Detektory scyntylacyjne to jeden z rodzajów urządzeń pomiarowych przeznaczonych do wykrywania cząstek elementarnych. Ich cechą jest to, że czytanie odbywa się za pomocą systemów światłoczułych. Po raz pierwszy instrumenty te zostały użyte w 1944 roku do pomiaru promieniowania uranu. Istnieje kilka typów detektorów w zależności od rodzaju czynnika roboczego.
Miejsce docelowe
Detektory scyntylacyjne są szeroko stosowane do następujących celów:
- rejestracja zanieczyszczenia radiacyjnego środowiska;
- analiza materiałów promieniotwórczych i inne badania fizyczne i chemiczne;
- użyj jako elementu do uruchomienia bardziej złożonych systemów detektorów;
- badanie spektrometryczne substancji;
- element sygnalizacyjny w systemach ochrony przed promieniowaniem (na przykład sprzęt dozymetryczny przeznaczony do powiadamiania o wejściu statku do strefy skażenia radioaktywnego).
Liczniki mogą generować zarówno rejestrację jakościpromieniowanie i zmierzyć jego energię.
Rozmieszczenie detektorów
Podstawową budowę detektora promieniowania scyntylacyjnego przedstawiono na poniższym rysunku.
Główne elementy wyposażenia to:
- fotopowielacz;
- scyntylator przeznaczony do konwersji wzbudzenia sieci krystalicznej na światło widzialne i przesłania go do konwertera optycznego;
- kontakt optyczny między pierwszymi dwoma urządzeniami;
- stabilizator napięcia;
- elektroniczny system rejestracji impulsów elektrycznych.
Typy
Istnieje następująca klasyfikacja głównych typów detektorów scyntylacyjnych w zależności od rodzaju substancji, która fluoryzuje pod wpływem promieniowania:
- Mierniki nieorganicznych halogenków alkalicznych. Służą do rejestracji promieniowania alfa, beta, gamma i neutronowego. W przemyśle wytwarza się kilka rodzajów monokryształów: jodek sodu, cez, potas i lit, siarczek cynku, wolframiany metali ziem alkalicznych. Są aktywowane specjalnymi zanieczyszczeniami.
- Organiczne monokryształy i przezroczyste roztwory. Pierwsza grupa to: antracen, tolan, trans-stilben, naftalen i inne związki, druga grupa to terfenyl, mieszaniny antracenu z naftalenem, roztwory stałe w tworzywach sztucznych. Służą do pomiaru czasu i wykrywania neutronów prędkich. Dodatki aktywujące w scyntylatorach organicznych nie sąwnosić wkład.
- Środek gazowy (He, Ar, Kr, Xe). Takie detektory są wykorzystywane głównie do wykrywania fragmentów rozszczepienia ciężkich jąder. Długość fali promieniowania jest w zakresie ultrafioletowym, dlatego wymagają odpowiednich fotodiod.
Dla scyntylacyjnych detektorów neutronowych o energii kinetycznej do 100 keV stosuje się kryształy siarczku cynku aktywowane izotopem boru o liczbie masowej 10 i 6Li. Podczas rejestracji cząstek alfa siarczek cynku jest nakładany cienką warstwą na przezroczyste podłoże.
Wśród związków organicznych najczęściej stosowane są tworzywa sztuczne scyntylacyjne. Są to roztwory substancji luminescencyjnych w wysokocząsteczkowych tworzywach sztucznych. Najczęściej tworzywa scyntylacyjne produkowane są na bazie polistyrenu. Cienkie płytki służą do rejestracji promieniowania alfa i beta, a grube płytki do promieniowania gamma i rentgenowskiego. Produkowane są w postaci przezroczystych polerowanych cylindrów. W porównaniu z innymi typami scyntylatorów, plastikowe scyntylatory mają kilka zalet:
- krótki czas flashowania;
- odporność na uszkodzenia mechaniczne, wilgoć;
- stałość właściwości przy wysokich dawkach promieniowania;
- niski koszt;
- łatwe do wykonania;
- wysoka wydajność rejestracji.
Fotopowielacze
Głównym elementem funkcjonalnym tego sprzętu jest fotopowielacz. Jest to system zamontowanych elektrodw szklanej probówce. W celu ochrony przed zewnętrznymi polami magnetycznymi umieszczony jest w metalowej obudowie wykonanej z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej. Chroni to zakłócenia elektromagnetyczne.
W fotopowielaczu błysk światła jest zamieniany na impuls elektryczny, a prąd elektryczny jest również wzmacniany w wyniku wtórnej emisji elektronów. Ilość prądu zależy od liczby dynod. Ogniskowanie elektronów następuje dzięki polu elektrostatycznemu, które zależy od kształtu elektrod i potencjału między nimi. Wybite naładowane cząstki są przyspieszane w przestrzeni międzyelektrodowej i padając na następną dynodę, powodują kolejną emisję. Z tego powodu liczba elektronów wzrasta kilkukrotnie.
Detektor scyntylacyjny: jak to działa
Liczniki działają tak:
- Naładowana cząsteczka wchodzi do substancji roboczej scyntylatora.
- Następuje jonizacja i wzbudzenie cząsteczek kryształu, roztworu lub gazu.
- Cząsteczki emitują fotony i po milionowych częściach sekundy wracają do równowagi.
- W fotopowielaczu błysk światła jest „wzmacniany” i uderza w anodę.
- Obwód anodowy wzmacnia i mierzy prąd elektryczny.
Zasada działania detektora scyntylacyjnego opiera się na zjawisku luminescencji. Główną cechą tych urządzeń jest wydajność konwersji – stosunek energii błysku światła do energii traconej przez cząstkę w substancji czynnej scyntylatora.
Wady i zalety
Zalety detektorów promieniowania scyntylacyjnego obejmują:
- wysoka skuteczność wykrywania, szczególnie w przypadku krótkofalowych promieni gamma o wysokiej energii;
- dobra rozdzielczość czasowa, czyli możliwość nadawania osobnego obrazu dwóm obiektom (osiąga 10-10 s);
- jednoczesny pomiar energii wykrytych cząstek;
- możliwość wykonania lad o różnych kształtach, prostota rozwiązania technicznego.
Wadą tych liczników jest niska czułość na cząstki o niskiej energii. Gdy są używane jako część spektrometrów, przetwarzanie uzyskanych danych staje się znacznie bardziej skomplikowane, ponieważ widmo ma złożoną formę.
