Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
вначале растет линейно, затем этот рост замедляется и, наконец, удельный световыход падает. Такое поведение удельного световыхода можно объяснить рядом причин. Чем выше плотность ионизации, тем выше локальный нагрев кристалла вблизи трека частиц, а чем выше температура, тем больше вероятность нерадиационных переходов, т. е. меньше вероятность захвата носителей в центрах люминесценции. При увеличении плотности ионизации происходит насыщение центров люминесценции. Зависимости световыхода от энергии легких и тяжелых заряженных частиц для кристалла NaI (Tl) даны на рис. 7.4. Если для электронов с энергией выше 0,1 Мзв эта зависимость линейна, то для а-частиц она имеет более сложный характер.
Наиболее важные свойства некоторых неорганических кристаллов приведены в табл. 7.1. В ней дано время высвечивания т самой быстрой компоненты. Конверсионные эффективности, измеренные при облучении электронами, даны в относительных единицах (для кристалла NaI (Tl) принято Cef — 1; в скобках указано абсолютное значение). В последней колонке таблицы даны отношения све-товыходов при облучении а-частицами и электронами одинаковой энергии ( ~ 5 Мэв). Наибольшим световыходом обладают кристаллы сернистого цинка, но их не удается получить сколько-нибудь больших размеров. Обычно ZnS (Ag) — это мелкокристаллический порошок, и поэтому его прозрачность для испускаемого излучения мала. Поток фотонов люминесценции ослабляется приблизительно вдвое при прохождении слоя порошка толщиной около 40 мг/см2. Кристалл ZnS (Ag) имеет медленную компоненту сравнительно большой интенсивности со временем высвечивания 10~~5 сек.
Йодистый натрий, активированный таллием, является одним из лучших сцинтилляторов. Из всех известных сцинтилляторов, кроме ZnS (Ag), NaI (Tl) имеет самый высокий световыход. Кроме того,
Рис. 7.4. Зависимость световыхода кристалла NaI (Tl) от энергии электронов (/) и а-частиц (2)
214 Таблица 7.1 Некоторые свойства неорганических кристаллов
Кристалл Плотность, г / см3 Положение максимума в спектре люминесценции, А T, мксек иа/хЭ
NaI (Tl) 3,67 4100 0,25 1 (~6%) 0,5
CsI (Tl) 4,51 5600 0,7 0,3 0,5
KI(Tl) 3,13 4100 1,0 0,2 0,6
LiI (Eu) 4,06 -4400 1,2 0,7 ~1
ZnS (Ag) 4,09 4500 0,1-М0 1-^2 ~1
CaF2 3,18 2500 0,2 0,15 <1
монокристаллы NaI (Tl) выращивают больших размеров (диаметром до 200—300 мм и такой же высоты). Монокристаллы иодистого натрия обладают высокой прозрачностью для собственного излучения. Йодистый натрий гигроскопичен, поэтому всегда должен быть в упаковке, защищающей его от попадания влаги. Примесь медленных компонент у NaI (Tl) мала, но при низких температурах (около •— 100° С) их интенсивность становится большой.
Кристалл CsI (Tl) — весьма удобный для использования сцин-тиллятор. Он не гигроскопичен, легко выращивается в виде больших монокристаллов. Время высвечивания в кристаллах CsI (Tl) заметно зависит от плотности ионизации. Так, при облучении кристалла электронами т да 7 • 10~7 сек IdEidx да 1 кэв! (мгісм2)], а при облучении а-частицами IdEidx да 700 кэв! (мгісм2) 1 т да 4 х X Ю~7 сек. Такое различие в значениях т позволяет разделить люминесценцию, созданную частицами с различными dEidx. Кристаллы иодистого цезия и иодистого натрия содержат атомы с большим атомным номером, поэтому являются высокоэффективными детекторами у-излучения.
Кристаллы иодистого лития представляют большой интерес, так как они являются высокоэффективными детекторами медленных нейтронов [реакция 6Li (п, а) Т].
Кристаллы CaF2, несмотря на малый световыход [приблизительно в 6 раз меньший, чем для NaI (Tl)] и небольшой атомный номер, представляют большой интерес для регистрации у-квантов, сопровождаемых нейтронами. Это связано с тем, что сечения радиационного захвата нейтронов ядрами Ca и F малы в сравнении с сечениями взаимодействия у-квантов с электронами. В то же время упругое рассеяние нейтронов на ядрах Ca и F приводит к появлению ядер отдачи сравнительно малой энергии и с высокой удельной ионизацией.
При использовании счетчиков или спектрометров с кристаллами CaF2 необходимы преобразователи света (конверторы), так как спектр испускания CaF2 имеет максимум вблизи 2500 А, а максимум
215 чувствительности фотокатодов ФЭУ лежит в области 3000—4000 А. В качестве конверторов используют, например, кватерфенил, который в виде тонкой пленки наносят на поверхность кристалла, обращенную к фотоумножителю. Конверсионная эффективность ква-терфенила при возбуждении фотонами достигает 0,6—0,8. Спектр испускания кватерфенила совпадает с областью максимальной чувствительности фотокатодов.
Чистые (неактивированные) кристаллы галоидов щелочных металлов при температурах —200° С являются хорошими сцинтилля-торами. Так кристаллы NaI имеют тот же световыход, что и активированные кристаллы, но время их высвечивания почти в 10 раз меньше. Кристаллы CsI имеют световыход почти вдвое больший, чем активированные кристаллы.
7.2.2 Органические сцинтилляторы
Сцинтилляционный процесс в органических сцинтилляторах.
Многие органические соединения обладают свойством люминесценции. Среди них особое место занимает группа ароматических углеводородов. Органические сцинтилляторы изготовляют в виде монокристаллов (стильбен, антрацен, толан и др.), а также жидких и твердых растворов ароматических соединений в растворителях. В отличие от неорганических сцинтилляторов в органических сцинтилляторах высвечивание фотонов связано с электронными переходами в возбужденных молекулах, т. е. люминесценция — свойство определенных органических молекул и присуща им в различных агрегатных состояниях. Для органических сцинтилляторов характерно малое время высвечивания т (Ю-8—Ю-9 сек), приближающееся к времени жизни отдельной молекулы в возбужденном состоянии.
