Contador de centelleo. Contadores de centelleo y descarga de gas: dispositivo, principio de funcionamiento, tipos utilizados, características.

23.09.2019

1.1 Principio de funcionamiento de un contador de centelleo

Un contador de centelleo es una combinación de un centelleador (fósforo) y un tubo fotomultiplicador (PMT). El contador también incluye una fuente de alimentación para el fotomultiplicador y un equipo de radio que proporciona amplificación y registro de los pulsos del fotomultiplicador. En ocasiones la combinación del fósforo con un fotomultiplicador se realiza mediante un sistema óptico especial (guía de luz).

El principio de funcionamiento de un contador de centelleo es el siguiente: una partícula cargada que pasa a través de un centelleador, junto con la ionización de átomos y moléculas, los excita. Al regresar al estado no excitado (base), los átomos emiten fotones. La luz emitida se recoge (en el rango espectral del centelleador) en un fotodetector. Este último se utiliza a menudo como tubo fotomultiplicador.

El tubo fotomultiplicador es un cilindro de vidrio al que se le hace el vacío hasta una presión residual no superior a 10-6 mm Hg. Art., en cuyo extremo hay una ventana plana transparente, en cuya superficie, en el lado del volumen evacuado, se aplica una fina capa de una sustancia con una baja función de trabajo electrónico (fotocátodo), generalmente a base de antimonio y cesio. A continuación, en el espacio evacuado hay una serie de electrodos, dinodos, a los que se les suministra una diferencia de potencial que aumenta sucesivamente mediante un divisor de voltaje de la fuente de alimentación. Los dinodos PMT están hechos de una sustancia que también tiene una función de trabajo de electrones baja. Cuando se bombardean con electrones, son capaces de emitir electrones secundarios en cantidades varias veces mayores que el número de primarios. El último dínodo es el ánodo PMT. El parámetro principal de un PMT es la ganancia en un determinado modo de suministro de energía. Normalmente, un fotomultiplicador contiene nueve o más dinodos y la amplificación de corriente primaria alcanza entre 105 y 1010 veces para varios multiplicadores, lo que permite obtener señales eléctricas con una amplitud de voltios a decenas de voltios.

Arroz. 1. Diagrama de bloques de un contador de centelleo.

Los fotones que golpean el fotocátodo PMT eliminan electrones como resultado del efecto fotoeléctrico, lo que da como resultado la aparición de impulso electrico, que se ve reforzado aún más por el sistema de dínodos debido al mecanismo de emisión de electrones secundarios. La señal de corriente del ánodo del PMT, a través de un amplificador o directamente, se alimenta a la entrada de un dispositivo de medición: un contador de pulsos, un osciloscopio, un convertidor analógico-digital, etc. La amplitud y duración del pulso de salida están determinadas por las propiedades tanto del centelleador como del fotomultiplicador.

En algunos casos, se observa la salida del amplificador. Número grande pulsos (generalmente de amplitud pequeña) no asociados con el registro de partículas nucleares, a saber, pulsos del ruido propio del fotomultiplicador y del acelerador. Para eliminar el ruido entre el amplificador y el contador de pulsos, se enciende un discriminador de amplitud integral, que pasa solo aquellos pulsos cuyas amplitudes son mayores que un cierto valor umbral de voltaje.

La detección de partículas neutras (neutrones, cuantos γ) se produce a través de partículas cargadas secundarias formadas durante la interacción de neutrones y cuantos γ con átomos centelleadores.

Equipo porque varios métodos de investigación radiactiva (excepto NMM) tienen mucho en común. Su función principal- medición de la intensidad de neutrones o cuantos gamma, por lo que contiene circuitos electrónicos para varios métodos estudios basados generalmente en los mismos principios.

Las principales diferencias en los equipos para distintos métodos están relacionadas con el diseño de sondas, fuentes, filtros y detectores de radiación. Teniendo en cuenta la función común de todos los tipos de equipos radiométricos: medir la intensidad de la radiación, este equipo suele denominarse radiómetros de pozo. Estructuralmente, todos los radiómetros constan de un instrumento de fondo de pozo y un panel de control en tierra conectados por un cable geofísico. En la Figura 54 se muestra un diagrama de bloques simplificado de la parte de medición del equipo radiométrico. Consideremos secuencialmente el propósito y el diseño de los bloques individuales:

Detectores de radiación- los elementos más importantes de los radiómetros. Se utilizan como detectores de radiación en equipos de fondo de pozo. descarga de gas o centelleo contadores. Medidores de descarga de gas Estructuralmente, son un cilindro cilíndrico, a lo largo de cuyo eje se estira un hilo metálico que actúa como ánodo (Fig. 55). La superficie lateral metálica del cilindro sirve como cátodo. Se aplica un voltaje constante entre el cátodo y el ánodo, igual a diferentes tipos metros desde 300 - 400 V hasta 2 - 3 kV.

Los contadores para registrar rayos gamma están llenos de una mezcla de gas inerte con vapores de compuestos orgánicos de alto peso molecular o con halógenos. Cuando la radiación gamma interactúa con el cátodo, se desprende un electrón. Un electrón que ingresa al volumen lleno de gas del contador ioniza el gas, es decir, a su vez, elimina electrones de los átomos del gas, convirtiéndolos en iones cargados positivamente.

Estos electrones, llamados primario, acelerado por el campo eléctrico, en el camino hacia el ánodo causa ionización secundaria, etc. Como resultado, el número de electrones aumenta como una avalancha, excediendo el número de electrones primarios en miles y cientos de miles de veces: aparece una descarga. en el mostrador. A un voltaje relativamente bajo, el número total de electrones es proporcional al número de electrones primarios y, por lo tanto, a la energía de la partícula nuclear registrada por el contador; estos contadores se denominan proporcional. Con un alto voltaje entre el ánodo y el cátodo, el número total de electrones deja de depender del número de electrones primarios y de la energía de la partícula detectada; estos se denominan contadores Geiger-Muller.

Para registrar rayos gamma Los contadores Geiger se utilizan en radiómetros de pozos. Su ventaja es una señal de salida mayor (hasta varios voltios) que la de los contadores proporcionales, lo que simplifica la amplificación y transmisión de señales a la superficie.

Los neutrones no ionizan el gas. en el mostrador. Por lo tanto, los contadores diseñados para registrar neutrones se llenan con gas, cuya molécula incluye una sustancia, cuando los neutrones interactúan con la cual se producen partículas cargadas rápidamente que producen ionización. Tal sustancia es el gas fluoruro de boro BF 3 o uno de los isótopos de helio 3 He. Cuando los neutrones lentos son absorbidos por el núcleo del isótopo 10 B, se forma una partícula alfa. Por lo tanto, cuando los neutrones térmicos y supratérmicos ingresan a un contador lleno de un compuesto de boro, aparecen partículas alfa, que provocan una descarga en el volumen de gas del contador y un pulso de voltaje en su salida. Cuando los neutrones son capturados por un núcleo 3, no aparece un protón rápido.

Contadores de neutrones operan en modo proporcional, lo que permite excluir los impulsos de los cuantos gamma, que tienen una magnitud mucho menor que los impulsos de partículas alfa o protones.

Contador de centelleo Consiste en un centelleador acoplado a un tubo fotomultiplicador (PMT). Cuando un cuanto gamma cae en un centelleador, los átomos de este último se excitan. Los átomos excitados emiten radiación EM, parte de la cual se encuentra en la región clara. Los cuantos de luz del centelleador caen sobre el fotocátodo del fotomultiplicador y le arrancan electrones.

Además del fotocátodo, el tubo fotomultiplicador contiene un ánodo y un sistema de electrodos (dínodos) ubicados entre el ánodo y el cátodo (Figura - Esquema de un contador de centelleo: 1 - centelleador, 2 - carcasa, 3 - reflector, 4 - fotón, 5 - carcasa PMT, 6 - fotocátodo, 7 – electrodo de enfoque, 8 – dinodos, 9 – electrodo colector (ánodo), R 1 -R N – divisor de voltaje). Los dinodos reciben un voltaje positivo (relativo al cátodo) desde un divisor de voltaje R l -R N, y cuanto más lejos esté el ánodo del cátodo, mayor será su potencial. Como resultado, los electrones emitidos por el fotocátodo cuando la luz incide sobre él se aceleran, bombardean el primero de los dinodos y eliminan los electrones secundarios. Posteriormente, estos electrones se aceleran bajo la influencia de una diferencia de potencial aplicada entre el primer y el segundo dinodo, bombardean el segundo dínodo y eliminan de él los electrones "terciarios". Esto sucede en cada uno de los dinodos, como resultado de lo cual el número total de electrones aumenta exponencialmente. La amplificación total del flujo en un fotomultiplicador puede alcanzar 106 veces o más. Por lo tanto, cuando un destello de luz incide en el fotocátodo en la entrada del fotomultiplicador, se forma un pulso de voltaje a través de la capacitancia. CON suministrado a la entrada del amplificador.

Un contador de centelleo consta de dos componentes: un centelleador (fósforo) y un multiplicador de tipo fotoelectrónico. En la configuración básica, los fabricantes han agregado a este medidor una fuente de energía eléctrica y equipos de radio que brindan amplificación y registro de pulsos fotomultiplicadores. Muy a menudo, la combinación de todos los elementos de este sistema se realiza mediante un sistema óptico: una guía de luz. Más adelante en el artículo consideraremos el principio de funcionamiento. contador de centelleo.

Características del trabajo

El diseño de un contador de centelleo es bastante complicado, por lo que es necesario prestar más atención a este tema. La esencia del funcionamiento de este dispositivo es la siguiente.

Una partícula cargada ingresa al dispositivo, lo que provoca la excitación de todas las moléculas. Estos objetos se calman después de un cierto período de tiempo y, en este proceso, liberan los llamados fotones. Todo este proceso es necesario para que ciertos fotones pasen al fotocátodo. Este proceso es necesario para la aparición de fotoelectrones.

Los fotoelectrones se enfocan y se entregan al electrodo original. Esta acción se produce debido al funcionamiento del llamado fotomultiplicador. En la acción posterior, el número de estos mismos electrones aumenta varias veces, lo que se ve facilitado por la emisión de electrones. El resultado es tensión. Además, sólo aumenta su efecto inmediato. La duración del pulso y su amplitud en la salida están determinadas por propiedades características.

¿Qué se utiliza en lugar del fósforo?

En este dispositivo se les ocurrió un sustituto de un elemento como el fósforo. Normalmente, los fabricantes utilizan:

cristales de tipo orgánico;
centelleadores líquidos, que también deberán ser de tipo orgánico;
centelleadores sólidos, fabricados de plástico;
centelleadores de gas.

Al observar los datos sobre el reemplazo de fósforo, se puede ver que los productores en la mayoría de los casos utilizan solo sustancias orgánicas.

Características principales

Es hora de hablar de Característica principal contadores de centelleo. En primer lugar, es necesario tener en cuenta la salida de luz, la radiación, su denominada composición espectral y la duración del centelleo.

En el proceso de paso a través del centelleador de varias partículas cargadas, se produce una cierta cantidad de fotones, que transportan aquí u otra energía. Una gran parte de los fotones producidos serán absorbidos y destruidos en el propio depósito. En lugar de los fotones que fueron absorbidos, se producirán otro tipo de partículas, que representarán energía de naturaleza un poco más pequeña. Como resultado de toda esta acción aparecerán fotones cuyas propiedades son características exclusivamente de un centelleador.

Salida de luz

A continuación, consideraremos el contador de centelleo y el principio de su funcionamiento. Ahora prestemos atención a la salida de luz. Este proceso también se denomina tipo de conversión de eficiencia. La emisión de luz es la denominada relación entre la energía que sale y la cantidad de energía de partículas cargadas que se pierde en el centelleador.

En esta acción sale exclusivamente el número medio de fotones. Esto también se llama energía de carácter promedio de los fotones. Cada una de las partículas presentes en el dispositivo no produce monoenergética, sino sólo un espectro en una franja continua. Después de todo, es precisamente esto lo que caracteriza a de este tipo trabajar.

Es necesario prestar atención a lo más importante, porque este espectro de fotones surge independientemente del centelleador que conocemos. Es importante que coincida o al menos se superponga parcialmente con la característica espectral del fotomultiplicador. Esta superposición de elementos centelleadores con otra característica está determinada únicamente por el coeficiente acordado por los fabricantes.

En este coeficiente, el espectro de tipo externo o el espectro de nuestros fotones sale al entorno externo de este dispositivo. Hoy en día existe algo llamado “eficiencia de centelleo”. Representa una comparación del dispositivo con otros datos PMT.

Este concepto combina varios aspectos:

La eficiencia tiene en cuenta el número de fotones emitidos por el centelleador por unidad de energía absorbida. Este indicador también tiene en cuenta la sensibilidad del dispositivo a los fotones.
La eficacia de este trabajo suele evaluarse comparándola con la eficiencia de centelleo del centelleador, que se toma como estándar.

Varios cambios de centelleo.

El principio de funcionamiento de un contador de centelleo consta también del siguiente aspecto igualmente importante. El centelleo puede estar sujeto a ciertos cambios. Se calculan según una ley especial.

En él, I 0 denota el indicador de intensidad máxima del centelleo que estamos considerando. En cuanto al indicador t 0, este es un valor constante e indica el tiempo de la llamada atenuación. Esta atenuación muestra el tiempo durante el cual la intensidad disminuye su valor en ciertos momentos.

También es necesario prestar atención al número de los llamados fotones. En nuestra ley se denota con la letra n.

El número total de fotones emitidos durante el proceso de centelleo. Estos fotones se emiten en un momento determinado y se registran en el dispositivo.

Procesos de trabajo del fósforo.

Como escribimos anteriormente, los contadores de centelleo funcionan en función del trabajo de un elemento como el fósforo. Este elemento lleva a cabo el proceso de la llamada luminiscencia. Y se divide en varios tipos:

El primer tipo es la fluorescencia.
El segundo tipo es la fosforescencia.

Estos dos tipos se diferencian principalmente por el tiempo. Cuando el llamado resaltado ocurre junto con otro proceso o durante un período de tiempo del orden de 10 a 8 segundos, este es el primer tipo de proceso. En cuanto al segundo tipo, aquí el intervalo de tiempo es ligeramente mayor que en el tipo anterior. Esta discrepancia en el tiempo surge porque este intervalo corresponde a la vida de un átomo en estado de inquietud.

En total, la duración del primer proceso no depende en absoluto del indicador de inquietud de un átomo en particular, pero en cuanto al resultado de este proceso, es la excitabilidad de este elemento lo que influye. También vale la pena señalar el hecho de que en el caso de perturbaciones en ciertos cristales, la tasa de la llamada producción es algo menor que en el caso de la fotoexcitación.

¿Qué es la fosforescencia?

Las ventajas de un contador de centelleo incluyen el proceso de fosforescencia. Según este concepto, la mayoría de la gente entiende sólo la luminiscencia. Por lo tanto, consideraremos estas características en función de este proceso. Este proceso es la llamada continuación del proceso después de la finalización de uno u otro tipo de trabajo. La fosforescencia de los fósforos cristalinos se produce durante la recombinación de electrones y huecos creados durante la excitación. En determinados objetos de fósforo es completamente imposible frenar el proceso, ya que los electrones y sus huecos caen en las llamadas trampas. Pueden liberarse de estas mismas trampas por sí solos, pero para ello, como otras sustancias, necesitan recibir un aporte adicional de energía.

En este sentido, la duración del proceso también depende de una determinada temperatura. Si en el proceso también participan otras moléculas de naturaleza orgánica, entonces el proceso de fosforescencia se produce sólo si se encuentran en un estado metaestable. E ir a Condicion normal estas moléculas no pueden. Sólo en este caso podemos ver la dependencia de este proceso de la velocidad y de la temperatura misma.

Características de los contadores.

El contador de centelleo tiene ventajas y desventajas que consideraremos en esta sección. En primer lugar, describiremos las ventajas del dispositivo, porque hay bastantes.

Los expertos destacan un indicador bastante alto de capacidad temporal. El tiempo de un pulso que emite este dispositivo no supera los diez segundos. Pero esto sólo es así si se utilizan determinados dispositivos. Este contador tiene este indicador varias veces menos que sus otros análogos con descarga independiente. Esto facilita enormemente su uso, porque la velocidad de conteo aumenta varias veces.

La siguiente cualidad positiva de los datos es el indicador bastante pequeño del impulso rezagado. Pero este proceso se lleva a cabo sólo después de que las partículas hayan pasado por el período de registro. Esto también permite guardar directamente el tiempo de suministro de pulsos de este tipo de dispositivos.

Además, los contadores de centelleo tienen un nivel bastante alto de registro de determinadas partículas, entre las que se incluyen las neuronas y sus rayos. Para aumentar el nivel de registro, es imperativo que estas partículas reaccionen con los llamados detectores.

Fabricación de dispositivos

¿Quién inventó el contador de centelleo? Esto lo hizo el físico alemán Kalman Hartmut Paul en 1947 y en 1948 el científico Inventó la radiografía de neutrones. El principio de funcionamiento de un contador de centelleo permite producirlo en un tamaño bastante grande. Esto permite realizar el llamado análisis hermético de un flujo de energía bastante grande, que incluye los rayos ultravioleta.

También se pueden introducir en el dispositivo determinadas sustancias con las que los neutrones pueden interactuar bastante bien. Lo cual, por supuesto, tiene su efecto inmediato. rasgos positivos en la fabricación y uso futuro de un contador de esta naturaleza.

tipo de diseño

Las partículas contadoras de centelleo le proporcionan trabajo de calidad. Los consumidores tienen los siguientes requisitos para el funcionamiento del dispositivo:

el llamado fotocátodo tiene la mejor tasa de captación de luz;
a lo largo de este fotocátodo hay una distribución de luz exclusivamente uniforme;
las partículas innecesarias en el dispositivo se oscurecen;
los campos magnéticos no tienen absolutamente ningún efecto sobre todo el proceso de soporte;
el coeficiente en este caso es estable.

Las desventajas de un contador de centelleo son mínimas. Al realizar el trabajo, es necesario asegurarse de que la amplitud de los tipos de señal de pulsos corresponda a otros tipos de amplitudes.

Embalaje de mostrador

A menudo, un contador de centelleo se empaqueta en un recipiente de metal con vidrio en un lado. Además, m Se coloca una capa de material especial entre el propio recipiente y el centelleador., que evita la entrada de rayos ultravioleta y calor. No es necesario envasar los centelleadores de plástico en recipientes sellados, pero Todos los centelleadores sólidos deben tener una ventana de salida en un extremo. Es muy importante prestar atención al embalaje de este dispositivo.

Ventajas de los metros

Las ventajas de un contador de centelleo son las siguientes:

La sensibilidad de este dispositivo está siempre al más alto nivel, y de ello depende directamente su eficacia inmediata.
Las capacidades del dispositivo incluyen una amplia gama de servicios.
La capacidad de distinguir entre determinadas partículas utiliza únicamente información sobre su energía.

Es gracias a los indicadores anteriores que este tipo de medidor superó a todos sus competidores y se convirtió legítimamente en el mejor dispositivo de su tipo.

También vale la pena señalar que sus desventajas incluyen la percepción sensible de los cambios en una temperatura particular, así como de las condiciones ambientales.

- Principio de funcionamiento de un contador de centelleo.

- Centelleadores

- Tubos fotomultiplicadores

- Diseños de contadores de centelleo

- Propiedades de los contadores de centelleo.

- Ejemplos de uso de contadores de centelleo

- Lista de literatura usada

CONTADORES DE CINTILACIÓN

El método de detectar partículas cargadas mediante el conteo de los destellos de luz que se producen cuando estas partículas chocan contra una pantalla de sulfuro de zinc (ZnS) es uno de los primeros métodos para detectar la radiación nuclear.

En 1903, Crookes y otros demostraron que si una pantalla de sulfuro de zinc, irradiada con partículas, se examina a través de una lupa en cuarto oscuro, entonces puede notar la aparición de destellos de luz individuales de corta duración: centelleos. Se descubrió que cada uno de estos centelleos es creado por una partícula a separada que golpea la pantalla. Crookes construyó un dispositivo simple, llamado espintariscopio Crookes, diseñado para contar partículas a.

Posteriormente, el método de centelleo visual se utilizó principalmente para detectar partículas a y protones con energías de varios millones de electronvoltios. No fue posible detectar electrones rápidos individuales, ya que provocan centelleos muy débiles. A veces, cuando se irradiaba una pantalla de sulfuro de zinc con electrones, se podían observar destellos, pero esto solo sucedía cuando una cantidad suficientemente grande de electrones golpeaba simultáneamente el mismo cristal de sulfuro de zinc.

Los rayos gamma no provocan ningún destello en la pantalla, creando sólo un brillo general. Esto permite detectar partículas a en presencia de una fuerte radiación g.

El método de centelleo visual permite detectar un número muy pequeño de partículas por unidad de tiempo. Mejores condiciones para contar los centelleos se obtienen cuando su número está comprendido entre 20 y 40 por minuto. Por supuesto, el método de centelleo es subjetivo y los resultados dependen en un grado u otro de las cualidades individuales del experimentador.

A pesar de sus deficiencias, el método de centelleo visual jugó un papel muy importante en el desarrollo de la tecnología nuclear y física atómica. Con su ayuda, Rutherford registró las partículas a tal como estaban dispersas en los átomos. Fueron estos experimentos los que llevaron a Rutherford al descubrimiento del núcleo. Por primera vez, el método visual permitió detectar protones rápidos desprendidos de los núcleos de nitrógeno al ser bombardeados con partículas a, es decir, Primera fisión nuclear artificial.

El método de centelleo visual tenía gran importancia hasta los años treinta, cuando la aparición de nuevos métodos de registro de la radiación nuclear le obligó a ser olvidado durante algún tiempo. El método de registro de centelleo revivió sobre una nueva base a finales de los años cuarenta del siglo XX. En aquella época se habían desarrollado tubos fotomultiplicadores (PMT) que permitían detectar destellos de luz muy débiles. Se han creado contadores de centelleo, con los que es posible aumentar la velocidad de conteo 108 veces o incluso más en comparación con el método visual, y también es posible registrar y analizar la energía tanto de partículas cargadas como de neutrones y rayos G.

§ 1. Principio de funcionamiento de un contador de centelleo

El principio de funcionamiento de un contador de centelleo es el siguiente. Una partícula cargada que ingresa a un centelleador produce ionización y excitación de sus moléculas, que después de muy poco tiempo (10-6 - 10-9 segundos ) transición a un estado estable, emitiendo fotones. Se produce un destello de luz (centelleo). Algunos de los fotones golpean el fotocátodo del fotomultiplicador y eliminan fotoelectrones. Estos últimos, bajo la influencia del voltaje aplicado al fotomultiplicador, se enfocan y se dirigen al primer electrodo (dínodo) del multiplicador de electrones. Además, como resultado de la emisión secundaria de electrones, el número de electrones aumenta como una avalancha y aparece un pulso de voltaje en la salida del fotomultiplicador, que luego se amplifica y registra mediante equipos de radio.

La amplitud y duración del pulso de salida están determinadas por las propiedades tanto del centelleador como del fotomultiplicador.

Como fósforo se utilizan:

cristales orgánicos,

Centelleadores orgánicos líquidos,

Centelleadores de plástico sólido,

Centelleadores de gas.

Las principales características de los centelleadores son: potencia luminosa, composición espectral de la radiación y duración del centelleo.

Cuando una partícula cargada pasa a través de un centelleador, aparece en él una cierta cantidad de fotones con una u otra energía. Algunos de estos fotones serán absorbidos en el volumen del propio centelleador y, en su lugar, se emitirán otros fotones con una energía ligeramente menor. Como resultado de los procesos de reabsorción, se liberarán fotones cuyo espectro es característico de un centelleador determinado.

La salida de luz o eficiencia de conversión de un centelleador c es la relación entre la energía del destello de luz , saliendo a la cantidad de energía mi partícula cargada perdida en el centelleador,

Dónde - número promedio de fotones que salen, - energía promedio de los fotones. Cada centelleador no emite cuantos monoenergéticos, sino un espectro continuo característico de este centelleador.

Es muy importante que el espectro de fotones que emergen del centelleador coincida o al menos se superponga parcialmente con la característica espectral del fotomultiplicador.

El grado de superposición del espectro de centelleo externo con la característica espectral. de un fotomultiplicador dado está determinado por el coeficiente de coincidencia

¿Dónde está el espectro externo del centelleador o el espectro de fotones que emergen del centelleador? En la práctica, al comparar centelleadores combinados con datos PMT, se introduce el concepto de eficiencia de centelleo, que está determinado por la siguiente expresión:

Dónde I 0 - valor máximo de intensidad de centelleo; t - Constante de tiempo de desintegración, definida como el tiempo durante el cual disminuye la intensidad del centelleo. mi una vez.

Número de fotones de luz. norte , emitido durante el tiempo t después de golpear la partícula detectada, se expresa mediante la fórmula

donde es el número total de fotones emitidos durante el proceso de centelleo.

Los procesos de luminiscencia (luminiscencia) del fósforo se dividen en dos tipos: fluorescencia y fosforescencia. Si la luminiscencia ocurre directamente durante la excitación o durante un período de tiempo del orden de 10-8 segundo, el proceso se llama fluorescencia. Intervalo 10-8 segundo Se eligió porque es igual en orden de magnitud a la vida útil de un átomo en estado excitado para las llamadas transiciones permitidas.

Aunque los espectros y la duración de la fluorescencia no dependen del tipo de excitación, el rendimiento de la fluorescencia depende significativamente de ello. Por tanto, cuando un cristal es excitado por partículas a, el rendimiento de fluorescencia es casi un orden de magnitud menor que durante la fotoexcitación.

La fosforescencia se refiere a la luminiscencia que continúa durante un tiempo considerable después del cese de la excitación. Pero la principal diferencia entre fluorescencia y fosforescencia no es la duración del resplandor. La fosforescencia de los fósforos cristalinos se produce durante la recombinación de electrones y huecos creados durante la excitación. En algunos cristales, el resplandor puede retrasarse debido a que los electrones y los huecos quedan atrapados en "trampas" de las que pueden liberarse sólo después de recibir la energía adicional necesaria. Por tanto, la dependencia de la duración de la fosforescencia de la temperatura es obvia. En el caso de moléculas orgánicas complejas, la fosforescencia está asociada con su presencia en un estado metaestable, cuya probabilidad de transición al estado fundamental puede ser baja. Y en este caso, se observará una dependencia de la tasa de descomposición de la fosforescencia de la temperatura.

§ 2. Centelleadores

Centelleadores inorgánicos . Los centelleadores inorgánicos son cristales de sales inorgánicas. Uso práctico en la tecnología de centelleo son principalmente compuestos de haluros de algunos metales alcalinos.

El proceso de aparición del centelleo se puede representar utilizando la teoría de bandas de sólidos. En un átomo individual que no interactúa con otros, los electrones se encuentran en niveles de energía discretos bien definidos. En un sólido, los átomos están ubicados a distancias cercanas y su interacción es bastante fuerte. Gracias a esta interacción, los niveles de las capas electrónicas externas se dividen y forman bandas separadas entre sí por bandas prohibidas. La banda más externa permitida llena de electrones es la banda de valencia. Encima hay una zona libre: la zona de conducción. Entre la banda de valencia y la banda de conducción existe una banda prohibida, cuyo ancho de energía es de varios electronvoltios.

Si hay defectos, alteraciones de la red o átomos de impurezas en el cristal, entonces en este caso es posible la aparición de niveles electrónicos de energía ubicados en la banda prohibida. Bajo influencia externa, por ejemplo, cuando una partícula cargada rápidamente pasa a través de un cristal, los electrones pueden pasar de la banda de valencia a la banda de conducción. En la banda de valencia habrá espacios libres que tienen las propiedades de partículas cargadas positivamente con una carga unitaria y se llaman huecos.

El proceso descrito es el proceso de excitación del cristal. La excitación se elimina mediante la transición inversa de electrones de la banda de conducción a la banda de valencia, y se recomiendan electrones y huecos. En muchos cristales, la transición de un electrón de la banda de conducción a la banda de valencia se produce a través de centros luminiscentes intermedios, cuyos niveles se encuentran en la banda prohibida. Estos centros son causados por la presencia de defectos o átomos de impurezas en el cristal. Cuando los electrones pasan a dos etapas, se emiten fotones con una energía menor que la banda prohibida. Para tales fotones, la probabilidad de absorción en el propio cristal es pequeña y, por lo tanto, la emisión de luz es mucho mayor que la de un cristal puro y sin adulterar.

En la práctica, para aumentar la emisión de luz de los centelleadores inorgánicos, se introducen impurezas especiales de otros elementos, llamados activadores. Por ejemplo, se introduce talio en un cristal de yoduro de sodio como activador. Un centelleador basado en un cristal de NaJ(Tl) tiene un alto rendimiento luminoso. El centelleador de NaJ(Tl) tiene importantes ventajas en comparación con los contadores llenos de gas:

mayor eficiencia de registro de los rayos g (con cristales grandes la eficiencia de registro puede alcanzar decenas de por ciento);

corta duración del centelleo (2,5 x 10-7 segundos);

una relación lineal entre la amplitud del pulso y la cantidad de energía perdida por la partícula cargada.

La última propiedad requiere alguna explicación. La salida de luz del centelleador depende en cierta medida de la pérdida de energía específica de la partícula cargada.

En valores muy grandes, son posibles perturbaciones significativas en la red cristalina del centelleador, que conducen a la aparición de centros de extinción locales. Esta circunstancia puede provocar una disminución relativa de la emisión de luz. De hecho, los hechos experimentales indican que para las partículas pesadas el rendimiento no es lineal y la dependencia lineal comienza a aparecer sólo con una energía de varios millones de electronvoltios. La figura 1 muestra las curvas de dependencia. MI: curva 1 para electrones, curva 2 para partículas.

Además de los centelleadores de haluros alcalinos indicados, en ocasiones se utilizan otros cristales inorgánicos: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4, etc.

Centelleadores cristalinos orgánicos. Las fuerzas de enlace molecular en cristales orgánicos son pequeñas en comparación con las fuerzas que actúan en cristales inorgánicos. Por lo tanto, las moléculas que interactúan prácticamente no alteran los niveles de energía electrónica de las demás, y el proceso de luminiscencia de un cristal orgánico es un proceso característico de las moléculas individuales. En el estado electrónico fundamental, la molécula tiene varios niveles vibratorios. Bajo la influencia de la radiación detectada, la molécula entra en un estado electrónico excitado, que también corresponde a varios niveles de vibración. También son posibles la ionización y disociación de moléculas. Como resultado de la recombinación de una molécula ionizada, generalmente se forma en un estado excitado. La molécula inicialmente excitada puede estar en niveles altos excitación y después de un corto tiempo (~10-11 segundo) emite un fotón de alta energía. Este fotón es absorbido por otra molécula, y parte de la energía de excitación de esta molécula se puede gastar en movimiento térmico y el fotón emitido posteriormente tendrá menos energía en comparación con el anterior. Luego de varios ciclos de emisión y absorción, se forman moléculas que se encuentran en el primer nivel excitado; emiten fotones cuya energía puede no ser suficiente para excitar otras moléculas y, por tanto, el cristal será transparente a la radiación resultante.

Arroz. 2. Dependencia de la salida de luz

antraceno a partir de energía para diversas partículas.

Gracias a La mayoría de La energía de excitación se gasta en el movimiento térmico, la salida de luz (eficiencia de conversión) del cristal es relativamente pequeña y asciende a varios por ciento.

Los siguientes cristales orgánicos son los más utilizados para registrar la radiación nuclear: antraceno, estilbeno y naftaleno. El antraceno tiene una salida de luz bastante alta (~4%) y un tiempo de iluminación corto (3 10-8 segundo). Pero cuando se detectan partículas pesadas cargadas, se observa una dependencia lineal de la intensidad del centelleo sólo con energías de partículas bastante altas.

En la Fig. La Figura 2 muestra gráficos de la dependencia de la salida de luz c (en unidades arbitrarias) de la energía de los electrones 1, protones 2. , 3 deuterones y 4 partículas a .

Aunque el estilbeno tiene una emisión de luz ligeramente menor que el antraceno, la duración de su centelleo es significativamente más corta (7 10-9 segundo), que el antraceno, lo que permite utilizarlo en aquellos experimentos donde se requiere el registro de radiación muy intensa.

Centelleadores de plástico. Los centelleadores plásticos son soluciones sólidas de compuestos orgánicos fluorescentes en una sustancia transparente adecuada. Por ejemplo, soluciones de antraceno o estilbeno en poliestireno o plexiglás. Las concentraciones de sustancia fluorescente disuelta suelen ser bajas, de unas pocas décimas de porcentaje o de unos pocos porcentajes.

Dado que hay mucho más disolvente que centelleador disuelto, entonces, naturalmente, la partícula detectada excita principalmente las moléculas de disolvente. Posteriormente, la energía de excitación se transfiere a las moléculas centelleadoras. Evidentemente, el espectro de emisión del disolvente debe ser más duro que el espectro de absorción del soluto, o al menos coincidir con él. Los hechos experimentales muestran que la energía de excitación del disolvente se transfiere a las moléculas centelleadoras a través del mecanismo fotónico, es decir, las moléculas del disolvente emiten fotones, que luego son absorbidos por las moléculas del soluto. También es posible otro mecanismo de transferencia de energía. Dado que la concentración de centelleador es baja, la solución resulta prácticamente transparente a la radiación de centelleo resultante.

Los centelleadores de plástico tienen importantes ventajas sobre los centelleadores cristalinos orgánicos:

Posibilidad de fabricar centelleadores de tamaños muy grandes;

La posibilidad de introducir mezcladores de espectro en el centelleador para lograr una mejor adaptación de su espectro de luminiscencia a las características espectrales del fotocátodo;

Posibilidad de introducir en el centelleador diversas sustancias necesarias en experimentos especiales (por ejemplo, al estudiar neutrones);

Posibilidad de utilizar centelleadores de plástico al vacío;

tiempo de iluminación corto (~3 10-9 segundo). Los centelleadores de plástico preparados disolviendo antraceno en poliestireno tienen la mayor potencia luminosa. Buenas propiedades también tiene una solución de estilbeno en poliestireno.

Centelleadores orgánicos líquidos. Los centelleadores orgánicos líquidos son soluciones de sustancias centelleantes orgánicas en algunos disolventes orgánicos líquidos.

El mecanismo de fluorescencia en los centelleadores líquidos es similar al mecanismo que ocurre en las soluciones de centelleadores sólidos.

Los disolventes más adecuados resultaron ser xileno, tolueno y fenilciclohexano, y las sustancias centelleantes fueron p-terfenilo, difeniloxazol y tetrafenilbutadieno.

p-terfenilo en xileno a una concentración de soluto de 5 g/l.

Las principales ventajas de los centelleadores líquidos:

Posibilidad de producir grandes volúmenes;

Posibilidad de introducir en el centelleador sustancias necesarias en experimentos especiales;

Duración corta del flash ( ~3 10-9segundo).

Centelleadores de gas. Cuando partículas cargadas atravesaron varios gases, se observó en ellos la aparición de centelleos. Los gases nobles pesados (xenón y criptón) tienen el mayor rendimiento luminoso. Una mezcla de xenón y helio también tiene un alto rendimiento luminoso. La presencia de un 10% de xenón en helio proporciona un rendimiento luminoso incluso mayor que el del xenón puro (Fig. 3). Mezclas insignificantemente pequeñas de otros gases reducen drásticamente la intensidad del centelleo en los gases nobles.

Arroz. 3. Dependencia de la potencia luminosa del gas.

centelleador sobre la proporción de la mezcla de helio y xenón.

Se demostró experimentalmente que la duración de las llamaradas en gases nobles es corta (10-9 -10-8 segundo), y la intensidad de las llamaradas en un amplio rango es proporcional a la energía perdida de las partículas detectadas y no depende de su masa y carga. Los centelleadores de gas tienen baja sensibilidad a la radiación g.

La mayor parte del espectro de luminiscencia se encuentra en la región ultravioleta lejana, por lo que se utilizan convertidores de luz para igualar la sensibilidad espectral del fotomultiplicador. Este último debe tener una alta tasa de conversión, transparencia óptica en capas finas, baja elasticidad. vapores saturados, así como resistencia mecánica y química. Como materiales para convertidores de luz se utilizan principalmente diversos compuestos orgánicos, por ejemplo:

difenilestilbeno (eficacia de conversión de aproximadamente 1);

P1p'-cuaterfenilo (~1);

antraceno (0,34), etc.

El convertidor de luz se aplica en una fina capa al fotocátodo del fotomultiplicador. Un parámetro importante del convertidor de luz es su tiempo de iluminación. En este sentido, los convertidores orgánicos son bastante satisfactorios (10-9 segundo o varias unidades por 10-9 segundo). Para aumentar la captación de luz, las paredes internas de la cámara de centelleo suelen estar recubiertas con reflectores de luz (MgO, esmalte a base de óxido de titanio, fluoroplástico, óxido de aluminio, etc.).

§ 3. Fotomultiplicadores

Los principales elementos de un PMT son: fotocátodo, sistema de enfoque, sistema multiplicador (dínodos), ánodo (colector). Todos estos elementos están situados en un cilindro de vidrio, evacuado a alto vacío (10-6 mmHg).

Para fines de espectrometría de radiación nuclear, el fotocátodo suele estar ubicado en superficie interior parte del extremo plano del cilindro PMT. Como material del fotocátodo se selecciona una sustancia suficientemente sensible a la luz emitida por los centelleadores. Los más utilizados son los fotocátodos de antimonio-cesio, cuya sensibilidad espectral máxima se sitúa en l = 3900–4200 A, lo que corresponde al máximo de los espectros de luminiscencia de muchos centelleadores.

Arroz. 4. Diagrama esquemático PMT.

Una de las características de un fotocátodo es su rendimiento cuántico, es decir, la probabilidad de que un fotoelectrón sea arrancado por un fotón que choca contra el fotocátodo. El valor de e puede alcanzar el 10-20%. Las propiedades del fotocátodo también se caracterizan por la sensibilidad integral, que es la relación de la fotocorriente. (mka) a flujo de luz incidente en el fotocátodo (lm).

El fotocátodo se aplica al vidrio en forma de una fina capa translúcida. El espesor de esta capa es significativo. Por un lado, para una gran absorción de luz debe ser significativa; por otro lado, los fotoelectrones resultantes, al tener muy baja energía, no podrán abandonar la capa gruesa y el rendimiento cuántico efectivo puede resultar pequeño. Por tanto, se selecciona el espesor óptimo del fotocátodo. También es importante asegurar un espesor uniforme del fotocátodo para que su sensibilidad sea la misma en toda el área. En la espectrometría de centelleo de rayos G suele ser necesario utilizar centelleadores sólidos de grandes tamaños, tanto en espesor como en diámetro. Por tanto, existe la necesidad de fabricar fotomultiplicadores con grandes diámetros de fotocátodo. En los fotomultiplicadores domésticos, los fotocátodos se fabrican con un diámetro que va desde varios centímetros hasta 15¸20 cm. Los fotoelectrones expulsados del fotocátodo deben enfocarse en el primer electrodo multiplicador. Para ello se utiliza un sistema de lentes electrostáticas, que son una serie de diafragmas de enfoque. Para obtener buenas características de sincronización de un fotomultiplicador, es importante crear un sistema de enfoque tal que los electrones caigan sobre el primer dínodo con una dispersión de tiempo mínima. La Figura 4 muestra un diseño esquemático de un fotomultiplicador. El alto voltaje que alimenta el fotomultiplicador se conecta al cátodo con su polo negativo y se distribuye entre todos los electrodos. La diferencia de potencial entre el cátodo y el diafragma asegura que los fotoelectrones se enfoquen en el primer electrodo multiplicador. Los electrodos multiplicadores se llaman dínodos. Las dinadas están fabricadas con materiales cuyo coeficiente de emisión secundaria es mayor que la unidad (s>1). En los fotomultiplicadores domésticos, los dinodos se fabrican en forma de artesa (Fig. 4) o en forma de persianas. En ambos casos, los dínodos están dispuestos en línea. También es posible una disposición de dínodos en forma de anillo. Los PMT con un sistema dínodo en forma de anillo tienen mejores características temporales. La capa emisora de dinodos es una capa de antimonio y cesio o una capa de aleaciones especiales. Valor máximo s para emisores de antimonio-cesio se logra con una energía electrónica de 350¸400 ev, y para emisores de aleaciones - a 500¸550 ev. En el primer caso s= 12¸14, en el segundo s=7¸10. En los modos de funcionamiento del fotomultiplicador, el valor de s es algo menor. Un coeficiente de emisión secundaria bastante bueno es s= 5.

Los fotoelectrones enfocados en el primer dínodo eliminan los electrones secundarios. El número de electrones que salen del primer dínodo es varias veces mayor que el número de fotoelectrones. Todos ellos se envían al segundo dínodo, donde también eliminan electrones secundarios, etc., de dínodo a dínodo, el número de electrones aumenta s veces.

Al pasar por todo el sistema de dinodos, el flujo de electrones aumenta de 5 a 7 órdenes de magnitud y llega al ánodo, el electrodo colector del fotomultiplicador. Si el fotomultiplicador funciona en modo actual, entonces el circuito del ánodo incluye dispositivos que amplifican y miden la corriente. Al registrar la radiación nuclear, normalmente es necesario medir el número de pulsos generados por partículas ionizantes, así como la amplitud de estos pulsos. En estos casos, se conecta una resistencia al circuito del ánodo, en la que se produce un impulso de tensión.

Una característica importante de los PMT es el factor de multiplicación. METRO. Si el valor de s para todos los dinodos es el mismo (con colección completa de electrones en los dinodos) y el número de dinodos es igual norte , Eso

A y B son constantes, u es la energía del electrón. Factor de multiplicación METRO no es igual a ganar METRO", que caracteriza la relación entre la corriente en la salida del PMT y la corriente que sale del cátodo

METRO" =CM,

Dónde CON<1 - coeficiente de captación de electrones, que caracteriza la eficiencia de la captación de fotoelectrones en el primer dínodo.

La ganancia constante es muy importante. METRO" PMT tanto en el tiempo como con cambios en el número de electrones que salen del fotocátodo. Esta última circunstancia permite el uso de contadores de centelleo como espectrómetros de radiación nuclear.

Sobre la interferencia en fotomultiplicadores. En los contadores de centelleo, incluso en ausencia de irradiación externa, puede aparecer una gran cantidad de pulsos en la salida PMT. Estos pulsos suelen tener amplitudes pequeñas y se denominan pulsos de ruido. El mayor número de pulsos de ruido se debe a la aparición de electrones termoiónicos procedentes del fotocátodo o incluso de los primeros dinodos. Para reducir el ruido de un fotomultiplicador, a menudo se utiliza su refrigeración. Al registrar radiación que crea pulsos de gran amplitud, se incluye un discriminador en el circuito de grabación que no deja pasar los pulsos de ruido.

Arroz. 5. Circuito de supresión de ruido PMT.

1. Al registrar pulsos cuya amplitud es comparable al ruido, es racional utilizar un centelleador con dos fotomultiplicadores incluidos en el circuito de coincidencia (Fig. 5). En este caso, se produce una selección temporal de pulsos que surgen de la partícula detectada. De hecho, un destello de luz que surge en el centelleador de la partícula detectada incidirá simultáneamente en los fotocátodos de ambos fotomultiplicadores, y aparecerán simultáneamente pulsos en su salida, lo que hará que funcione el circuito de coincidencia. La partícula quedará registrada. Los impulsos de ruido en cada uno de los fotomultiplicadores aparecen independientemente unos de otros y, en la mayoría de los casos, no serán registrados por el circuito de coincidencia. Este método permite reducir el fondo intrínseco del fotomultiplicador en 2-3 órdenes de magnitud.

El número de impulsos de ruido aumenta al aumentar la tensión aplicada, al principio bastante lentamente, luego el aumento aumenta bruscamente. La razón de este fuerte aumento del fondo es la emisión de campo desde los bordes afilados de los electrodos y la aparición de un acoplamiento iónico de retroalimentación entre los últimos dinodos y el fotocátodo del fotomultiplicador.

En la zona del ánodo, donde la densidad de corriente es mayor, puede producirse incandescencia tanto del gas residual como de los materiales estructurales. El débil brillo resultante, así como la retroalimentación iónica, provoca la aparición de los llamados pulsos acompañantes, espaciados en el tiempo de los principales en 10-8 ¸10-7 segundo.

§ 4. Diseños de contadores de centelleo.

Los siguientes requisitos se aplican a los diseños de contadores de centelleo:

Mejor recogida de luz centelleante en el fotocátodo;

Distribución uniforme de luz a lo largo del fotocátodo;

Atenuación por luz de fuentes extrañas;

Sin influencia de campos magnéticos;

Estabilidad de la ganancia PMT.

Cuando se trabaja con contadores de centelleo, siempre es necesario lograr la relación más alta entre la amplitud de los pulsos de señal y la amplitud de los pulsos de ruido, lo que obliga a utilizar de manera óptima las intensidades de los destellos que ocurren en el centelleador. Normalmente, el centelleador se empaqueta en un recipiente metálico cubierto en un extremo con vidrio plano. Entre el recipiente y el centelleador hay una capa de material que refleja la luz y facilita su liberación más completa. La mayor reflectividad tiene óxido de magnesio (0,96), dióxido de titanio (0,95), yeso (0,85-0,90), también se utiliza aluminio (0,55-0,85).

Se debe prestar especial atención al embalaje cuidadoso de los centelleadores higroscópicos. Por ejemplo, el fósforo NaJ (Tl) más utilizado es muy higroscópico y cuando la humedad penetra en él se vuelve amarillo y pierde sus propiedades de centelleo.

No es necesario empaquetar los centelleadores de plástico en recipientes herméticos, pero para aumentar la captación de luz, se puede rodear el centelleador con un reflector. Todos los centelleadores sólidos deben tener una ventana de salida en uno de los extremos, la cual está conectada al fotocátodo del PMT. Puede haber una pérdida significativa de la intensidad de la luz de centelleo en la unión. Para evitar estas pérdidas, se introducen aceites bálsamo de Canadá, minerales o silicona entre el centelleador y el PMT y se crea un contacto óptico.

En algunos experimentos, por ejemplo, al realizar mediciones en el vacío, en campos magnéticos o en fuertes campos de radiación ionizante, el centelleador no se puede colocar directamente sobre el fotocátodo del PMT. En tales casos, se utiliza un tubo de luz para transmitir luz desde el centelleador al fotocátodo. Como guías de luz se utilizan varillas pulidas de materiales transparentes como lucite, plexiglás, poliestireno, así como tubos de metal o plexiglás llenos de un líquido transparente. Las pérdidas de luz en una guía de luz dependen de sus dimensiones geométricas y del material. Algunos experimentos requieren el uso de guías de luz curvas.

Es mejor utilizar guías de luz con un gran radio de curvatura. Las guías de luz también permiten conectar centelleadores y fotomultiplicadores de diferentes diámetros. En este caso se utilizan tubos de luz en forma de cono. El PMT se acopla a un centelleador de líquido, ya sea a través de una guía de luz o por contacto directo con el líquido. La Figura 6 muestra un ejemplo de acoplamiento de un fotomultiplicador con un centelleador líquido. En varios modos de funcionamiento, el PMT recibe un voltaje de 1000 a 2500 v. Dado que la ganancia PMT depende en gran medida del voltaje, la fuente de corriente de suministro debe estar bien estabilizada. Además, es posible la autoestabilización.

El PMT se alimenta mediante un divisor de voltaje, que permite aplicar el potencial correspondiente a cada electrodo. El polo negativo de la fuente de alimentación está conectado al fotocátodo y a un extremo del divisor. El polo positivo del otro extremo del divisor está conectado a tierra. Las resistencias del divisor se seleccionan de tal manera que se logre el modo de funcionamiento óptimo del PMT. Para una mayor estabilidad, la corriente a través del divisor debe ser un orden de magnitud mayor que las corrientes de electrones que fluyen a través del PMT.

Arroz. 6. Conexión de un fotomultiplicador con un centelleador líquido.

1 centelleador líquido;

2- PMT;

3- cubierta protectora de luz.

Cuando el contador de centelleo funciona en modo de pulso, breve (~10-8 segundo) pulsos, cuya amplitud puede ser de varias unidades o de varias decenas de voltios. En este caso, los potenciales en los últimos dinodos pueden experimentar cambios bruscos, ya que la corriente que pasa por el divisor no tiene tiempo de reponer la carga alejada de la cascada por los electrones. Para evitar tales fluctuaciones potenciales, las últimas resistencias del divisor se derivan con condensadores. Al seleccionar los potenciales en los dinodos, se crean condiciones favorables para recoger electrones en estos dinodos, es decir Se implementa un sistema electrónico-óptico específico correspondiente al modo óptimo.

En un sistema electrón-óptico, la trayectoria de un electrón no depende del cambio proporcional de potenciales en todos los electrodos que forman este sistema electrón-óptico. Asimismo, en un multiplicador, cuando cambia el voltaje de suministro, solo cambia su ganancia, pero las propiedades ópticas del electrón permanecen sin cambios.

Con un cambio desproporcionado en los potenciales en los dinodos PMT, cambian las condiciones para enfocar los electrones en el área donde se viola la proporcionalidad. Esta circunstancia se aprovecha para autoestabilizar la ganancia del fotomultiplicador. Para ello el potencial

Arroz. 7. Parte del circuito divisor.

uno de los dínodos se mantiene constante en relación con el potencial del dínodo anterior, ya sea con la ayuda de una batería adicional o con la ayuda de un divisor estabilizado adicionalmente. La Figura 7 muestra parte del circuito divisor, donde se conecta una batería adicional entre los dínodos D5 y D6. ( Ub = 90 V). Para obtener el mejor efecto de autoestabilización, es necesario seleccionar el valor de resistencia R". Generalmente R" más R 3-4 veces.

§ 5. Propiedades de los contadores de centelleo.

Los contadores de centelleo tienen las siguientes ventajas.

Alta resolución temporal. La duración del pulso, dependiendo de los centelleadores utilizados, oscila entre 10-6 y 10-9. segundo, aquellos. varios órdenes de magnitud menor que la de los contadores con autodescarga, lo que permite velocidades de conteo mucho más altas. Otra característica temporal importante de los contadores de centelleo es el pequeño retraso del pulso después de que la partícula detectada pasa a través del fósforo (10-9 -10-8 segundo). Esto permite el uso de esquemas de coincidencia con tiempo de resolución corto (<10-8segundo) y, por lo tanto, realizar mediciones de coincidencia bajo cargas mucho mayores en canales individuales con un pequeño número de coincidencias aleatorias.

Alta eficiencia de registro gramo -rayos y neutrones. Para registrar un cuanto g o un neutrón, es necesario que reaccionen con la sustancia detectora; en este caso, la partícula cargada secundaria resultante debe ser registrada por el detector. Evidentemente, cuanta más sustancia haya en el camino de los rayos g o de los neutrones, mayor será la probabilidad de su absorción y mayor será la eficacia de su registro. Actualmente, cuando se utilizan centelleadores de gran tamaño, se logra una eficiencia de detección de rayos g de varias decenas de por ciento. La eficiencia de detectar neutrones con centelleadores con sustancias especialmente introducidas (10 V, 6 Li, etc.) también supera con creces la eficiencia de detectarlos utilizando contadores de descarga de gas.

Posibilidad de análisis energético de la radiación registrada. De hecho, para partículas cargadas de luz (electrones), la intensidad del destello en un centelleador es proporcional a la energía perdida por la partícula en este centelleador.

Utilizando contadores de centelleo conectados a analizadores de amplitud, es posible estudiar los espectros de electrones y rayos g. La situación es algo peor con el estudio de los espectros de partículas pesadas cargadas (partículas A, etc.), que crean una alta ionización específica en el centelleador. En estos casos, la proporcionalidad de la intensidad del destello de energía perdida no se observa en todas las energías de las partículas y aparece solo en valores de energía superiores a un cierto valor. La relación no lineal entre las amplitudes de los pulsos y la energía de las partículas es diferente para diferentes fósforos y para diferentes tipos de partículas. Esto se ilustra en los gráficos de las figuras 1 y 2.

Posibilidad de fabricar centelleadores de dimensiones geométricas muy grandes. Esto significa la posibilidad de registrar y analizar energía de partículas de muy alta energía (rayos cósmicos), así como de partículas que interactúan débilmente con la materia (neutrinos).

La posibilidad de introducir en centelleadores sustancias con las que interactúan los neutrones con una gran sección transversal. Para registrar neutrones lentos se utilizan fósforos LiJ(Tl), LiF, LiBr. Cuando los neutrones lentos interactúan con 6 Li, se produce la reacción 6 Li(n,a) 3 H, en la que se libera una energía de 4,8 Mev.

§ 6. Ejemplos de utilización de contadores de centelleo

Medición de la vida útil de los estados excitados de los núcleos. Durante la desintegración radiactiva o en diversas reacciones nucleares, los núcleos resultantes a menudo se encuentran en un estado excitado. El estudio de las características cuánticas de los estados excitados de los núcleos es una de las principales tareas de la física nuclear. Una característica muy importante del estado excitado de un núcleo es su vida útil. t. Conocer este valor permite obtener mucha información sobre la estructura del núcleo.

Los núcleos atómicos pueden estar en estado excitado durante diferentes momentos. Existen varios métodos para medir estos tiempos. Los contadores de centelleo han demostrado ser muy convenientes para medir la vida útil del nivel nuclear desde varios segundos hasta fracciones muy pequeñas de segundo. Como ejemplo del uso de contadores de centelleo, consideraremos el método de coincidencia retardada. Deje que el núcleo A (ver Fig. 10) se transforme en un núcleo mediante la desintegración b. EN en estado excitado, que cede su exceso de energía a la emisión secuencial de dos g-cuantos (g1,g2). Se requiere determinar la vida útil del estado excitado. I. Se instala una preparación que contiene el isótopo A entre dos contadores con cristales de NaJ(Tl) (Fig. 8). Los pulsos generados en la salida PMT se alimentan a un circuito de coincidencia rápida con un tiempo de resolución de ~10-8 -10-7 segundo. Además, los pulsos se envían a amplificadores lineales y luego a analizadores de amplitud. Estos últimos están configurados de tal forma que transmiten impulsos de una determinada amplitud. Para nuestro propósito, es decir con el fin de medir el nivel de vida útil I(ver Fig. 10), analizador de amplitud AAI solo deben pasar pulsos correspondientes a la energía de los cuantos g1 y el analizador AAII - g2 .

Fig.8. Diagrama esquemático para determinar.

Vida útil de los estados excitados de los núcleos.

A continuación, los pulsos de los analizadores, así como del circuito de coincidencia rápida, se alimentan al lento (t~10-6 segundo) patrón de triple coincidencia. El experimento estudia la dependencia del número de coincidencias triples del valor del retardo del pulso incluido en el primer canal del circuito de coincidencia rápida. Normalmente, el pulso se retrasa utilizando la llamada línea de retardo variable LZ (Fig. 8).

La línea de retardo debe conectarse exactamente al canal en el que se detecta el cuántico g1, ya que se emite antes que el cuántico g2. Como resultado del experimento, se construye una gráfica semilogarítmica de la dependencia del número de coincidencias triples con el tiempo de retardo (Fig. 9), y a partir de esto se determina la vida útil del nivel excitado. I(igual que cuando se determina la vida media usando un solo detector).

Utilizando contadores de centelleo con un cristal de NaJ(Tl) y el esquema de coincidencia rápido-lento considerado, es posible medir tiempos de vida de 10-7 -10-9 segundo. Si utiliza centelleadores orgánicos más rápidos, puede medir vidas más cortas de estados excitados (hasta 10-11 segundo).

Fig.9. Dependencia del número de coincidencias del valor del retraso.

Detección de defectos gamma. La radiación nuclear, que tiene un gran poder de penetración, se utiliza cada vez más en tecnología para detectar defectos en tuberías, rieles y otros grandes bloques metálicos. Para estos fines se utilizan una fuente de radiación g y un detector de rayos g. El mejor detector en este caso es un contador de centelleo, que tiene una alta eficiencia de registro. La fuente de radiación se coloca en un recipiente de plomo, del que sale un haz estrecho de rayos G a través de un orificio del colimador, iluminando la tubería. Se instala un contador de centelleo en el lado opuesto de la tubería. La fuente y el contador están colocados sobre un mecanismo móvil que les permite moverse a lo largo de la tubería y también girarlos alrededor de su eje. Al atravesar el material de la tubería, el haz de rayos G será parcialmente absorbido; si la tubería es homogénea, la absorción será la misma en todas partes y el contador siempre registrará el mismo número (en promedio) de cuantos g por unidad de tiempo, pero si hay una cáscara en algún lugar de la tubería, entonces g -Los rayos se absorberán menos en este lugar y la velocidad de conteo aumentará. Se revelará la ubicación del fregadero. Hay muchos ejemplos de ese uso de contadores de centelleo.

Detección experimental de neutrinos. Los neutrinos son las partículas elementales más misteriosas. Casi todas las propiedades de los neutrinos se obtienen a partir de datos indirectos. La teoría moderna de la desintegración b supone que la masa del neutrino mn es cero. Algunos experimentos sugieren que... El giro del neutrino es 1/2, momento magnético<10-9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (n-частица). При электронном распадеиспускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

La creación de reactores nucleares, en los que se forman un gran número de núcleos con un exceso de neutrones, ha generado esperanzas de detectar antineutrinos. Todos los núcleos ricos en neutrones se desintegran con la emisión de electrones y, en consecuencia, antineutrinos. Cerca de un reactor nuclear con una potencia de varios cientos de miles de kilovatios, el flujo de antineutrinos es 1013 cm -2 · segundo-1- un flujo de enorme densidad, y eligiendo un detector de antineutrinos adecuado se podría intentar detectarlos. Raines y Cowan hicieron un intento de este tipo en 1954. Los autores utilizaron la siguiente reacción:

norte + pag ® n+e+ (1)

Las partículas producto de esta reacción son un positrón y un neutrón, que pueden registrarse.

Un centelleador líquido con un volumen de ~1 m3, con alto contenido de hidrógeno, saturado de cadmio. Los positrones que surgieron en la reacción (1) fueron aniquilados en dos cuantos g con una energía de 511 kev cada uno de ellos provocó la aparición del primer destello centelleador. El neutrón se desaceleró en unos pocos microsegundos y fue capturado por cadmio. Durante esta captura por cadmio, se emitieron varios rayos g con una energía total de aproximadamente 9 Mev. Como resultado, se produjo un segundo destello en el centelleador. Se midieron las coincidencias retardadas de los dos pulsos. Para registrar los destellos, el centelleador líquido estaba rodeado por una gran cantidad de fotomultiplicadores.

El ritmo de conteo de coincidencias retrasadas fue de tres conteos por hora. A partir de estos datos se encontró que la sección transversal de reacción (Fig. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10 -43 cm2, que está cerca del valor calculado.

Actualmente, en muchos experimentos se utilizan contadores de centelleo de líquidos de gran tamaño, en particular en experimentos para medir los flujos de rayos gamma emitidos por humanos y otros organismos vivos.

Registro de fragmentos de fisión. Los contadores de centelleo de gas han demostrado ser útiles para registrar fragmentos de fisión.

Normalmente, un experimento para estudiar la sección transversal de fisión se lleva a cabo de la siguiente manera: se aplica una capa del elemento en estudio a algún sustrato y se irradia con un flujo de neutrones. Por supuesto, cuanto más material fisionable se utilice, más eventos de fisión ocurrirán. Pero como normalmente las sustancias fisibles (por ejemplo, los elementos transuránicos) son emisores de a, su uso en cantidades significativas se vuelve difícil debido al gran fondo de partículas a. Y si los eventos de fisión se estudian utilizando cámaras de ionización pulsada, entonces es posible superponer pulsos de partículas a a pulsos que surgen de fragmentos de fisión. Sólo un dispositivo con mejor resolución temporal permitirá utilizar grandes cantidades de material fisionable sin superponer pulsos entre sí. En este sentido, los contadores de centelleo de gas tienen una ventaja significativa sobre las cámaras de ionización pulsada, ya que la duración del pulso de estas últimas es 2-3 órdenes de magnitud mayor que la de los contadores de centelleo de gas. Las amplitudes de los pulsos de los fragmentos de fisión son mucho mayores que las de las partículas a y, por lo tanto, pueden separarse fácilmente utilizando un analizador de amplitud.

Una propiedad muy importante de un contador de centelleo de gases es su baja sensibilidad a los rayos g, ya que la aparición de partículas pesadas cargadas suele ir acompañada de un intenso flujo de rayos g.

Cámara luminiscente. En 1952, los físicos soviéticos Zavoisky y otros fueron los primeros en fotografiar rastros de partículas ionizantes en sustancias luminiscentes utilizando sensibles convertidores electrón-ópticos (COE). Este método de detección de partículas, llamado cámara fluorescente, tiene una alta resolución temporal. Los primeros experimentos se llevaron a cabo utilizando un cristal de CsJ(Tl).

Más tarde, se utilizaron centelleadores de plástico en forma de varillas largas y delgadas (hilos) para fabricar una cámara luminiscente. Los hilos se apilan en filas de modo que los hilos en dos filas adyacentes estén ubicados en ángulo recto entre sí. Esto brinda la posibilidad de observación estereoscópica para reconstruir la trayectoria espacial de las partículas. Las imágenes de cada uno de los dos grupos de filamentos mutuamente perpendiculares se envían a convertidores electrónicos-ópticos separados. Los hilos también desempeñan el papel de guías de luz. La luz la dan únicamente aquellos hilos que atraviesa la partícula. Esta luz sale por los extremos de los hilos correspondientes, que son fotografiados. Los sistemas se fabrican con diámetros de roscas individuales de 0,5 a 1,0. mm.

Literatura :

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Editorial de la Universidad de Leningrado, 1970.

5 G.S. Landsberg. Libro de texto elemental de física (volumen 3), M., Nauka, 1971

contador de centelleo, un dispositivo para registrar radiación nuclear y partículas elementales (protones, neutrones, electrones, cuantos g, mesones, etc.), cuyos elementos principales son una sustancia que brilla bajo la influencia de partículas cargadas (centelleador), y tubo fotomultiplicador (FUE). Las observaciones visuales de destellos luminosos (centelleos) bajo la influencia de partículas ionizantes (partículas A, fragmentos de fisión nuclear) fueron el principal método de la física nuclear a principios del siglo XX. (cm. espintariscopio ). Posteriormente S. s. fue completamente suplantado cámaras de ionización Y contadores proporcionales. Su regreso a la física nuclear se produjo a finales de los años 40, cuando se utilizaron fotomultiplicadores multietapa de alta ganancia, capaces de detectar destellos de luz extremadamente débiles, para registrar centelleos.

Principio de funcionamiento de S. s. es el siguiente: una partícula cargada que pasa a través de un centelleador, junto con la ionización de átomos y moléculas, los excita. Al regresar al estado no excitado (base), los átomos emiten fotones (ver. Luminiscencia ). Los fotones que golpean el cátodo PMT eliminan electrones (ver. Emisión de fotoelectrones ), Como resultado, aparece un pulso eléctrico en el ánodo del fotomultiplicador, que se amplifica y registra aún más (ver Fig. arroz. ). La detección de partículas neutras (neutrones, rayos gamma) se produce a través de partículas cargadas secundarias formadas durante la interacción de neutrones y rayos gamma con átomos centelleadores.

Como centelleadores se utilizan diversas sustancias (sólidas, líquidas, gaseosas). Se han generalizado los plásticos fáciles de fabricar, procesados mecánicamente y que producen un brillo intenso. Una característica importante de un centelleador es la fracción de la energía de la partícula detectada que se convierte en energía luminosa (eficiencia de conversión h). Los centelleadores cristalinos tienen los valores h más altos: NaI, Tl activado, antraceno y ZnS. Otra característica (antigua) importante es el tiempo de emisión t, que está determinado por la vida útil en niveles excitados. La intensidad del resplandor tras el paso de la partícula cambia exponencialmente: , Dónde I 0 - intensidad inicial. Para la mayoría de los centelleadores, t se encuentra en el rango 10 –9 - 10 –5 segundo. Los plásticos tienen tiempos de brillo cortos (Tabla 1). Cuanto menor sea t, más rápida será la S. de acción.

Para que un PMT registre un destello de luz, es necesario que el espectro de emisión del centelleador coincida con la región espectral de sensibilidad del fotocátodo del PMT y que el material centelleador sea transparente a su propia radiación. Para registro neutrones lentos Al centelleador se le añade Li o B. Para detectar neutrones rápidos se utilizan centelleadores que contienen hidrógeno (ver. Detectores de neutrones ). Para la espectrometría de cuantos g y electrones de alta energía, se utiliza Nal (Tl), que tiene una alta densidad y un alto número atómico efectivo (ver. Radiación gamma ).

S.s. se fabrican con centelleadores de diferentes tamaños - volúmenes de 1-2 milímetros 3 a 1-2 metro 3 . Para no “perder” la luz emitida es necesario un buen contacto entre el fotomultiplicador y el centelleador. En S. s. un pequeño centelleador está pegado directamente al fotocátodo del fotomultiplicador. Todos los demás lados están cubiertos con una capa de sustancia reflectante (por ejemplo, MgO, TiO 2). En S. s. uso de gran tamaño guías de luz (generalmente hecho de vidrio orgánico pulido).

Los fotomultiplicadores destinados a fotomultiplicadores fotovoltaicos deben tener una alta eficiencia del fotocátodo (hasta 2,5%), una alta ganancia (10 8 -10 8) y un corto tiempo de recolección de electrones (~ 10 -8 segundo) con alta estabilidad de este tiempo. Esto último permite alcanzar S. resolución temporal. £10 –9 segundo. La alta ganancia del fotomultiplicador, junto con un bajo nivel de ruido intrínseco, permite registrar los electrones individuales eliminados del fotocátodo. La señal en el ánodo PMT puede alcanzar 100 v.

Mesa 1.- Características de algunos centelleadores sólidos y líquidos,

utilizado en contadores de centelleo

Sustancia	Densidad, gramos/cm3	Tiempo de iluminación, t, 10 -9 segundo.	Eficiencia de conversión h, % (para electrones)
Cristales
Antraceno C 14 H 10
Estilbeno C 14 H 12



Líquidos
Solución R-terfenilo en xileno (5 g/l) con la adición de POPOP 1 (0,1 g/l)
Solución R-terfenilo en tolueno (4 g/l) con la adición de POPOP (0,1 g/l)
Plástica
Poliestireno con agregado R-terfenilo (0,9%) y a-NPO 2 (0,05%)
Poliviniltolueno con la adición de 3,4%. R-terfenilo y 0,1% en peso de POPOP

1 POPOR - 1,4-di-benceno. 2 NPO - 2-(1-naftil)-5-feniloxazol.

Ventajas del sistema: alta eficiencia de registro de diversas partículas (casi el 100%); actuación; la capacidad de fabricar centelleadores de diferentes tamaños y configuraciones; Alta confiabilidad y costo relativamente bajo. Gracias a estas cualidades, S. s. ampliamente utilizado en física nuclear, física de partículas y rayos cósmicos, en la industria (vigilancia radiológica), dosimetria, radiometria, geología, medicina, etc. Desventajas de S. s.: baja sensibilidad a partículas de baja energía (£ 1 kev), resolución de baja energía (ver espectrómetro de centelleo ).

Estudiar partículas cargadas de bajas energías (< 0,1 mev) y fragmentos de fisión nuclear, los gases se utilizan como centelleadores (Tabla 2). Los gases tienen una dependencia lineal de la magnitud de la señal de la energía de las partículas en un amplio rango de energía, la velocidad de acción y la capacidad de cambiar el poder de frenado cambiando la presión. Además, la fuente se puede introducir en el volumen del centelleador de gases. Sin embargo, los centelleadores de gas requieren una alta pureza del gas y un PMT especial con ventanas de cuarzo (una parte importante de la luz emitida se encuentra en la región ultravioleta).

Mesa 2.- Características de algunos gases utilizados como

centelleadores en contadores de centelleo (a una presión de 740 milímetros

rt. Arte., para partículas a con energía 4,7 mev)

Tiempo de iluminación t,	Longitud de onda en el máximo del espectro,	Eficiencia de conversión n, %

Iluminado.: Birke J., Contadores de centelleo, traducción (traducción) del inglés (inglés), M., 1955; Kalashnikova V.I., Kozodaev M.S., Detectores de partículas elementales, en el libro: Métodos experimentales de física nuclear, M., 1966; Ritson D., Métodos experimentales en física de altas energías, traducción (traducción) del inglés (inglés), M., 1964.

V. S. Kaftanov.

Circuito contador de centelleo: los cuantos de luz (fotones) “eliminan” los electrones del fotocátodo; Al pasar de un dínodo a otro, la avalancha de electrones se multiplica.