Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Зависимость удельного световыхода (число фотонов люминесценции, испускаемых с единицы длины пути заряженной частицы) Ze в функции удельных потерь энергии dEidx хорошо описывается формулой Биркса, которая получена в предположении, что число центров тушения (поврежденные молекулы, ионизованные молекулы) пропорционально удельным потерям энергии.
Пусть при прохождении заряженной частицы на единице ее пробега возникает A dEidx возбуждений (экситонов) и образуются центры тушения с концентрацией В dEidx. Пусть концентрация центров люминесценции ял. Если сечение захвата экситона центром люминесценции равно ал, а сечение захвата центром тушения ат, то
Xe= ^L =-°*пл ^ Л ^ = Л f / ( 1 + kB ^ ), (7.4)
dx dE dx dx / \ dx I
CTr1 /Ix1 -f crT B —
dx
где k = CT1Zoyi.,. 218 Полученное соотношение позволяет вычислить и полный световыход:
51 51
V.= (" v.Pdx = Г л—dE'dx dx. (7.5)
1 +kB dE/dx v
,€,10
Е,Мэ6
Рис. 7.6. Зависимость световы-хода кристалла антрацена от энергии электронов (/), протонов (2) и а-частиц (3)
Из (7.4) следует, что при малых удельных потерях энергии (быстрые электроны) удельный световыход пропорционален dE/dx и, следовательно, световыход линейно связан с энергией частицы. Если же dE/dx очень велико, так что (dE/dx) kB 1, то Xe не зависит от энергии, а световыход пропорционален пробегу частицы.
В органических сцинтилляторах были обнаружены медленные компоненты высвечивания,среднее время высвечивания которых может отличаться от быстрых в 100 раз. Наиболее интересно то, что соотношение между интенсивностями быстрой и медленной компонент зависит от плотности ионизации. Это позволяет с помощью различных схем выделять импульсы, созданные электронами на фоне импульсов, созданных тяжелыми заряженными частицами.
Появление медленных компонент связывают с ионизованными молекулами (фотоны при этом образуются в результате рекомбинации, а время жизни относительно рекомбинации больше чем IO-8 сек) и возбужденными состояниями с большими временами жизни относительно радиационных переходов (например, большое отличие в спинах основного и сильновозбужденного состояний). Относительное количество ионизованных молекул и молекул в высших возбужденных состояниях тем больше, чем выше плотность ионизации, поэтому отношение интенсивностей медленной и быстрой компонент зависит от плотности ионизации.
Органические кристаллы. Известно большое число органических кристаллов, свойства некоторых из них приведены в табл. 7.2. Несколько подробнее опишем характеристики кристаллов стильбена и антрацена, которые получили широкое применение.
Антрацен имеет наибольшую конверсионную эффективность среди органических сцинтилляторов (примерно 0,04). При уменьшении температуры антрацена Cef растет и достигает 6% при—70° С. Антрацен ¦— очень непрочный кристалл и при резких изменениях температур трескается. Световой выход в антрацене линейно зависит от энергии электронов, а для тяжелых заряженных частиц линейность нарушается, что можно видеть из рис. 7.6.
219 T а б л и її а 7.2
Свойства некоторых органических сцинтилляторов
Сцшп ил 1 яторы ь о P о. 3-і Положение максимума в спектре люминесценции, А Cef тб, НСЄК ТМ , HC CK Za/X? Cofi4
Кристаллические:
Антрацен (Ci4Hi0) 1,25 4450 1 (~4%) 30 400 0,1 1,0
Стильбен (Ci4H12) 1,16 4100 0,4-г-0,7 6 400 0,1 3,3
Нафталин (CioH8) 1,15 3450 0,2 70 — 0,1 0,1
Жидкие:
р-Терфенил в кси- — 4000 0,5 2 — 0,1 7,5
лоле
2,5-Дифенилоксазол — 3800 0,32 3 — 0,1 3,2
в толуоле
Пластические:
Тетрафенилбутади- ~1 4500 0,38 5 — 0,09 2,8
ен в полистироле
р-Терфенил в поли- ~1 3800 0,48 3 — 0,1 6,0
винилтолуоле
Стильбен обладает очень малым временем высвечивания быстрой компоненты (т « 6 • IO-8 сек) и сравнительно высокой конверсионной эффективностью (Cef = 0,02). Кристаллы стильбена выращивают больших размеров. Стильбен широко применяется для исследования энергетических распределений нейтронов по протонам отдачи при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода и с успехом может применяться для исследования непрерывных спектров у-излучения. Стильбен стал широко использоваться после того, как были разработаны специальные методы разделения импульсов от электронов и протонов отдачи, основанных на различных соотношениях интенсивностей быстрой и медленной компонент. Соотношение !інтенсивностей медленной Ju и быстрой J6 компонент для стильбена заметно меняется при изменении плотности ионизации. При возбуждении электронами JnU6 « 0,18, а при возбуждении а-части-цами это отношение равно 0,5.
Жидкие сцинтилляторы. Жидкие сцинтилляторы имеют ряд неоспоримых преимуществ перед органическими, хотя уступают им по световыходу. Во-первых, жидкие сцинтилляторы могут использоваться в больших объемах, так как их сравнительно легко приготовить и к тому же их стоимость сравнительно невелика. В некоторых исследованиях использовались жидкие сцинтилляторы объемом в десятки тысяч литров. Во-вторых, в жидких сцинтилляторах можно растворять вещества, содержащие стабильные и радиоактивные нуклиды. Введение соединений, содержащих бор или кадмий, делает жидкие сцинтилляторы высокоэффективными детекторами для регистрации нейтронов. В органических сцинтилляторах больших объе-
