Сцинтилляционный счетчик — это прибор для обнаружения и измерения ионизирующего излучения , использующий эффект возбуждения падающего излучения на сцинтилляционный материал и детектирующий возникающие световые импульсы.
Он состоит из сцинтиллятора , который генерирует фотоны в ответ на падающее излучение, чувствительного фотодетектора (обычно фотоумножителя (ФЭУ), камеры на приборе с зарядовой связью (ПЗС) или фотодиода ), который преобразует свет в электрический сигнал, и электроники для обработки этого сигнала.
Сцинтилляционные счетчики широко используются в радиационной защите, анализе радиоактивных материалов и физических исследованиях, поскольку они недороги, но обладают 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] , когда он работал над Манхэттенским проектом в Калифорнийском университете в Беркли . Требовалось измерить излучение от небольших количеств урана, и его нововведением было использование одного из недавно доступных высокочувствительных фотоумножительных трубок, произведенных Radio Corporation of America, для точного подсчета вспышек света от сцинтиллятора, подвергаемого излучению.
Это основывалось на работе более ранних исследователей, таких как Антуан Анри Беккерель , который открыл радиоактивность , работая над фосфоресценцией солей урана в 1896 году. Ранее сцинтилляционные события приходилось кропотливо обнаруживать глазом, используя спинтарископ (простой микроскоп) для наблюдения за вспышками света в сцинтилляторе. Первый коммерческий жидкостный сцинтилляционный счетчик был изготовлен Лайлом Э. Паккардом и продан Аргоннской онкологической исследовательской больнице при Чикагском университете в 1953 году. Производственная модель была разработана специально для трития и углерода-14 , которые использовались в метаболических исследованиях in vivo и in vitro . [3]
Когда ионизирующая частица проходит в сцинтилляционный материал, атомы возбуждаются вдоль трека. Для заряженных частиц треком является путь самой частицы. Для гамма-лучей (незаряженных) их энергия преобразуется в энергичный электрон либо через фотоэлектрический эффект , либо через комптоновское рассеяние , либо через образование пар .
Химия атомного девозбуждения в сцинтилляторе производит множество низкоэнергетических фотонов, обычно вблизи синего конца видимого спектра. Количество пропорционально энергии, вложенной ионизирующей частицей. Они могут быть направлены на фотокатод фотоумножительной трубки, которая излучает не более одного электрона на каждый прибывающий фотон из-за фотоэлектрического эффекта . Эта группа первичных электронов электростатически ускоряется и фокусируется электрическим потенциалом так, что они ударяют по первому диноду трубки. Удар одного электрона по диноду высвобождает ряд вторичных электронов, которые в свою очередь ускоряются, чтобы ударить по второму диноду. Каждый последующий удар по диноду высвобождает дополнительные электроны, и поэтому на каждой стадии динода возникает эффект усиления тока. Каждая стадия находится под более высоким потенциалом, чем предыдущая, чтобы обеспечить ускоряющее поле.
Результирующий выходной сигнал на аноде представляет собой измеряемый импульс для каждой группы фотонов от исходного ионизирующего события в сцинтилляторе, прибывших на фотокатод, и несет информацию об энергии исходного падающего излучения. При подаче на усилитель заряда , который интегрирует информацию об энергии, получается выходной импульс, пропорциональный энергии частицы, возбуждающей сцинтиллятор.
Число таких импульсов в единицу времени также дает информацию об интенсивности излучения. В некоторых приложениях отдельные импульсы не подсчитываются, а в качестве меры интенсивности излучения используется только средний ток на аноде.
Сцинтиллятор должен быть экранирован от всего окружающего света, чтобы внешние фотоны не заглушали ионизационные события, вызванные падающим излучением. Для этого часто используется тонкая непрозрачная фольга, например, алюминизированный майлар, хотя она должна иметь достаточно малую массу, чтобы минимизировать ненужное ослабление измеряемого падающего излучения.
Статья о фотоэлектронном умножителе содержит подробное описание работы трубки.
Сцинтиллятор состоит из прозрачного кристалла , обычно фосфора, пластика (обычно содержащего антрацен ) или органической жидкости (см. жидкостный сцинтилляционный счетчик ), который флуоресцирует при воздействии ионизирующего излучения .
Иодид цезия (CsI) в кристаллической форме используется в качестве сцинтиллятора для обнаружения протонов и альфа-частиц. Иодид натрия (NaI), содержащий небольшое количество таллия, используется в качестве сцинтиллятора для обнаружения 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. Иодид лития (LiI) используется в нейтронных детекторах.
Квантовая эффективность детектора гамма-излучения (на единицу объема) зависит от плотности электронов в детекторе, и некоторые сцинтилляционные материалы, такие как иодид натрия и германат висмута , достигают высокой электронной плотности в результате высоких атомных номеров некоторых элементов, из которых они состоят. Однако детекторы на основе полупроводников , особенно сверхчистого германия , имеют лучшее собственное энергетическое разрешение, чем сцинтилляторы, и предпочтительны там, где это возможно для гамма-спектрометрии .
В случае нейтронных детекторов высокая эффективность достигается за счет использования сцинтилляционных материалов, богатых водородом , которые эффективно рассеивают нейтроны. Жидкостные сцинтилляционные счетчики являются эффективным и практичным средством количественной оценки бета-излучения .
Сцинтилляционные счетчики используются для измерения радиации в различных областях применения, включая ручные приборы радиационного контроля , мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения , медицинскую визуализацию, радиометрический анализ, ядерную безопасность и безопасность атомных электростанций.
На рынке появилось несколько продуктов, использующих сцинтилляционные счетчики для обнаружения потенциально опасных гамма-излучающих материалов во время транспортировки. К ним относятся сцинтилляционные счетчики, разработанные для грузовых терминалов, пограничной безопасности, портов, весовых мостов, складов металлолома и мониторинга загрязнения ядерных отходов. Существуют варианты сцинтилляционных счетчиков, устанавливаемых на пикапах и вертолетах для быстрого реагирования в случае возникновения ситуации, связанной с безопасностью, из-за грязных бомб или радиоактивных отходов . [4] [ не удалось проверить ] [5] [ не удалось проверить ] Также широко используются ручные устройства. [6]
В Соединенном Королевстве , Health and Safety Executive (HSE) выпустил руководство пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для соответствующего применения. Оно охватывает все технологии приборов для измерения радиации и является полезным сравнительным руководством по использованию сцинтилляционных детекторов. [7]
Мониторы радиоактивного загрязнения для зональных или персональных обследований требуют большой площади обнаружения для обеспечения эффективного и быстрого покрытия контролируемых поверхностей. Для этого идеально подходит тонкий сцинтиллятор с окном большой площади и встроенной фотоумножительной трубкой. Они находят широкое применение в области мониторинга радиоактивного загрязнения персонала и окружающей среды. Детекторы рассчитаны на один или два сцинтилляционных материала в зависимости от применения. Детекторы с «одинарным фосфором» используются либо для альфа-, либо для бета-излучения, а детекторы с «двойным фосфором» используются для обнаружения обоих. [8]
Сцинтиллятор, такой как сульфид цинка, используется для обнаружения альфа-частиц, в то время как пластиковые сцинтилляторы используются для обнаружения бета-частиц. Результирующие энергии сцинтилляции могут быть различены, так что количество альфа- и бета-частиц может быть измерено отдельно с помощью одного и того же детектора, [8] Эта техника используется как в ручном, так и в стационарном контрольном оборудовании, и такие приборы относительно недороги по сравнению с газопропорциональным детектором.
Сцинтилляционные материалы используются для измерения дозы гамма-излучения окружающей среды, хотя для обнаружения загрязнения применяется другая конструкция, поскольку не требуется тонкого окна.
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. Измеряя интенсивность вспышки (количество фотонов, произведенных рентгеновским или гамма-фотоном), можно, таким образом, определить энергию исходного фотона.
Спектрометр состоит из подходящего сцинтилляционного кристалла, фотоумножительной трубки и схемы для измерения высоты импульсов, создаваемых фотоумножителем. Импульсы подсчитываются и сортируются по их высоте, создавая график xy яркости вспышки сцинтиллятора против 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 выхода при энергиях 0,511 и 1,022 МэВ ниже фотопика для создания электронно-позитронных пар, когда один или оба аннигиляционных фотона выходят, 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 цепи сбора данных ), появляясь в виде суммарных пиков с энергиями до значения двух или более добавленных фотопиков [8]
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )