Scintilacijski detektor: princip rada

Scintilacijski detektori jedna su od vrsta mjerne opreme dizajnirane za snimanje elementarnih čestica. Njihova je značajka da se očitavanje događa korištenjem fotoosjetljivih sustava. Ti su uređaji prvi put korišteni 1944. godine. za mjerenje zračenja urana. Postoji nekoliko vrsta detektora, ovisno o vrsti radnog sredstva.

Svrha

Scintilacijski detektori široko se koriste u sljedeće svrhe:

• snimanje onečišćenja zračenjem okoliš;
• analiza radioaktivnih materijala i druge fizikalno-kemijske studije;
• primjena kao element za pokretanje složenijih detektorskih sustava;
• spektrometrijska studija tvari;
• Signalna komponenta u sustavima zaštite od zračenja (na primjer, dozimetrijska oprema dizajnirana za obavještavanje o ulasku morskog broda u zonu radioaktivne kontaminacije).

Brojila mogu proizvesti i visokokvalitetnu registraciju zračenja i izmjeriti veličinu njegove energije.

Uređaj detektora

Glavni uređaj scintilacijskog detektora zračenja prikazan je na donjoj slici.

Glavni elementi opreme su sljedeći:

• fotomultiplikator;
• scintilator dizajniran za prevođenje pobude kristalne rešetke u vidljivu svjetlost i prijenos na optički pretvarač;
• optički kontakt između prva dva uređaja;
• stabilizator napona;
• elektronički sustav za bilježenje električnih impulsa.

Vrste

Postoji sljedeća klasifikacija glavne vrste scintilacijski detektori prema vrsti tvari koja fluorescira pod utjecajem zračenja:

• Anorganski alkalno-halogenidni brojači. Primjenjuju se za snimanje alfa, beta, gama i neutronskih emisija. U industriji se proizvodi nekoliko vrsta monokristala: natrijev jodid, cezij, kalij i litij, cink sulfid, volframati zemnoalkalijskih metala. Aktiviraju se posebnim nečistoćama.
• Organski monokristali i bistre otopine. Prva skupina uključuje: antracen, Tolan, trans-stilben, naftalen i druge spojeve, druga-terfenil, mješavine antracena s naftalenom, čvrste otopine u plastici. Koriste se za Vremenska mjerenja i za snimanje brzih neutrona. Aktivirajući aditivi u organskim scintilatorima ne doprinose.
• Plinsko okruženje (Ace, Ace, Ace, Ace). Takvi se detektori koriste u uglavnom za registracija fragmenata fisije teških jezgri. Valna duljina emisije je u ultraljubičastom spektru, pa zahtijevaju odgovarajuće fotodiode.

Za scintilacijske detektore neutrona s kinetičkom energijom do 100 kev koriste se kristali cinkovog sumpora aktivirani izotopom bora s masenim brojem 10 i ⁶Li. Pri registraciji alfa čestica, sumporni cink se nanosi u tankom sloju na prozirnu podlogu.

Među organskim spojevima najrasprostranjenija je scintilacijska plastika. Oni su otopine luminescentnih tvari u plastici velike molekulske mase. Najčešće se scintilacijska plastika izrađuje na osnovi polistirena. Za registraciju alfa i beta zračenja koriste se tanke ploče, a za gama i rendgenske zrake koriste se debele ploče. Dolaze u obliku prozirnih poliranih cilindara. U usporedbi s drugim vrstama scintilatora, plastični imaju nekoliko prednosti:

• kratko vrijeme osvjetljenja;
• otpornost na mehanička oštećenja, vlagu;
• postojanost karakteristika kod velikih doze zračenja zračenja;
• niska cijena;
• jednostavnost izrade;
• visoka učinkovitost registracije.

Fotomultiplikatori

Glavna funkcionalna komponenta ove opreme je fotomultiplikator. To je sustav elektroda montiranih u staklenu cijev. Da bi se zaštitio od vanjskih magnetskih polja, postavlja se u metalno kućište izrađeno od materijala visoke magnetske propusnosti. Zbog toga dolazi do zaštite elektromagnetskih smetnji.

U fotomultiplikatoru se svjetlosni bljesak pretvara u električni impuls, a također dolazi do povećanja električne struje kao rezultat sekundarne emisije elektrona. Količina struje ovisi o broju dinoda. Fokusiranje elektrona događa se zbog elektrostatičkog polja, ovisno o obliku elektroda i potencijalu između njih. Nokautirani nabijene čestice ubrzavaju se u međuelektrodnom prostoru i, padajući na sljedeću dinodu, uzrokuju sljedeću emisiju. Zbog toga se broj elektrona povećava nekoliko puta.

Scintilacijski detektor: princip rada

Brojači rade na sljedeći način:

1. Nabijena čestica ulazi u radnu tvar scintilatora.
2. Dolazi do ionizacije i pobude molekula kristala, otopine ili plina.
3. Molekule emitiraju fotone i vraćaju se u ravnotežno stanje nakon milijunti dio sekunde.
4. U fotomultiplikatoru se bljesak svjetlosti "nakuplja" i udara u anodu.
5. U anodnom krugu dolazi do pojačanja i mjerenja električne struje.

U srcu načela rada scintilacijski detektor leži fenomen luminiscencije. Glavna karakteristika ovih uređaja je učinkovitost pretvorbe – omjer energije bljeska svjetlosti i energije izgubljene česticom u aktivnoj tvari scintilatora.

Prednosti i nedostaci

Prednosti scintilacijskih detektora zračenja uključuju sljedeće:

• visoka učinkovitost snimanja, posebno s obzirom na gama zrake kratke valne duljine s velikom energijom;
• dobra Vremenska razlučivost, odnosno mogućnost davanja odvojene slike dva objekta (doseže 10^-10 C);
• istodobno mjerenje energije čestica koje se bilježe;
• mogućnost proizvodnje brojila različitih oblika, jednostavnost tehničkog rješenja.

Nedostaci ovih brojila su niska osjetljivost na čestice niske energije. Kada se koriste kao dio spektrometara, obrada dobivenih podataka uvelike je komplicirana, jer spektar ima složen oblik.