Сцинтилляционные счетчики

Неорганические сцинтилляторы.

Неорганические сцинтилляторы — кристаллы неорганических солей.

Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов.

Представим процесс возникновения сцинтилляции при помощи зонной теории твердого тела.

В невзаимодействующем с другими отдельном атоме, электроны находятся на вполне определенных дискретных энергетических уровнях. В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях, и их взаимодействие достаточно сильно. Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Валентная зона является самой внешней разрешенной зоной, заполненной электронами. Выше ее располагается свободная зона — зона проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, энергетическая ширина которой составляет несколько электронвольт.

В случае, если в кристалле имеются какие-либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, возможно появление энергетических электронных уровней, расположенных в запрещенной зоне. Электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости при внешнем воздействии, например при прохождении через кристалл быстрой заряженной частицы, тогда в валентной зоне останутся свободные места, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и называемые дырками. Мы описали процесс возбуждения кристалла.

Путем обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону, происходит рекомендация электронов и дырок, возбуждение снимается. Во многих кристаллах переход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанные центры обусловливаются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому световой выход для него много больше, чем для чистого, беспримесного кристалла.

Для увеличения светового выхода неорганических сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами. Так, например, в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий.

Сцинтиллятор, построенный на основе кристалла NaJ (Tl), обладает большим световым выходом и имеет значильтельные преимущества по сравнению с газонаполненными счетчиками: большую эффективность регистрации g-лучей (с большими кристаллами эффективность регистрации может достигать десятков процентов), малую длительность сцинтилляции (2,5 •10-7 сек) и линейную связь между амплитудой импульса и величиной энергии, потерянной заряженной частицей.

Световой выход сцинтиллятора зависит от удельных потерь энергии заряженной частицы .

Значительные нарушения кристаллической решетки сцинтиллятора, возможные при очень больших величинах, приводят к возникновению локальных центров тушения. Это может привести к относительному уменьшению светового выхода. Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что для тяжелых частиц выход нелинеен, а линейная зависимость начинает проявляться только с энергии в несколько миллионов электронвольт. На рис. 1 приведены кривые зависимости c от Е: кривая 1 для электронов, кривая 2для a частиц.

Кроме указанных щелочно-галоидных сцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4 и др.

Пластмассовые сцинтилляторы.

Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем прозрачном веществе (растворы антрацена или стильбена в полистироле, или плексигласе). Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов, поэтому, так как растворителя много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам сцинтиллятора. Раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора, так как концентрация сцинтиллятора мала.