каждый пришедший фотон . Эта группа первичных электронов электростатически ускоряется и фокусируется электрическим потенциалом так, что они ударяются о первый динод трубки. Удар одного электрона о динод высвобождает ряд вторичных электронов, которые, в свою очередь, ускоряются и ударяются о второй динод. При каждом последующем ударе динода высвобождаются дополнительные электроны, поэтому на каждой ступени динода возникает эффект усиления тока. Каждая ступень имеет более высокий потенциал, чем предыдущая, для создания ускоряющего поля.
Результирующий выходной сигнал на аноде представляет собой измеримый импульс для каждой группы фотонов исходного ионизирующего события в сцинтилляторе, дошедший до фотокатода, и несет информацию об энергии исходного падающего излучения. Когда он подается на усилитель заряда , который интегрирует информацию об энергии, получается выходной импульс, пропорциональный энергии частицы, возбуждающей сцинтиллятор.
Количество таких импульсов в единицу времени также дает информацию об интенсивности излучения. В некоторых приложениях отдельные импульсы не учитываются, а в качестве меры интенсивности излучения используется только средний ток на аноде.
Сцинтиллятор должен быть защищен от окружающего света, чтобы внешние фотоны не подавляли события ионизации, вызванные падающим излучением. Для достижения этой цели часто используется тонкая непрозрачная фольга, такая как алюминизированный майлар, хотя она должна иметь достаточно низкую массу, чтобы свести к минимуму ненужное ослабление измеряемого падающего излучения.
Статья о фотоумножителе содержит подробное описание работы трубки.
Сцинтиллятор состоит из прозрачного кристалла , обычно люминофора, пластика (обычно содержащего антрацен ) или органической жидкости (см. подсчет жидкостных сцинтилляций ), которые флуоресцируют при воздействии ионизирующего излучения .
Йодид цезия (CsI) в кристаллической форме используется в качестве сцинтиллятора для обнаружения протонов и альфа-частиц. Йодид натрия (NaI), содержащий небольшое количество таллия , используется в качестве сцинтиллятора для регистрации гамма-волн, а сульфид цинка (ZnS) широко используется в качестве детектора альфа-частиц. Сульфид цинка — это материал, который Резерфорд использовал для проведения своего эксперимента по рассеянию. Йодид лития (LiI) используется в детекторах нейтронов.
Квантовая эффективность детектора гамма-излучения (на единицу объема) зависит от плотности электронов в детекторе, а некоторые сцинтилляционные материалы, такие как йодид натрия и германат висмута , достигают высокой плотности электронов в результате высоких атомных номеров некоторые элементы, из которых они состоят. Однако детекторы на основе полупроводников , особенно сверхчистого германия , имеют лучшее разрешение по собственной энергии, чем сцинтилляторы, и, где это возможно, являются предпочтительными для гамма-спектрометрии .
В случае детекторов нейтронов высокая эффективность достигается за счет использования сцинтилляционных материалов, богатых водородом , которые эффективно рассеивают нейтроны. Жидкостные сцинтилляционные счетчики являются эффективным и практичным средством количественного определения бета-излучения .
Сцинтилляционные счетчики используются для измерения радиации в различных приложениях, включая портативные измерители радиационного обследования , мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения , медицинскую визуализацию, радиометрический анализ, ядерную безопасность и безопасность атомных станций.
На рынке было представлено несколько продуктов, в которых используются сцинтилляционные счетчики для обнаружения потенциально опасных материалов, излучающих гамма-излучение, во время транспортировки. К ним относятся сцинтилляционные счетчики, предназначенные для грузовых терминалов, пограничной службы, портов, мостовых весов, складов металлолома и мониторинга загрязнения ядерных отходов. Существуют варианты сцинтилляционных счетчиков, устанавливаемых на пикапы и вертолеты для оперативного реагирования в случае возникновения ситуации безопасности из-за грязных бомб или радиоактивных отходов . [4] [ неудачная проверка ] [5] [ неудачная проверка ] Также широко используются портативные устройства. [6]
В Соединенном Королевстве Управление по охране труда и технике безопасности (HSE) выпустило руководство пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для конкретного применения. Он охватывает все технологии радиационных приборов и представляет собой полезное сравнительное руководство по использованию сцинтилляционных детекторов. [7]
Мониторы радиоактивного загрязнения для территориальных или личных обследований требуют большой зоны обнаружения, чтобы обеспечить эффективный и быстрый охват контролируемых поверхностей. Для этого идеально подходит тонкий сцинтиллятор с окном большой площади и встроенным фотоумножителем. Они находят широкое применение в области контроля радиоактивного загрязнения персонала и окружающей среды. Детекторы рассчитаны на использование одного или двух сцинтилляционных материалов, в зависимости от применения. Детекторы с «одинарным люминофором» используются как для альфа-, так и для бета-излучения, а детекторы с «двойным люминофором» используются для обнаружения обоих. [8]
Для обнаружения альфа-частиц используется сцинтиллятор, такой как сульфид цинка, а для обнаружения бета-частиц используются пластиковые сцинтилляторы. Результирующие энергии сцинтилляций можно различить, так что количество альфа- и бета-излучения можно измерить отдельно с помощью одного и того же детектора. [8] Этот метод используется как в ручном, так и в стационарном мониторинговом оборудовании, и такие инструменты относительно недороги по сравнению с газовыми пропорциональными детектор.
Сцинтилляционные материалы используются для измерения амбиентной дозы гамма-излучения, хотя для обнаружения загрязнения используется другая конструкция, поскольку тонкое окно не требуется.
Сцинтилляторы часто преобразуют один фотон излучения высокой энергии в большое количество фотонов с более низкой энергией, где количество фотонов на мегаэлектронвольт входной энергии довольно постоянно. Таким образом, измеряя интенсивность вспышки (количество фотонов, производимых рентгеновским или гамма-фотоном), можно определить энергию исходного фотона.
Спектрометр состоит из подходящего кристалла -сцинтиллятора , фотоумножителя и схемы измерения высоты импульсов, вырабатываемых фотоумножителем. Импульсы подсчитываются и сортируются по их высоте, в результате чего получается график зависимости яркости вспышки сцинтиллятора от количества вспышек, который аппроксимирует энергетический спектр падающего излучения с некоторыми дополнительными артефактами. Монохроматическое гамма-излучение создает фотопик при своей энергии. Детектор также показывает отклик при более низких энергиях, вызванный комптоновским рассеянием , два меньших пика ускользания при энергиях 0,511 и 1,022 МэВ ниже фотопика для создания электрон-позитронных пар, когда вылетает один или оба аннигиляционных фотона, и пик обратного рассеяния. Более высокие энергии могут быть измерены, когда два или более фотонов попадают в детектор почти одновременно ( наложение , в пределах временного разрешения цепочки сбора данных ), проявляясь в виде суммарных пиков с энергиями до значения двух или более добавленных фотопиков [8]
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )