Detektor scyntylacyjny: zasada działania

Detektory scyntylacyjne to rodzaj przyrządów pomiarowych, przeznaczonych do rejestracji cząstek elementarnych. To, co czyni je tak wyjątkowymi, to fakt, że polegają na systemach wrażliwych na światło, aby odczytać. Instrumenty te zostały po raz pierwszy użyte w 1944 r. do pomiaru promieniowania uranu. Istnieje kilka rodzajów detektorów, w zależności od rodzaju użytego środka.

Przeznaczenie

Detektory scyntylacyjne są szeroko stosowane do następujących celów:

• Wykrywanie skażeń promieniowaniem środowisko;
• Analiza materiałów radioaktywnych i inne badania fizykochemiczne;
• Stosować jako element napędzający bardziej złożone układy detektorów;
• Analiza spektrometryczna substancji
• element sygnalizacyjny w systemach ochrony przed promieniowaniem (np. urządzenia dozymetryczne przeznaczone do ostrzegania o wpłynięciu statku na obszar skażony radioaktywnie).

Liczniki mogą zarówno jakościowo rejestrować promieniowanie, jak i mierzyć jego energię.

Konstrukcja czujki

Schemat ideowy detektora promieniowania scyntylacyjnego przedstawiono na rysunku poniżej.

Podstawowe elementy aparatu są następujące:

• lampa fotopowielacza;
• Scyntylator zaprojektowany do tłumaczenia wzbudzenia sieci krystalicznej na światło widzialne i przekazywania go do przetwornika optycznego;
• Kontakt optyczny pomiędzy dwoma pierwszymi urządzeniami;
• regulator napięcia;
• Elektroniczny układ do rejestracji impulsów elektrycznych.

Rodzaje

Istnieją następujące klasyfikacje typy podstawowe Detektory scyntylacyjne według rodzaju substancji, która fluoryzuje pod wpływem promieniowania

• Nieorganiczne halogenki alkaliczne. Są one wykorzystywane Do wykrywania promieniowania alfa, beta, gamma i neutronów. Przemysłowo produkuje się kilka rodzajów monokryształów: jodek sodu, cezu, potasu i litu, siarczan cynku, wolframian metali ziem alkalicznych. Są one aktywowane przez specjalne zanieczyszczenia.
• Monokryształy organiczne i roztwory przezroczyste. Do pierwszej grupy należą antracen, tolan, trans-stilben, naftalen i inne związki, do drugiej grupy - terfenyl, mieszaniny antracenu z naftalenem oraz roztwory stałe w tworzywach sztucznych. Są one wykorzystywane do pomiarów czasu oraz do rejestracji neutronów prędkich. Brak czynników aktywujących w scyntylatorach organicznych.
• Czynnik gazowy (He, Ar, Kr, Xe). Takie detektory są stosowane w głównie dla Wykrywanie fragmentów rozszczepienia ciężkich jąder. Długość fali emisji jest w widmie ultrafioletowym, dlatego wymaga odpowiednich fotodiod.

Do scyntylacyjnych detektorów neutronów o energii kinetycznej do 100 keV stosuje się kryształy siarczku cynku aktywowane izotopem boru o liczbie masowej 10 i ⁶Li. Do wykrywania cząstek alfa, siarczek cynku jest nakładany jako cienka warstwa na przezroczyste podłoże.

Wśród związków organicznych najczęściej spotykane są tworzywa scyntylacyjne. Są to roztwory materiału luminescencyjnego w tworzywach sztucznych o dużej masie cząsteczkowej. Najczęściej stosowanymi tworzywami scyntylacyjnymi są tworzywa na bazie polistyrenu. Cienkie płytki służą do rejestracji promieniowania alfa i beta, a grube do gamma i promieniowania rentgenowskiego. Są one dostępne jako przezroczyste, polerowane cylindry. Scyntylatory plastikowe mają szereg zalet w stosunku do innych typów scyntylatorów:

• krótki czas luminescencji;
• Odporność na uszkodzenia mechaniczne, odporność na wilgoć;
• spójność działania w długich okresach czasu; - stabilne działanie w długich okresach czasu; - stabilne działanie w długich okresach czasu dawki napromieniowania promieniowanie
• niski koszt;
• łatwość wykonania;
• wysoka skuteczność wykrywania.

Fotopowielacze

Głównym elementem funkcjonalnym tego urządzenia jest lampa fotopowielacza. Jest to układ elektrod zamontowanych w szklanej rurce. Dla ochrony przed zewnętrznymi polami magnetycznymi jest zamknięty w metalowej obudowie wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej. Ekranowanie zakłóceń elektromagnetycznych.

W fotopowielaczu błysk światła jest przekształcany w impuls elektryczny, a prąd elektryczny jest wzmacniany przez wtórną emisję elektronów. Wielkość prądu zależy od liczby dynodów. Elektrony są skupiane przez pole elektrostatyczne, które zależy od kształtu elektrod i potencjału między nimi. Znokautowany naładowane cząstki są przyspieszane w przestrzeni między elektrodami i docierają do kolejnej dynody, wyzwalając kolejną emisję. Dzięki temu liczba elektronów wzrasta kilkakrotnie.

Detektor scyntylacyjny: Zasada działania

Detektory scyntylacyjne działają na następującej zasadzie:

1. Naładowana cząstka wchodzi do substancji roboczej scyntylatora.
2. Jonizacja i wzbudzanie cząsteczek kryształu, roztworu lub gazu.
3. Cząsteczki emitują fotony i po kilku milionowych częściach sekundy wracają do stanu równowagi.
4. W rurze fotopowielacza błysk światła "gromadzi się" i uderza w anodę.
5. Obwód anodowy wzmacnia i mierzy prąd elektryczny.

Podstawa zasada działania Detektor scyntylacyjny oparty jest na zjawisku luminescencji. Główną cechą tych urządzeń jest sprawność konwersji, czyli stosunek energii wybuchu światła do energii traconej przez cząsteczkę w substancji czynnej scyntylatora.

Zalety i wady

Do zalet scyntylacyjnych detektorów promieniowania należą:

• wysoka skuteczność detekcji, zwłaszcza dla wysokoenergetycznego krótkofalowego promieniowania gamma;
• Dobra rozdzielczość czasowa, czyli możliwość obrazowania dwóch obiektów osobno (do 10 dB)^-10 с);
• jednoczesny pomiar energii wykrytych cząstek
• możliwość produkcji lad w różnych kształtach, proste rozwiązanie techniczne.

Wadą tych detektorów jest niska czułość dla cząstek o niskich energiach. Gdy są one stosowane w spektrometrach, przetwarzanie uzyskanych danych staje się znacznie bardziej skomplikowane, gdyż widmo ma złożoną postać.