Scintilační detektor: princip činnosti

Scintilační detektory jsou jedním z typů měřicích přístrojů určených k zaznamenávání elementárních částic. Jejich zvláštností je, že čtení probíhá pomocí systémů citlivých na světlo. Tato zařízení byla poprvé použita v roce 1944. pro měření záření uranu. Existuje několik druhů detektorů podle typu pracovního agenta.

Jmenování

Scintilační detektory jsou široce používány pro následující účely:

• registrace radiačního znečištění okolního prostředí;
• analýza radioaktivních materiálů a další fyzikálně-chemické studie;
• aplikace jako prvek pro spouštění složitějších detektorových systémů;
• spektrometrické vyšetření látek;
• signalizační složka v systémech radiační ochrany (například dozimetrické zařízení určené k upozornění na vstup námořní lodi do oblasti radioaktivní kontaminace).

Měřiče mohou produkovat jak vysoce kvalitní záznam záření, tak měřit množství jeho energie.

Zařízení detektorů

Základní zařízení scintilačního detektoru záření je znázorněno na obrázku níže.

Hlavní prvky zařízení jsou následující:

• fotonásobič;
• scintilátor určený k přenosu excitace krystalové mřížky na viditelné světlo a jeho přenosu na optický převodník;
• optický kontakt mezi prvními dvěma zařízeními;
• stabilizátor napětí;
• elektronický systém pro záznam elektrických impulsů.

Typy

Existuje následující klasifikace hlavních typů scintilační detektory podle druhu látky, která fluoreskuje pod vlivem záření:

• Anorganické měřiče alkalických halogenidů. Platí pro záznam emisí alfa, beta, gama a neutronů. V průmyslu se vyrábí několik typů monokrystalů: jodid sodný, cesium, draslík a lithium, sirný zinek, wolframáty kovů alkalických zemin. Aktivují se speciálními nečistotami.
• Organické monokrystaly a čiré roztoky. První skupina zahrnuje: antracen, Tolan, trans-stilben, naftalen a další sloučeniny, druhá-terfenyl, směsi antracenu s naftalenem, pevné roztoky v plastech. Používají se pro časová měření a pro záznam rychlých neutronů. Aktivační přísady do organických scintilátorů nepřispívají.
• Plynové médium (He, Ar, Kr, Xe). Tyto detektory se používají v hlavně pro registrace štěpných fragmentů těžkých jader. Emisní vlnová délka je v ultrafialovém spektru, takže vyžadují vhodné fotodiody.

Pro scintilační detektory neutronů s kinetickou energií do 100 kev se používají krystaly sírového zinku aktivované izotopem boru s hmotnostním číslem 10 a ⁶Li. Při zaznamenávání alfa částic se sirný zinek nanáší v tenké vrstvě na průhledný substrát.

Mezi organickými sloučeninami byly nejrozšířenější scintilační plasty. Jsou to roztoky luminiscenčních látek v plastech s vysokou molekulovou hmotností. Nejčastěji se scintilační plasty vyrábějí na bázi polystyrenu. Pro záznam alfa a beta záření se používají tenké destičky a pro gama a rentgenové záření - silné. Přicházejí ve formě průhledných leštěných válců. Ve srovnání s jinými typy scintilátorů mají plasty několik výhod:

• krátká doba blikání;
• odolnost proti mechanickému poškození, vlhkosti;
• stálost charakteristik u velkých dávka ozáření radiace;
• nízké náklady;
• snadná výroba;
• vysoká účinnost registrace.

Fotonásobiče

Hlavní funkční součástí tohoto zařízení je fotonásobič. Je to systém elektrod namontovaných ve skleněné trubici. Pro ochranu před vnějšími magnetickými poli se umístí do kovového pouzdra vyrobeného z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou. Díky tomu dochází ke stínění elektromagnetického rušení.

Ve fotonásobiči je světelný záblesk přeměněn na elektrický impuls a dochází také ke zvýšení elektrického proudu v důsledku sekundární emise elektronů. Velikost proudu závisí na počtu dinodů. Zaostření elektronů je způsobeno elektrostatickým polem závislým na tvaru elektrod a potenciálu mezi nimi. Vyražené nabitá částice zrychlují se v interelektrodovém prostoru a při vstupu na další dinod způsobují další emise. Díky tomu se počet elektronů několikrát zvyšuje.

Scintilační detektor: princip činnosti

Čítače fungují takto:

1. Nabitá částice vstupuje do pracovní látky scintilátoru.
2. Dochází k ionizaci a excitaci molekul krystalu, roztoku nebo plynu.
3. Molekuly emitují fotony a po miliontinách sekundy se vrátí do rovnovážného stavu.
4. Ve fotonásobiči se záblesk světla "buduje" a dopadá na anodu.
5. V anodovém obvodu dochází k zesílení a měření elektrického proudu.

V jádru princip práce scintilační detektor leží fenomén luminiscence. Hlavní charakteristikou těchto zařízení je účinnost konverze-poměr energie záblesku světla k energii ztracené částice v aktivní látce scintilátoru.

Výhody a nevýhody

Mezi výhody scintilačních detektorů záření patří:

• vysoká účinnost zápisu, zejména s ohledem na vysokoenergetické gama paprsky s krátkou vlnovou délkou;
• dobré časové rozlišení, to znamená schopnost poskytnout samostatný obraz dvou objektů (dosahuje 10^-10 s);
• současné měření energie zaznamenaných částic;
• schopnost vyrábět čítače různých tvarů, snadné technické řešení.

Nevýhodou těchto měřičů je nízká citlivost na částice s nízkou energií. Při jejich použití ve složení spektrometrů je zpracování získaných dat mnohem komplikovanější, protože spektrum má složitý vzhled.