Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
87
тает уже через 10~8 с, для органических веществ — через Й0_8 о. Таким образом, можно регистрировать большие активности и не опасаться, что вспышки от различных частиц наложатся друг на друга.
1.5. Современный сцинтилляционный счетчик
Проследим теперь последовательно, как энергия, оставленная частицей в сцинтилляторе, преобразуется в электрический сигнал. Для этого обратимся к рис. 17,
nbi
кристалл
Фотоумножитель
Фотокатод
АинодИ
а ' л
/ Yv,' *
t / \\ \\
1/???? / Динод 3
¦Сигнал
[Рис. 17. Современный сцинтииляцпониый счетчик.
ва котором изображена схема современного сцинтилля-ционного счетчика с кристаллом NaI. Пусть сто гамма-квантов, испущенных радиоактивным препаратом — це-Бием-137, попадают в этот кристалл, и пусть они летят рруг за другом узким параллельным пучком. Энергия каждого составляет h\ = 661 кэВ. Проследим за их судьбой. Каждый из квантов, как витязь на распутье, должен пойти по одному из трех путей: вызвать фотоэффект, испытать комптоновское рассеяние либо вылететь из кристалла, не провзаимодействовав. Только витязь выбирает свой путь, сообразуясь с желанием автора сказки, а вероятности процессов с гамма-квантами определяются ях энергией, материалом сцинтиллятора и его размерами. Если В8ять кристалл толщиной 6 = 5 см, то 9 квантов вызовут фотоэффект, 68 — рассеются, а 23 — пролетят сквозь кристалл, не оставив энергии. (Вообще, чем больше S4 тем меньше вероятность третьего процесса, а от-
68
ношение первых двух зависит только от hv и Z кристалла). При фотоэффекте практически вся энергия кванта перейдет электрону, пробег которого очень мал (<[ 1 мм). Таким образом, эта часть энергии сразу останется в сцин-тилляторе.
Квант, испытавший комптоновское рассеяние, потеряет, в среднем, 230 кэВ и после этого перед ним опять три возможности. Тоіько теперь его энергия меньше и вероятность фотоэффекта выше. И т. д., и т. п. Процессы, которые мы описывали, происходят за время, гораздо меньшее времени высвечивания возбужденных молекул сцинтиллятора.
Теперь посмотрим на экран амплитудного анализатора — прибора, который позволяет нам как бы увидеть распределение энергий световых импульсов, возникающих в кристалле. Электронный луч рисует картину, представленную на рис. 18. Пик справа соответствует
Arttyiwyda цнлуЛьсйЬ' (mtt?j) анализатора)
Рис. 18. Спектр энергии цезия-137 на экране амплитудного анализатора.
тому случаю, когда вся энергия гамма-кванта 6Gl кэВ осталась в кристалле. При этом световые импульсы близки по величине. Если же квант претерпел рассеяние и вылетел из кристалла, то импульсы света, рожденные компто-новскими электронами, будут иметь меньшую величину, Именно ими образован левый «хвост» спектра. Из этого ясно, как можно по пику полного поглощения прокалибровать энергетическую шкалу анализатора.
Вернемся к рпс. 17. Кристалл помещен в тонкий металлический кожух, через который свободно проникают гамма-кванты, но не проходит свет. С одной стороны ко-
89
жуха сделано стеклкпное окно. С других сторон между ним и кристаллом находится отражатель, чаще всего белый порошок окиси магния. Такая конструкция помогает собрать на фотоумножитель как можно больше света.
Фотоумножитель — чувствительный прибор. Его работа нарушается при высоких или очень низких температурах, в области больших магнитных полей. Он может разрушиться при больших давлениях и т. п. Поэтому иногда возникает необходимость удалить кристалл от
отражение
Рис. 19. Ход луча в светопроводе. Полное внутреннее отражепие (а-угол полного внутреннего отражения). При ? %¦ а свет не выходит за пределы светопровода).
ФЭУ. В этих случаях используются светопроводы, один из которых представлен на рис. 17 и 19. Это сплошной цилиндр из прозрачной пластмассы с полированными поверхностями. Его торцы оптическим клеем соединены один — со стеклом кристалла, второй — с входным окном ФЭУ. Светопровод использует эффект полного внутреннего отражения. Луч света, падающий на поверхность раздела пластик — воздух под углом, большим, чем а (а — угол полного внутреннего отражения), уже не может выйти за пределы светопровода и после нескольких отражений попадает на фотокатод ФЭУ. Как это происходит, можно понять из рис. 19.
Итак, свет собирается через светопровод на входное окно фотоумножителя. Последний чаще всего представляет собой откачанный до высокого вакуума и запаянный стеклянный цилиндр. С торца, противоположно входному окну, выведены контакты электродов.
Фотоумножитель в сцинтилляционном счетчике играет двоякую роль — он преобразует световой импульс в электрический и затем усиливает этот электрический импульс.
00
В соответствии с этим в нем используются два физических явления — фотоэффект и вторичная электронная эмиссия. Квант света, пройдя через стеклянное (иногда кварцевое) окошко ФЭУ, попадает на нанесенный с внутренней стороны полупрозрачный слой — фотокатод. Сейчас разработано множество типов фотокатода, чаще всего они изготовляются на основе соединений щелочных металлов с сурьмой. Такой слой особенно чувствителен к свету сцинтилляций, обладая малой работой выхода. Благодаря внешнему фотоэффекту, кванты выбивают электроны, которые разгоняются приложенным напряжением (и одновременно фокусируются) на промежутке до следующего электрода — 1-го динода. Поверхность динода покрыта слоем вещества, для которого велик коэффициент вторичной эмиссии о, т. е. число электронов, выбитых одним падающим электроном. Величина о зависит от энергии первичных электронов и при ускоряющем напряжении 100 В составляет —3. Выбитые электроны летят ко 2-му диноду, ускоряясь приложенным напряжением, и история повторяется. Если ФЭУ имеет 10 динодов, то на последний электрод — анод приходит в среднем з10 a 6-ю1 электронов, вызванных всего одним электроном, вылетевшим из фотокатода. На рис. 17 показан и способ подачи напряжения на электроды ФЭУ с помощью источника (и ^
