Виды детекторов и их характеристики
Детекторами ионизирующих излучений называют устройства, предназначенные для обнаружения излучений и частиц, определения состава излучения и измерения его энергетического спектра. Для реализации детекторов используют разнообразные эффекты, возникающие при взаимодействии излучения с веществом [12]. В любой случае, детекторным устройством можно считать структуру, на вход которой поступают частицы, а на выходе появляются сигналы. Для разных детекторов характерна разнообразная форма выходных сигналов в виде импульсов тока, вспышек света и т. п. Существуют характеристики, определяющие пригодность детекторов:
Эффективность регистрации частиц определяется как отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в детектор:
𝜂𝑝
= 𝑁𝑝, (2.2.1)
𝑁
где Nр– число зарегистрированных частиц (квантов); N– число частиц (квантов), попавших за это же время в рабочий объем детектора через входное окно. Эффективность регистрации зависит от многих факторов и различна для разных детекторов. Для одного и того же детектора она зависит от вида излучения, а для одного и того же вида излучения зависит от его энергии.
Разрешающее время (временное разрешение) – минимальный промежуток времени между последовательным попаданием в детектор двух частиц, когда их сигналы еще не
накладываются друг на друга. Если разрешающее время сравнимо со средним временем между попаданием частиц, значительная их часть не будет подсчитана. Мерой инерционности детектора является мертвое время – время, за которое детектор, зарегистрировавший одну частицу, успевает вернуться в исходное состояние, чтобы быть готовым к регистрации следующей частицы. Частицы, прошедшие через детектор в период мертвого времени, не регистрируются.
Энергетическое (амплитудное) разрешение детектора – это способность детектора разделять две частицы, различающиеся по величине энергии. Чем меньше различие в энергиях частиц, разделенных детектором, тем лучше его разрешение. Разрешение определяют, как отношение ширины дифференциального амплитудного распределения импульсов на половине высоты максимума к амплитуде, соответствующей положению максимума при облучении детектора потоком моноэнергетических частиц (квантов):
𝑅 = ∆𝐴, (2.2.2)
𝐴
где ∆А – ширина пика на половине высоты, А – амплитуда.
Пространственным разрешением детектора называется погрешность, с которой детектор может фиксировать положение частицы в пространстве [13].
Широко распространены два основных класса детекторов – трековые и электронные. В трековых детекторах частица тем или иным образом оставляет след от своего прохождения. К ним относятся камера Вильсона, пузырьковая камера, фотоэмульсионные, фотолюминесцентные и термолюминесцентные детекторы. Наиболее часто используются электронные детекторы, в которых попадание частицы излучения приводит к появлению электрического сигнала. Такие детекторы достаточно просто сопрягаются с микропроцессором или компьютером, которые производят расшифровку сигналов и представление
интересующей информации об излучении. Основные типы электронных детекторов – газоразрядные, полупроводниковые и сцинтилляционные.
 В основе работы газоразрядных детекторов лежит ионизация вещества под действием радиоактивного излучения, поэтому их еще называют ионизационными. Простейший детектор такого типа – счетчик Гейгера- Мюллера (рисунок 2.3) − представляет собой цилиндрический конденсатор, внутренний объем которого заполнен газом.
Рисунок 2.3 – Устройство счетчика Гейгера-Мюллера Ионизирующее излучение, попадая на стенки счетчика, выбивают из него
электроны. Электроны сталкиваются с атомами газа выбивают из атомов другие электроны. В результате образуются свободные электроны и положительные ионы. Разгоняясь под действием электрического поля, электроны разгоняются до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает электронно- ионная лавина. При этом заряд, собираемый на обкладках, может увеличиться в 102 – 105 раз. При достаточно большой напряженности поля ионы приобретают энергию, которой становится достаточно для образования вторичной лавины, способной поддерживать самостоятельный разряд конденсатора. При возникновении вторичной лавины ионов в счетчике Гейгера на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается на регистрирующее устройство. Для регистрации последующих частиц необходимо погасить лавинный разряд. Это происходит автоматически. Когда на сопротивлении R появляется большое падение напряжения, напряжение между катодом и анодом резко падает и разряд прекращается. Также для ускорения гашения могут использоваться специальные схемы. Они принудительно снижают напряжение
на счетчике, что позволяет уменьшить анодное сопротивление и увеличить уровень сигнала. Такие счетчики широко применяют в дозиметрии: они просты, не требуют усиления сигналов, но не позволяют измерять энергию частиц. Общий недостаток газоразрядных детекторов – низкая, порядка 1% эффективность регистрации гамма-излучения [12].
Полупроводниковыйдетекторпредставляет собой ионизационную камеру, чувствительный объем которой является твердым телом – полупроводниковый кристалл. Полупроводники получили широкое распространение благодаря особым свойствам p-n перехода – области соприкосновения полупроводников р и n типа (рисунок 2.4, а).
Рисунок 2.4 – p-n переход
Если приложить к нему напряжение минусом к p-области, а плюсом к n (в обратном направлении), то возникает ситуация, когда электроны и дырки
«вытягиваются» полем из области перехода (рисунок 2.4, б). Образуется слой, обедненный носителями заряда; иногда его называют запирающий слой. Толщина этого слоя зависит от величины приложенного напряжения и может составлять от долей миллиметра до сантиметров. Можно сказать, что этот слой обладает высоким электрическим сопротивлением. Другими словами, ток через p-n переход, смещенный в обратном направлении, практически не идет. Именно на этом свойстве основана работа полупроводникового детектора излучений. Таким образом, полупроводниковый детектор представляет собой p-n переход, смещенный в обратном направлении. В обычных условиях он практически не содержит свободных носителей заряда. Однако под действием регистрируемого
излучения в нем возникают электроны и дырки, которые «вытягиваются» электрическим полем из обедненного слоя, порождая электрический импульс.
Полупроводниковые детекторы позволяют хорошо различать частицы с различной энергией, т. е. обладают высоким энергетическим разрешением. Недостаток – величина выходных импульсов. При регистрации частиц с низкой энергией эти импульсы соизмеримы по амплитуде с шумовыми импульсами, уменьшить которые можно понижением температуры.
Сцинтилляционныйметодрегистрации излучений основан на возникновении в некоторых соединениях вспышек света (сцинтилляций) под действием заряженных частиц [14]. Сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений имеют определенное преимущество перед счетчиками Гейгера – по амплитуде и длительности вспышки можно судить о типе и энергии породившей ее частицы. Также достоинством сцинтилляционных детекторов является высокая доля регистрируемых частиц и высокая эффективность детектирования гамма-излучения. Сцинтилляционные детекторы и счетчики нашли широкое применение в составе аппаратуры контроля в атомной энергетике, производстве радиоактивных материалов, в системах экологического контроля и системах контроля за хранением и перемещением ядерных материалов, в металлургической, химической промышленности и в других областях науки и техники, где требуется обнаружение радионуклидов естественного и искусственного происхождения [15].
Сцинтилляционные детекторы состоят из сцинтиллятора и чувствительного фотоэлектрического устройства (фотоэлектронного умножителя) (рисунок – 2.5). Основаны на регистрации вспышек света, возникающих при попадании на вещество (сцинтиллятор) ионизирующих излучений. При взаимодействии со сцинтиллятором ионизирующие излучения порождают его видимую люминесценцию. С помощью фотоэлектронного умножителя световые сигналы пропорционально преобразуются в электрические, после обрабатываются с помощью электроизмерительной техники. В детекторах небольших размеров сцинтилляторы наносятся
 непосредственно на катод фотоэлектронного умножителя. В ряде случаев между сцинтиллятором и фотокатодом помещают световод.
Рисунок 2.5 – Принципиальная схема сцинтилляционного детектора Амплитуда электрического сигнала фотоэлектронного умножителя
пропорциональна интенсивности световой вспышки, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии частицы. Поэтому, выбрав для каждого вида излучений соответствующие сцинтилляторы можно определить энергетические спектры излучений.
Сцинтилляторы – это вещества, которые под действием заряженных частиц или длинноволнового электромагнитного излучения испускают фотоны в видимой или ультрафиолетовой части спектра. Использование сцинтилляторов для регистрации фотонного излучения обусловлено их более высокой эффективностью регистрации и меньшим разрешающим временем по сравнению с газоразрядными счетчиками. Также сцинтилляторы в зависимости от характеристик исходного материала и назначения могут изготавливаться различной формы и размеров [16].
Основными характеристиками сцинтилляторов являются конверсионная эффективность, спектр излучения и время высвечивания.
Конверсионная эффективность – это отношение энергии световой вспышки, к энергии, потерянной заряженной частицей в сцинтилляторе. Конверсионная эффективность характеризует эффективность преобразования сцинтиллятором энергии
заряженной частицы в световую. Количество света, испускаемое сцинтиллятором, характеризуется световым выходом. Световой выход – это отношение энергии среднего числа фотонов люминесценции к энергии, потерянной ионизующей частицей в сцинтилляторе. Конверсионная эффективность зависит от типа и качества сцинтиллятора В идеальных сцинтилляторах конверсионная эффективность не зависит от плотности ионизации, т.е. от энергии заряженной частицы. В этом случае энергия световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе.
Спектр излучения – диапазон длин волн (Е), в котором наблюдается максимальное поглощение собственного излучения в сцинтилляторе.
Временем высвечивания сцинтиллятора называется величина τ – время, в течение которого интенсивность падает в e раз, которая характеризует длительность свечения [17].
Основные свойства сцинтилляторов определяются механизмом возбуждения и высвечивания. С этой точки зрения удобно разделить все известные сцинтиллирующие вещества на три группы: органические соединения (кристаллы и пластики), газы и неорганические кристаллы (CsI, ZnS, NaI и стекла).
В органических сцинтилляторах отдельные молекулы слабо взаимодействуют друг с другом, т.е. энергетические уровни отдельных молекул практически не возмущены присутствием соседних молекул. Поэтому можно считать, что характер взаимодействия заряженных частиц с веществом органического сцинтиллятора не зависит от его агрегатного состояния и сводится к ионизации и возбуждению отдельных молекул непосредственно заряженной частицей.
Газовые сцинтилляторы применяются главным образом для регистрации сильно ионизующих короткопробежных частиц (осколков деления тяжелых
ядер). В качестве газовых сцинтилляторов используются в основном чистые благородные газы (гелий, аргон, криптон, ксенон) и их смеси. Время высвечивания 10- 8 c и зависит от давления газа. Длины волн излучаемого света лежат в области далекого ультрафиолета. Поэтому световые вспышки, возникающие в газе при прохождении заряженной частицы, не могут быть непосредственно зарегистрированы при помощи обычных ФЭУ [18].
В решетке неорганического кристалла в результате взаимодействия атомов и ионов происходит возмущение энергетических уровней внешних электронов, что приводит к образованию ряда непрерывных “разрешенных” энергетических зон, разделенных “запрещенными” областями (рисунок 2.6). Внутренние электронные уровни атома практически не возмущены и сохраняют свое обычное расположение. В обычных условиях нижние энергетические зоны кристалла заняты полностью, а более высокие - целиком не заполнены. В этих энергетических зонах, распространяющихся на весь кристалл, электроны свободно перемещаются, не получая дополнительной энергии активации. Самая верхняя заполненная зона отделена от наиболее низкой свободной зоны энергетическим интервалом в несколько эВ. Электроны при возбуждении, т.е. при поглощении энергии, могут перейти из заполненной зоны в свободную. При этом в валентной зоне образуется электронная вакансия – “дырка”, которая ведет себя как частица с положительным зарядом. При обратном переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону (междузонная рекомбинация электрона и "дырки") возникает излучение с характерным для данного кристалла спектром
– собственное излучение. Как правило, вероятность междузонной рекомбинации мала.
Рисунок 2.6 – Схема энергетических зон в кристалле неорганического сцинтиллятора: а – центр люминесценции, б – центр локализации электронов
При различных изменениях в структуре кристалла, обусловленных различными дефектами и примесями, в запрещенной зоне могут возникать локальные энергетические уровни. Введение атомов активатора создает локальные уровни, лежащие вблизи валентной зоны. Если эти уровни не заняты, то на них могут попасть электроны, движущиеся в зоне проводимости. Если переход с этих уровней в валентную зону разрешен (такие центры называются люминесцентными), то возникает излучение, длина волны которого больше, чем в спектре поглощения. Таким образом, активатор приводит к сдвигу спектра излучения в сторону увеличения длин волн (т.е. сцинтиллятор становится более прозрачным для собственного излучения) и к увеличению интенсивности свечения.
Неорганические сцинтилляторы имеют преимущество перед органическими из-за более высокого светового выхода. Популярным сцинтиллятором галогенида щелочного металла является CsI (Тl) [19]. Его более высокие значения плотности и атомный номер Z делают его полезным для приложений, где требования к размеру или весу являются жесткими. Он также более прочный и лишь слегка гигроскопичный. Выход его света превышает выход NaI (T1). К недостаткам относятся более длинная длина волны излучения и более медленное время затухания. Высокая радиационная стойкость (до 102 Гр) позволяет использовать CsI (TI) в ядерной, средней и высокоэнергетической физике [20].
Второй важной составляющей сцинтилляционного детектора является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) (рисунок 2.5). Фотоэлектронный умножитель – это фотоэлемент с многократным усилением, основанным на явлении вторичной эмиссии. ФЭУ состоит из фотокатода, фокусирующего устройства, нескольких эмиттеров (динодов) и анода [21]. Все электроды фотоэлектронного умножителя помещены в баллон с высоким вакуумом. Световые кванты, падающие на фотокатод, вызывают фотоэффект. Возникшие при этом фотоэлектроны попадают в электрическое поле, ускоряются и фокусируются на первом эмиттере. При ударах электронов о первый эмиттер происходит вторичная эмиссия. Электроны, выбитые из первого эмиттера, ускоряются в следующем межэлектродном промежутке и, попадая на второй эмиттер, вызывают в свою очередь вторичную эмиссию со второго и т.д. Таким образом, число электронов от эмиттера к эмиттеру лавинообразно нарастает. Электроны с последнего эмиттера собираются на аноде фотоумножителя. Поскольку коэффициент вторичной эмиссии не зависит от числа падающих электронов, то ФЭУ представляет собой линейный прибор, т.е. заряд, приносимый лавиной на анод, пропорционален числу первичных фотоэлектронов, собираемых с фотокатода, и, следовательно, пропорционален интенсивности световой вспышки, попавшей на катод.
|
Скачать 352.38 Kb.