Сцинтилляционный счетчик является инструментом для обнаружения и измерения ионизирующего излучения с помощью эффекта возбуждения падающего излучения на сцинтиллирующего материала, и обнаружение результирующие световых импульсов.
Он состоит из сцинтиллятора, который генерирует фотоны в ответ на падающее излучение, чувствительного фотодетектора (обычно фотоумножителя (ФЭУ), камеры с зарядовой связью (ПЗС) или фотодиода ), который преобразует свет в электрический сигнал и электроника для обработки этого сигнала.
Сцинтилляционные счетчики широко используются в радиационной защите, анализе радиоактивных материалов и физических исследованиях, потому что их можно сделать недорого, но с хорошей квантовой эффективностью , и они могут измерять как интенсивность, так и энергию падающего излучения.
История [ править ]
Современный электронный сцинтилляционный счетчик был изобретен в 1944 году сэром Сэмюэлем Карраном [1] [2], когда он работал над Манхэттенским проектом в Калифорнийском университете в Беркли . Требовалось измерить излучение небольших количеств урана, и его нововведением было использование одной из недавно появившихся высокочувствительных фотоумножительных трубок, изготовленных Radio Corporation of America, для точного подсчета вспышек света от сцинтиллятора, подвергшегося воздействию излучения. Это основано на работе более ранних исследователей, таких как Антуан Анри Беккерель , который обнаружил радиоактивность , работая надфосфоресценция солей урана в 1896 году. Раньше сцинтилляционные события приходилось с трудом обнаруживать глазом с помощью спинтарископа, который представлял собой простой микроскоп для наблюдения световых вспышек в сцинтилляторе.
Операция [ править ]
Когда ионизирующая частица проходит в материал сцинтиллятора, атомы возбуждаются вдоль дорожки. Для заряженных частиц трек - это путь самой частицы. Для гамма-лучей (незаряженных) их энергия преобразуется в энергичный электрон посредством фотоэлектрического эффекта , комптоновского рассеяния или образования пар .
Химический процесс девозбуждения атомов в сцинтилляторе производит множество фотонов с низкой энергией, обычно около синего конца видимого спектра. Количество пропорционально энергии, выделяемой ионизирующей частицей. Они могут быть направлены на фотокатод фотоэлектронного умножителя, который излучает не более одного электрона на каждый приходящий фотон за счет фотоэлектрического эффекта.. Эта группа первичных электронов электростатически ускоряется и фокусируется электрическим потенциалом, так что они ударяются о первый динод трубки. Воздействие одного электрона на динод высвобождает ряд вторичных электронов, которые, в свою очередь, ускоряются, чтобы ударить по второму диноду. Каждое последующее воздействие динода высвобождает дополнительные электроны, поэтому на каждой стадии динода возникает эффект усиления тока. Каждая ступень имеет более высокий потенциал, чем предыдущая, чтобы обеспечить ускоряющее поле.
Результирующий выходной сигнал на аноде представляет собой измеряемый импульс для каждой группы фотонов от исходного ионизирующего события в сцинтилляторе, который достиг фотокатода и несет информацию об энергии исходного падающего излучения. Когда он подается на усилитель заряда, который интегрирует информацию об энергии, получается выходной импульс, который пропорционален энергии частицы, возбуждающей сцинтиллятор.
Количество таких импульсов в единицу времени также дает информацию об интенсивности излучения. В некоторых приложениях отдельные импульсы не подсчитываются, а в качестве меры интенсивности излучения используется только средний ток на аноде.
Сцинтиллятор должен быть защищен от всего окружающего света, чтобы внешние фотоны не заглушали события ионизации, вызванные падающим излучением. Для этого часто используется тонкая непрозрачная фольга, такая как алюминизированный майлар, хотя она должна иметь достаточно низкую массу, чтобы минимизировать чрезмерное ослабление измеряемого падающего излучения.
Статья о фотоэлектронном умножителе содержит подробное описание работы лампы.
Материалы обнаружения [ править ]
Сцинтиллятор состоит из прозрачного кристалла , обычно люминофора, пластика (обычно содержащего антрацен ) или органической жидкости (см. Жидкостный сцинтилляционный счет ), которая флуоресцирует при воздействии ионизирующего излучения .
Йодид цезия (CsI) в кристаллической форме используется в качестве сцинтиллятора для обнаружения протонов и альфа-частиц. Йодид натрия (NaI), содержащий небольшое количество таллия , используется в качестве сцинтиллятора для обнаружения гамма-волн, а сульфид цинка (ZnS) широко используется в качестве детектора альфа-частиц. Сульфид цинка - это материал, который Резерфорд использовал для проведения своего эксперимента по рассеянию. Иодид лития (LiI) используется в детекторах нейтронов.
Эффективность детектора [ править ]
Гамма [ править ]
Квантовый выход гамма- детектора (на единицу объема) зависит от плотности от электронов в детекторе, и некоторых сцинтилляционных материалов, таких как иодид натрия и германате висмута , достигают высокой концентрации электронов в результате высоких атомных номеров из некоторые элементы, из которых они состоят. Однако детекторы на основе полупроводников , особенно сверхчистого германия , имеют лучшее собственное энергетическое разрешение, чем сцинтилляторы, и предпочтительны там, где это возможно, для спектрометрии гамма-излучения .
Нейтрон [ править ]
В случае нейтронных детекторов высокая эффективность достигается за счет использования сцинтилляционных материалов, богатых водородом, которые эффективно рассеивают нейтроны. Жидкие сцинтилляционные счетчики - эффективное и практичное средство количественной оценки бета-излучения .
Приложения [ править ]
Люминесцентные счетчики используются для измерения излучения в различных областях , включая ручные метр радиационного обследования , персонал и мониторинг окружающей среды для радиоактивного загрязнения , медицинской визуализации, радиометрического анализа, ядерной безопасности и безопасности АЭС.
На рынке появилось несколько продуктов, в которых используются сцинтилляционные счетчики для обнаружения потенциально опасных гамма-излучающих материалов во время транспортировки. К ним относятся сцинтилляционные счетчики, разработанные для грузовых терминалов, пограничной службы, портов, весовых мостов, складов металлолома и мониторинга загрязнения ядерных отходов. Существуют варианты сцинтилляционных счетчиков, устанавливаемых на пикапы и вертолеты для быстрого реагирования в случае возникновения ситуации с безопасностью из-за грязных бомб или радиоактивных отходов . [3] [4] Также широко используются переносные устройства. [5]
Руководство по использованию приложения [ править ]
В Соединенном Королевстве Управление здравоохранения и безопасности , или HSE, выпустило инструкцию для пользователя по выбору правильного прибора для измерения радиации для соответствующего приложения. [1] Он охватывает все технологии радиационных приборов и является полезным сравнительным руководством по использованию сцинтилляционных детекторов.
Радиационная защита [ править ]
Альфа- и бета-загрязнение [ править ]
Мониторы радиоактивного загрязнения для зональных или индивидуальных обследований требуют большой зоны обнаружения для обеспечения эффективного и быстрого охвата контролируемых поверхностей. Для этого идеально подходит тонкий сцинтиллятор с окном большой площади и встроенным фотоумножителем. Они находят широкое применение в области контроля радиоактивного загрязнения персонала и окружающей среды. Детекторы могут иметь один или два сцинтилляционных материала, в зависимости от области применения. Детекторы с одним люминофором используются для альфа- или бета-излучения, а детекторы с двойным люминофором используются для обнаружения обоих. [6]
Сцинтиллятор, такой как сульфид цинка, используется для обнаружения альфа-частиц, в то время как пластиковые сцинтилляторы используются для обнаружения бета-излучения. Результирующая энергия сцинтилляции может быть разделена, так что альфа- и бета-счетчики могут быть измерены отдельно с помощью одного и того же детектора [6]. Этот метод используется как в переносном, так и в стационарном контрольном оборудовании, и такие инструменты относительно недороги по сравнению с газовым пропорциональным оборудованием. детектор.
Гамма [ править ]
Сцинтилляционные материалы используются для измерения амбиентной дозы гамма-излучения, хотя для обнаружения загрязнения используется другая конструкция, так как не требуется тонкого окна.
Как спектрометр [ править ]
Сцинтилляторы часто преобразуют одиночный фотон излучения высокой энергии в большое количество фотонов меньшей энергии, где количество фотонов на мегаэлектронвольт входной энергии довольно постоянно. Таким образом, измеряя интенсивность вспышки (количество фотонов, произведенных рентгеновским или гамма-фотоном), можно определить исходную энергию фотона.
Спектрометр состоит из подходящего сцинтилляционного кристалла, фотоэлектронного умножителя и схемы для измерения высоты импульсов, создаваемых фотоумножителем. Импульсы подсчитываются и сортируются по их высоте, создавая график зависимости яркости сцинтилляционной вспышки от числа вспышек, который приблизительно соответствует энергетическому спектру падающего излучения с некоторыми дополнительными артефактами. Монохроматическое гамма-излучение на своей энергии дает фотопик. Детектор также показывает отклик при более низких энергиях, вызванный комптоновским рассеянием , два меньших пика ухода при энергиях 0,511 и 1,022 МэВ ниже фотопика для создания электрон-позитронных пар, когда один или оба аннигиляционных фотона уходят, ипик обратного рассеяния . Более высокие энергии могут быть измерены, когда два или более фотонов попадают в детектор почти одновременно ( скопление , в пределах временного разрешения цепочки сбора данных ), проявляясь в виде суммарных пиков с энергиями до значения двух или более добавленных фотопиков [6]
См. Также [ править ]
- Гамма-спектроскопия
- счетчик Гейгера
- Жидкостный сцинтилляционный счет
- Ячейка Лукаса
- Эффект пандемониума
- Подсчет фотонов
- Сцинтиграфия
- Спектроскопия полного поглощения
Ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме сцинтилляционного счетчика . |
- Перейти ↑ Curran, Samuel C. (1949). Счетные трубки, теория и приложения . Academic Press (Нью-Йорк). п. 235.
- ^ Оксфордский словарь национальной биографии
- ^ "Автоматическая система обнаружения и мониторинга радиации" . Архивировано из оригинала на 2014-08-14.[ неудачная проверка ]
- ^ "Автоматические средства обнаружения радиации" . Архивировано из оригинала на 2014-08-14.[ неудачная проверка ]
- ^ Портативные измерители мкР обследования Архивировано 2009-12-07 в Wayback Machine
- ^ a b c Гленн Ф. Нолл. Обнаружение и измерение радиации, третье издание, 2000 г. Джон Вили и сыновья, ISBN 0-471-07338-5
