Contadores de centelleo

En un contador de centelleo, el registro de una partícula cargada está asociado con la excitación de átomos y moléculas a lo largo de su trayectoria. Los átomos excitados, que viven por un corto tiempo, pasan al estado fundamental y emiten radiación electromagnética. En una serie de sustancias transparentes, denominadas fósforos o fósforos, parte del espectro de esta radiación incide sobre la región luminosa. El paso de una partícula cargada a través de tal sustancia provoca un destello de luz. Para aumentar la salida de luz y reducir su absorción en fósforo, se le añaden los llamados activadores. El tipo de activador se indica entre paréntesis después de la designación de fósforo. Por ejemplo, un cristal de NaI activado con talio se denomina NaI(Tl).

El impacto de una partícula cargada rápidamente en fósforo provoca un destello de luz: centelleo. Este último se convierte en impulso electrico y se amplifica 10 5 -10 6 veces por un multiplicador fotoeléctrico (PMT). Una combinación similar de dos elementos, fósforo y PMT, se usa en contadores de centelleo(Figura 5.7).

Arroz. 5.7. diagrama de circuito contador de centelleo

1 – cristal de NaI; 2 – fotocátodo; 3 – lente electrónica de enfoque;

4 - emisores (dínodos); 5 - ánodo

El registro de los cuantos γ en un contador de centelleo se produce debido a los electrones y positrones secundarios, que se forman durante la absorción de los cuantos γ por el fósforo. Dado que los fósforos tienen una buena transparencia óptica, lo que garantiza la recolección de luz en el fotocátodo PMT de un volumen significativo de fósforo, los fósforos se pueden usar para detectar γ-quanta. grueso. Esto proporciona una alta eficiencia de registro de γ-quanta por un contador de centelleo, que es un orden de magnitud o más superior a la eficiencia de los contadores llenos de gas.

Fotomultiplicadores consisten en un fotocátodo, electrodos multiplicadores (dínodos) y un ánodo (ver Fig. 5.7). El potencial de cada electrodo posterior en algún valor (alrededor de 10 V) excede el potencial del anterior, lo que asegura la aceleración de los electrones entre ellos. Los fotones que llegan desde el fósforo al fotocátodo eliminan varias decenas o cientos de electrones del mismo, que son enfocados y acelerados por el campo eléctrico y bombardean el primer dínodo. Al frenar en un dínodo, cada electrón acelerado elimina hasta 5-10 electrones secundarios. Tal proceso, repitiéndose en cada dínodo subsiguiente, asegura la multiplicación de electrones hasta muchos millones de veces.

Los contadores de centelleo en geología nuclear y geofísica se utilizan para registrar los cuantos γ , más raro que los neutrones y las partículas β. Al registrar partículas cargadas pesadas, existe la dificultad de asegurar su entrada en el fósforo. Por lo tanto, para registrar partículas α, se utilizan con mayor frecuencia cámaras de ionización o contadores finales. Solo para registrar la actividad α de la emanación, se usa ampliamente una cámara de centelleo, cuyas paredes internas están recubiertas con ZnS (Ag) .

Debido a la emisión termoiónica del fotocátodo y los primeros dínodos, surge una cierta corriente oscura a la salida incluso de un PMT completamente oscurecido, que crea pequeños pulsos de fondo. Para cortarlos, se introducen discriminadores en el esquema de registro.

Características de uso contadores de centelleo para espectrometría de radiación γ. Al registrar γ-quanta con un contador de centelleo, la amplitud del pulso en su salida es proporcional a la energía del electrón y el positrón formados durante la interacción del cuanto con el centelleador. Si durante el efecto fotoeléctrico la energía de un fotoelectrón es igual a la energía de un cuanto (menos un pequeño valor - la energía de enlace PARA-electrón), entonces solo una parte de la energía cuántica se transfiere al electrón durante la dispersión Compton y al par electrón-positrón en el efecto de formación de pares. Con el efecto Compton, dependiendo del ángulo de dispersión del γ-quantum, la energía de un electrón puede variar en un amplio rango (Fig. 5.8.), Y con el efecto de formación de pares, la energía cinética de un par es 1.02 MeV menos que la energía de un cuanto.

Arroz. 5.8. Diagrama simplificado de distribución de energía de secundaria.

electrones en el fósforo con: a - efecto fotoeléctrico, b - dispersión Compton,

c - formación de parejas; N es el número de pulsos, E es la energía de los electrones secundarios.

Como resultado, el espectro de energía de las partículas secundarias formadas en el centelleador por un haz monocromático de rayos γ tiene una forma compleja. La aparición de líneas adicionales E v = 0,51 MeV y E y con el efecto de formación de pares debido al hecho de que en algunos casos uno o incluso ambos γ-quanta con una energía de 0,51 MeV, formados durante la aniquilación del positrón, son absorbidos en el centelleador como resultado del efecto fotoeléctrico y el El destello de estos fotoelectrodos se fusiona con el destello del par electrón-positrón primario. Energía máxima de un electrón Compton

. (5.17)

La distribución de amplitud real de los pulsos en la salida del PMT es más difusa que el espectro de electrones de la Fig. 5.8 debido a la naturaleza estadística de los procesos en fósforo y PMT. No es discreto, sino continuo. En la figura 5.9 se muestra un espectro instrumental típico del isótopo 24 Na (E Y = 1,38 y 2,76 MeV).

Para la línea de 1,38 MeV, la contribución del efecto de producción de pares es despreciable y los picos correspondientes son casi imperceptibles, solo se forma un pico de 1,38 MeV debido al efecto fotoeléctrico, así como un pico Compton menos marcado con una energía de 1,17 MeV. . Para la línea de 2,76 MeV se observan tres picos con energías de 1,74, 2,25 y 2,76 MeV. Los dos primeros picos se deben al efecto de formación de pares, y el último pico (2,76 MeV) se debe a tres procesos: el efecto fotoeléctrico, efecto de formación de pares, acompañado de la absorción de ambos cuantos de aniquilación; Efecto Compton, cuando el cuanto disperso también es absorbido por el fósforo como resultado del efecto fotoeléctrico. En los tres procesos, toda la energía de un cuanto se convierte en energía luminosa. Por lo tanto, este pico se llama pico de absorción total.

La forma del pico de absorción total está cerca de una curva de Gauss. Actitud μ=ΔE/E pico de medio ancho ΔЕ a la mitad de su altura a la energía promedio mi llamado resolución de amplitud encimera. Lo menos μ, mejor es el espectrómetro. Sentido μ generalmente aumenta con la disminución de la energía y para buenos espectrómetros de centelleo en E v= 1,33 MeV (60 Co) es 6%.

Los contadores de centelleo proporcionan una eficiencia de registro de los cuantos γ mucho mayor (hasta un 30-50 % o más) que los contadores de descarga de gas y permiten estudiar la composición espectral de la radiación. Las ventajas de los contadores de centelleo también incluyen un nivel más bajo de fondo propio y cósmico.

Arroz. 5.9. Espectro instrumental de radiación γ, que contiene líneas

con energías de 1,38 y 2,76 MeV.

Sin embargo, los contadores de centelleo son más complejos y requieren un mantenimiento más especializado que los contadores de descarga. Esto se debe a la gran influencia de la temperatura en la salida de luz de los fósforos, los requisitos incomparablemente más altos para la estabilización de la fuente de energía y también el cambio más fuerte en las características de los contadores de centelleo a lo largo del tiempo.

1.1 Cómo funciona un contador de centelleo

Un contador de centelleo es una combinación de un centelleador (fósforo) y un tubo fotomultiplicador (PMT). El paquete de contador también incluye una fuente de alimentación de PMT y un equipo de radio que proporciona amplificación y registro de pulsos de PMT. A veces, la combinación de fósforo con un fotomultiplicador se produce a través de un sistema óptico especial (guía de luz).

El principio de funcionamiento de un contador de centelleo es el siguiente: una partícula cargada, al pasar por un centelleador, los excita junto con la ionización de átomos y moléculas. Volviendo 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 fotomultiplicador.

El fotomultiplicador es un cilindro de vidrio evacuado a una presión residual de no más de 10-6 mm Hg. Art., al final del cual hay una ventana plana transparente, en cuya superficie, desde el lado del volumen evacuado, una capa delgada de una sustancia con una función de trabajo de electrones baja (fotocátodo), generalmente a base de antimonio y cesio, se deposita. Además, en el espacio evacuado, hay una serie de electrodos, dinodos, a los que, con la ayuda de un divisor de voltaje, se suministra una diferencia de potencial cada vez mayor desde la fuente de alimentación. Los dinodos PMT están hechos de materia también con una función de trabajo de electrones baja. Cuando son bombardeados con electrones, son capaces de emitir electrones secundarios en cantidades varias veces mayores que la cantidad de electrones primarios. El último dínodo es el ánodo PMT. El parámetro principal del PMT es la ganancia para un determinado modo de potencia. Normalmente, un PMT contiene nueve o más dínodos y la amplificación de la corriente primaria para varios multiplicadores alcanza 105 - 1010 veces, 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 caen sobre el fotocátodo PMT eliminan electrones como resultado del efecto fotoeléctrico, como resultado de lo cual aparece un pulso eléctrico en el ánodo PMT, que se amplifica 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 de analógico a digital, etc. La amplitud y la duración del pulso de salida están determinadas por las propiedades tanto del centelleador como del PMT.

En algunos casos, la salida del amplificador se observa Número grande pulsos (generalmente de pequeña amplitud) no asociados con la detección de partículas nucleares, a saber, pulsos de ruido intrínseco 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 del voltaje de umbral.

La detección de partículas neutras (neutrones, γ-quanta) ocurre por partículas cargadas secundarias formadas durante la interacción de neutrones y γ-quanta con átomos de centelleo.

El contador de centelleo consta de dos componentes, como un centelleador (fósforo) y un multiplicador de tipo fotoelectrónico. En la configuración básica, los fabricantes agregaron a este contador una fuente de energía eléctrica y equipos de radio que brindan amplificación y registro de pulsos PMT. 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 de un contador de centelleo.

caracteristicas del trabajo

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

Una partícula cargada ingresa al dispositivo, como resultado de lo cual todas las moléculas se excitan. Estos objetos se asientan 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 llegan al electrodo inicial. Esta acción ocurre debido al trabajo del llamado PMT. 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 la tensión. Además, solo aumenta su efecto inmediato. La duración del pulso y su amplitud a la salida están determinadas por las propiedades características.

¿Qué se usa en lugar de fósforo?

En este aparato, se les ocurrió el reemplazo de un elemento como el fósforo. Como regla general, los fabricantes usan:

• cristales de tipo orgánico;
• centelleadores líquidos, que también deben ser del tipo orgánico;
• centelleadores sólidos, que están hechos de plástico;
• centelleadores de gas.

Al observar los datos de sustitución de fósforo, puede ver que los fabricantes en la mayoría de los casos utilizan exclusivamente sustancias orgánicas.

Característica principal

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

En el proceso de pasar a través del centelleador de varias partículas cargadas, se produce una cierta cantidad de fotones, que transportan aquí u otra energía. Una parte bastante grande de los fotones producidos serán absorbidos y destruidos en el propio tanque. En lugar de los fotones que han sido absorbidos, se producirán otro tipo de partículas, que representarán energía de naturaleza algo menor. Como resultado de toda esta acción, aparecerán fotones, cuyas propiedades son características exclusivas del centelleador.

salida de luz

A continuación, considere el contador de centelleo y el principio de su funcionamiento. Ahora prestemos atención a la salida de luz. Este proceso también se denomina eficiencia de tipo conversión. La salida de luz es la llamada relación entre la energía que sale y la cantidad de energía de una partícula cargada que se pierde en el centelleador.

En esta acción sale exclusivamente el número medio de fotones. Esto también se llama la energía de la naturaleza media de los fotones. Cada una de las partículas presentes en el dispositivo no saca a relucir la monoenergética, sino solo el espectro como una banda continua. De hecho, es característico de de este tipo trabajo.

Es necesario prestar atención a lo más importante, porque este espectro de fotones deja de forma independiente el centelleador que conocemos. Es importante que coincida o al menos se superponga parcialmente con la característica espectral del PMT. Esta superposición de elementos de centelleo con características diferentes está determinada únicamente por un coeficiente acordado por los fabricantes.

En este coeficiente, el espectro de tipo externo, o el espectro de nuestros fotones, entra en el entorno externo de este dispositivo. Hoy existe algo llamado "eficiencia de centelleo". Es una comparación del instrumento con otros datos de PMT.

Este concepto combina varios aspectos:

• La eficiencia tiene en cuenta el número de nuestros fotones emitidos por el centelleador por unidad de energía absorbida. Este indicador también tiene en cuenta la sensibilidad del dispositivo a los fotones.
• La efectividad de este trabajo, por regla general, se evalúa comparando con la eficiencia de centelleo del centelleador, que se toma como estándar.

Varios cambios de centelleo

El principio de funcionamiento del contador de centelleo también consta del siguiente aspecto no menos importante. El centelleo puede estar sujeto a ciertos cambios. Se calculan según una ley especial.

En él, I 0 denota la intensidad máxima del centelleo que estamos considerando. En cuanto al indicador t 0, este es un valor constante y denota el tiempo de la llamada atenuación. Este decaimiento muestra el tiempo durante el cual la intensidad decrece en su valor por ciertos (e) tiempos.

También es necesario prestar atención a la cantidad de los llamados fotones. Se denota por la letra n en nuestra ley.

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 de fósforo

Como escribimos anteriormente, los contadores de centelleo funcionan sobre la base del trabajo de un elemento como el fósforo. En este elemento se 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 difieren principalmente en el tiempo. Cuando el llamado parpadeo ocurre junto con otro proceso o durante un período de tiempo del orden de 10 -8 segundos, este es el primer tipo de proceso. En cuanto al segundo tipo, aquí el intervalo de tiempo es algo mayor que en el tipo anterior. Esta discrepancia en el tiempo surge porque este intervalo corresponde a la vida de un átomo en un estado inquieto.

En general, la duración del primer proceso no depende en absoluto del índice de inquietud de tal o cual átomo, pero en cuanto a la salida de este proceso, es precisamente la excitabilidad de este elemento la que influye en esto. También vale la pena señalar el hecho de que en el caso de la inquietud de ciertos cristales, la tasa de la llamada salida es algo menor que con la fotoexcitación.

¿Qué es la fosforescencia?

Las ventajas de un contador de centelleo incluyen el proceso de fosforescencia. Bajo este concepto, la mayoría de la gente entiende solo 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 un tipo particular de trabajo. La fosforescencia de los fósforos cristalinos surge de la recombinación de electrones y huecos que han surgido durante la excitación. En ciertos objetos de fósforo, es absolutamente imposible ralentizar el proceso, ya que los electrones y sus huecos caen en las llamadas trampas. De estas mismas trampas, pueden liberarse de forma independiente, pero para ello, al igual que otras sustancias, necesitan recibir un aporte adicional de energía.

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

Características del contador

Tiene un contador de centelleo ventajas y desventajas, que consideraremos en esta sección. En primer lugar, describiremos las ventajas del dispositivo, porque hay muchas.

Los expertos distinguen un indicador bastante alto de capacidad temporal. Con el tiempo, un pulso emitido por este dispositivo no excede los diez segundos. Pero este es el caso si se utilizan ciertos dispositivos. Este contador tiene este indicador varias veces menos que sus otros análogos con descarga independiente. Esto contribuye en gran medida a su uso, porque la velocidad de conteo aumenta varias veces.

La siguiente cualidad positiva de los datos es el indicador bastante pequeño del impulso retrasado. Pero tal proceso se lleva a cabo solo después de que las partículas hayan pasado el período de registro. Esto también ahorra el tiempo directo del pulso de este tipo de dispositivos.

Además, los contadores de centelleo tienen un nivel bastante alto de registro de ciertas 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 del contador de centelleo permite que se produzca en un tamaño bastante grande. Esto contribuye al hecho de que es posible llevar a cabo el llamado análisis hermético de un flujo de energía bastante grande, que incluye rayos ultravioleta.

También es posible introducir ciertas sustancias en la composición del dispositivo, con las que los neutrones pueden interactuar bastante bien. Lo cual, por supuesto, tiene su inmediata rasgos positivos en la fabricación y uso futuro de un contador de esta naturaleza.

Tipo de construcción

Las contrapartículas de centelleo lo proporcionan trabajo de calidad. Los consumidores tienen los siguientes requisitos para el funcionamiento del dispositivo:

• en el llamado fotocátodo se encuentra el mejor indicador de la captación de luz;
• sobre este fotocátodo hay una distribución de luz de un tipo excepcionalmente uniforme;
• las partículas innecesarias en el dispositivo se oscurecen;
• los campos magnéticos no tienen absolutamente ningún efecto en todo el proceso del portador;
• coeficiente en este caso es estable.

Desventajas contador de centelleo tiene el más mínimo. Al realizar el trabajo, es imperativo asegurarse de que la amplitud de los tipos de pulsos de la señal corresponda a otros tipos de amplitudes.

Embalaje de mostrador

El contador de centelleo a menudo se empaqueta en un recipiente de metal con vidrio en un lado. Además, m Se coloca una capa de material especial entre el recipiente y el centelleador., que evita la entrada de los rayos ultravioleta y el calor. Sin embargo, no es necesario envasar los centelladores de plástico en recipientes herméticos. 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 contadores

Las ventajas del contador de centelleo son las siguientes:

• La sensibilidad de este instrumento está siempre en su mejor momento. nivel alto, y su efectividad directa depende directamente de esto.
• Las capacidades del instrumento incluyen una amplia gama de servicios.
• La capacidad de distinguir entre ciertas partículas utiliza solo información sobre su energía.

Es debido 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 las condiciones ambientales.

Contador de centelleo

Principio de funcionamiento y alcance

En un contador de centelleo, la radiación ionizante provoca un destello de luz en el centelleador correspondiente, que puede ser sólido o líquido. Este destello se transmite a un tubo fotomultiplicador, que lo convierte en un pulso de corriente eléctrica. El pulso de corriente se amplifica en las etapas posteriores de PMT debido a su alto coeficiente de emisión secundaria.

A pesar de que, en general, se requieren equipos electrónicos más sofisticados cuando se trabaja con contadores de centelleo, estos contadores tienen ventajas significativas sobre los contadores Geiger-Muller.

1. La eficiencia para contar rayos X y radiación gamma es mucho mayor; en circunstancias favorables, alcanza el 100%.

2. La salida de luz en algunos centelladores es proporcional a la energía de la partícula excitante o cuanto.

3. La resolución temporal es mayor.

El contador de centelleo es, por tanto, un detector adecuado para detectar radiación de baja intensidad, para analizar distribuciones de energía con requisitos de resolución no demasiado altos y para medidas de coincidencia a alta intensidad de radiación.

B) Centelleadores

1) Protones y otras partículas altamente ionizantes. Si hablamos únicamente del registro de estas partículas, todos los tipos de centelladores son igualmente adecuados y, debido a su alto poder de frenado, son suficientes capas con un espesor del orden de un milímetro e incluso menos. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la salida de luz de los protones y las partículas β en los centelleadores orgánicos es solo alrededor de 1/10 de la salida de luz de los electrones de la misma energía, mientras que en los centelleadores inorgánicos de ZnS y NaJ ambos son del mismo tipo. la misma orden.

La relación entre la energía de los destellos de luz y la magnitud de los pulsos asociados a ella, así como la energía de las partículas transferidas al centelleador, para sustancias orgánicas es, en general, no lineal. Sin embargo, para ZnS 1 NaJ y CsJ, esta dependencia es casi lineal. Debido a su buena transparencia a su propia radiación fluorescente, los cristales de NaJ y CsJ brindan una excelente resolución de energía; Sin embargo, se debe tener cuidado para asegurarse de que la superficie a través de la cual las partículas ingresan al cristal esté muy limpia.

2) Neutrones. Los neutrones lentos se pueden detectar utilizando las reacciones Li6Hs, B10Li" o CdlisCd114. Como centelleadores para este propósito, se depositan cristales individuales de LiJ, mezclas de polvo, por ejemplo, 1 parte en peso de B 2 O 3 y 5 partes en peso de ZnS, directamente sobre el Ventana PMT; también se puede aplicar

Diagrama de bloques de un espectrómetro de centelleo. 1 - centelleador, 2 - PMT, h - fuente de alto voltaje, 4 - seguidor de cátodo, e - amplificador lineal, 6 - analizador de pulso de amplitud, 7 - dispositivo de grabación.

ZnS suspendido en B 2 O 3 fundido, los correspondientes compuestos de boro en centelleadores sintéticos y mezclas de metilborato o propionato de cadmio con centelleadores líquidos. Si es necesario excluir el efecto de la radiación z en las mediciones de neutrones, entonces en aquellas reacciones que provocan la emisión de partículas pesadas, se debe tener en cuenta la relación anterior para la salida de luz de varios centelleadores, según el tipo de partículas. cuenta.

Los neutrones rápidos se detectan utilizando protones de retroceso producidos en sustancias que contienen hidrógeno. Dado que solo se produce un alto contenido de hidrógeno en centelleadores orgánicos, es difícil reducir el efecto de la radiación γ debido a las razones anteriores. Los mejores resultados se obtienen si el proceso de formación de protones de retroceso se separa de la excitación del centelleador mediante rayos r. En este caso, la capa de este último debe ser fina, estando determinado su espesor por el alcance de los protones de retroceso, de modo que la probabilidad de detectar radiación z se reduzca sustancialmente. En este caso, es preferible utilizar ZnS como centelleador. También es posible suspender ZnS en polvo en una sustancia artificial transparente que contenga hidrógeno.

Es casi imposible estudiar el espectro de energía de los neutrones rápidos utilizando centelleadores. Esto se explica por el hecho de que la energía de los protones de retroceso puede tomar todo tipo de valores, hasta la energía total de los neutrones, dependiendo de cómo se produzca la colisión.

3) Electrones, p-partículas. Como para otros tipos de radiación, la resolución energética del centelleador para electrones depende de la relación entre la energía luminosa y la energía transferida al centelleador por la partícula ionizante. Esto se debe a que la semianchura de la curva de distribución de valores de cantidad de movimiento provocada por partículas monoenergéticas incidentes, debido a fluctuaciones estadísticas, en primera aproximación es inversamente proporcional a raíz cuadrada del número de fotoelectrones eliminados del fotocátodo fotomultiplicador. De los centelleadores utilizados actualmente, el NaJ 1 da las mayores amplitudes de pulso y, para los centelleadores orgánicos, el antraceno, que, en igualdad de condiciones, da pulsos de aproximadamente dos veces menos amplitud que el NaJ.

Dado que las secciones efectivas de dispersión de electrones aumentan fuertemente con el aumento del número atómico, cuando se usa NaJ, el 80-90% de todos los electrones incidentes se dispersan nuevamente del cristal; cuando se usa antraceno, este efecto alcanza aproximadamente el 10%. Los electrones dispersos provocan impulsos cuya magnitud es menor que el valor correspondiente a la energía total de los electrones. Como resultado, es muy difícil cuantificar los espectros β obtenidos con cristales de NaJ. Por lo tanto, para la espectroscopia β suele ser más conveniente utilizar centelleadores orgánicos, que consisten en elementos con números atómicos bajos.

La retrodispersión también se puede debilitar mediante los siguientes métodos. La sustancia cuya radiación β se va a investigar se mezcla con el centelleador si no suprime la radiación fluorescente, o se coloca entre dos superficies de centelleadores cuya fluorescencia Iryny 1 Ienne actúa sobre el fotocátodo o, finalmente, se utiliza un centelleador con un canal interno en el que pasa en la radiación.

La dependencia entre la energía luminosa y la energía transferida al centelleador por radiación es lineal para el NaJ. Para todos los centelleadores orgánicos, esta relación disminuye a bajas energías electrónicas. Esta no linealidad debe tenerse en cuenta al cuantificar los espectros.

4) Rayos X y radiación gamma. Proceso de interacción radiación electromagnética con un centelleador consta principalmente de tres procesos elementales.

En el efecto fotoeléctrico, la energía de un cuanto se convierte casi por completo en la energía cinética de un fotoelectrón y, debido al corto alcance del fotoelectrón, en la mayoría de los casos es absorbida por el centelleador. El cuanto secundario correspondiente a la energía de enlace del electrón es absorbido por el centelleador o lo abandona.

En el efecto Compton, solo una parte de la energía cuántica se transfiere al electrón. Esta parte es absorbida con alta probabilidad en el centelleador. El fotón dispersado, cuya energía ha disminuido en una cantidad igual a la energía del electrón Compton, es también es absorbido por el centelleador o lo deja.

Durante la formación de pares, la energía del cuanto primario, menos la energía de formación del par, pasa a la energía cinética de este par y es absorbida principalmente por el centelleador. La radiación generada durante la aniquilación de un electrón y un positrón se absorbe en el centelleador o sale de él.

La dependencia energética de las secciones efectivas para estos procesos es tal que, a bajas energías fotónicas, se produce principalmente el efecto fotoeléctrico; A partir de una energía de 1,02 Mae, se puede observar la formación de pares, pero la probabilidad de este proceso alcanza un valor apreciable sólo a energías significativamente más altas. En la región intermedia, el efecto Compton juega el papel principal.

Con un aumento del número atómico Z, las secciones efectivas para el efecto fotoeléctrico y para la formación de pares aumentan mucho más que con el efecto Compton. Sin embargo, en este caso, el electrón se transfiere:

1) con el efecto fotoeléctrico, - además de la energía del cuanto, que se convierte en la energía del electrón ya durante el efecto primario, todavía existe solo la energía de enlace del fotoelectrón, que corresponde a la radiación secundaria, suave y fácilmente absorbido;

2) en la formación de pares: solo radiación de aniquilación con una energía discreta conocida. Con el efecto Compton, la energía de los electrones secundarios y los cuantos dispersos tiene un amplio rango de valores posibles. Dado que, como ya se mencionó, los cuantos secundarios pueden no experimentar absorción y abandonar el centelleador, para facilitar la interpretación de los espectros, es conveniente reducir en la medida de lo posible la región en la que predomina el efecto Komhtohj eligiendo centelleadores con H grande, por ejemplo, NaJ Además, la relación energía de la luz a la energía transferida al centelleador para NaJ es prácticamente independiente de la energía de los electrones, por lo tanto, en todos los procesos complejos en los que se absorben cuantos, se libera la misma cantidad de luz. Estos procesos complejos ocurren con mayor probabilidad cuanto mayor sea el tamaño del centelleador.

Atenuación de rayos gamma en antraceno, u - coeficiente de atenuación; f es el coeficiente de fotoabsorción, a es el coeficiente de dispersión de Compton, p es el coeficiente de formación de pares.

El método de detección de partículas cargadas mediante el conteo de destellos de luz que ocurren cuando estas partículas golpean una pantalla de sulfuro de zinc (ZnS) se considera uno de los primeros métodos para detectar radiación nuclear.

Este método es el siguiente.

Los centelleos de destello son destellos de luz individuales de corta duración que se pueden ver a través de una lupa detrás de la superficie de una pantalla de sulfuro de zinc irradiada con partículas a. Cada una de estas aromatizaciones es creada por una partícula a separada que golpea la pantalla. Estos fenómenos fueron descubiertos por primera vez en 1903 por Crookes y otros. Para poder contar partículas a, Crookes inventó un instrumento llamado espintaroscopio de Crookes.

Posteriormente, el método de centelleo visual se utilizó principalmente para detectar partículas a y protones con una energía de varios millones de electronvoltios que no podían registrarse. Dado que los electrones rápidos individuales provocan centelleos muy débiles, no se pudieron registrar.

El hecho de que los rayos gamma no provoquen ningún destello en la pantalla, creando solo un brillo general, hizo posible registrar partículas a en presencia de una fuerte radiación g.

Solo cuando un número suficientemente grande de electrones cayó simultáneamente sobre el mismo cristal de sulfuro de zinc, se observaron destellos cuando la pantalla de sulfuro de zinc se irradió con electrones.

El método de centelleo es subjetivo y los resultados dependen en cierta medida de las cualidades individuales del experimentador, pero permite registrar un número muy pequeño de partículas por unidad de tiempo. Las mejores condiciones para el contaje se obtienen centelleos cuando su número oscila entre 20 y 40 por minuto.

Usando el método de centelleo visual, Rutherford registró partículas a a medida que eran dispersadas por los átomos, estos experimentos llevaron a Rutherford al descubrimiento del núcleo. Por primera vez, el método visual hizo posible detectar protones rápidos eliminados de los núcleos de nitrógeno cuando se bombardean con partículas a, es decir, primera fisión artificial del núcleo. Por lo tanto, a pesar de las deficiencias, el método de centelleo visual desempeñó un papel muy importante en el desarrollo de la física nuclear y atómica y tuvo gran importancia hasta los años treinta, hasta que la aparición de nuevos métodos de registro de la radiación nuclear hizo que los investigadores lo olvidaran durante un tiempo.

A fines de los años 40 del siglo XX, el método de registro de centelleo se revivió sobre una nueva base. Para entonces, se habían desarrollado tubos fotomultiplicadores (PMT) que permitían registrar destellos de luz muy débiles. Se crearon contadores de centelleo, con la ayuda de los cuales es posible aumentar la tasa de conteo en un factor de 108 e incluso más en comparación con el método visual, y también es posible registrar y analizar en términos de energía tanto partículas cargadas como neutrones y rayos g.

La combinación de un centelleador (fósforo) y un tubo fotomultiplicador (PMT), una fuente de alimentación eléctrica para el PMT y un equipo de radio que proporciona amplificación y registro de pulsos de PMT se denomina contador de centelleo. A veces, la combinación de fósforo con un fotomultiplicador se produce a través de un sistema óptico especial (guía de luz).

Como en la centelleación se utilizan contadores:

• centelleadores orgánicos líquidos,
• centelleadores de plástico duro,
• cristales orgánicos,
• centelleadores de gas.

Considere el principio de funcionamiento de un contador de centelleo.

Al entrar en el centelleador, la partícula cargada produce ionización y excitación de sus moléculas. Después de un tiempo muy corto (10 -6 - 10 -9 seg ) estas moléculas entran en un estado estable mediante la emisión de fotones: se produce un destello de luz (centelleo). Algunos de los fotones golpean el fotocátodo del PMT y eliminan fotoelectrones que, bajo la acción del voltaje aplicado al PMT, son enfocados y dirigidos al primer electrodo (dínodo) del multiplicador de electrones. Como resultado de la emisión de electrones secundarios, el número de electrones aumenta como una avalancha y aparece un pulso de voltaje en la salida del PMT, que es amplificado y registrado por un equipo de radio.

Las propiedades tanto del centelleador como del PMT determinan la amplitud y la duración del pulso de salida.

Es necesario 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 exterior con la respuesta espectral. de este PMT está determinado por el coeficiente de coincidencia

donde es el espectro externo del centelleador o el espectro de fotones que salen del centelleador.

4) Eficiencia de centelleo.

Al comparar centelleadores combinados con datos de PMT, se introduce el concepto de eficiencia de centelleo, que tiene en cuenta el número de fotones emitidos por el centelleador por unidad de energía absorbida y la sensibilidad de un PMT dado a estos fotones y se determina mediante la siguiente expresión :

En la práctica, la eficiencia de centelleo de un centelleador determinado se determina por comparación con la eficiencia de centelleo de un centelleador tomado como referencia.

5) Intensidad de centelleo.

La intensidad del centelleo cambia con el tiempo de acuerdo con una ley exponencial

donde I 0 - valor máximo intensidad de centelleo; t 0 - constante de tiempo de decaimiento, definida como el tiempo durante el cual la intensidad de centelleo disminuye en mi una vez.

Número de fotones de luz norte, emitido con el tiempo t después del impacto de 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 de fósforo (luminiscencia) se dividen en dos tipos: fluorescencia (la luminiscencia se produce directamente durante la excitación o durante un intervalo de tiempo del orden de 10 -8 segundo, intervalo 10 -8 segundo elegido porque es igual en orden de magnitud al tiempo de vida de un átomo en un estado excitado para las llamadas transiciones permitidas) y fosforescencia (luminiscencia que continúa durante un tiempo considerable después de la terminación de la excitación).

Durante la recombinación de electrones y huecos que han surgido durante la excitación, se produce la fosforescencia de los fósforos cristalinos. En algunos cristales, el resplandor residual puede prolongarse debido al hecho de que los electrones y los huecos son capturados por "trampas", de las cuales pueden liberarse solo después de recibir la energía necesaria adicional. Por tanto, la dependencia de la duración de la fosforescencia con la temperatura es obvia. En el caso de moléculas orgánicas complejas, la fosforescencia está asociada a su presencia en un estado metaestable, cuya probabilidad de transición al estado fundamental puede ser pequeña. Y en este caso, se observará la dependencia de la tasa de decaimiento de la fosforescencia con la temperatura.

La duración de la fluorescencia no depende del tipo de excitación, mientras que el rendimiento de la fluorescencia depende esencialmente de ella. Por lo tanto, cuando un cristal es excitado por partículas a, el rendimiento de fluorescencia es casi un orden de magnitud menor que cuando es fotoexcitado.

Para registrar un g-quantum o un neutrón, es necesario que reaccionen con la sustancia del detector; en este caso, la partícula cargada secundaria resultante debe ser registrada por el detector. Es obvio que cuantas más sustancias se encuentren en el camino de los rayos g o de los neutrones, mayor será la probabilidad de su absorción, mayor será la eficiencia de su registro. En la actualidad, cuando se utilizan centelleadores grandes, se logra una eficiencia de detección de rayos g de varias decenas de porcentaje. La eficacia de la detección de neutrones por centelleadores con sustancias especialmente introducidas (10 V, 6 Li, etc.) también supera con creces la eficacia de la detección de neutrones por contadores de descarga de gas.

La duración del pulso, dependiendo de los centelladores utilizados, se extiende de 10 -6 a 10 -9 segundo, esos. en varios órdenes de magnitud menos que los contadores con autodescarga, lo que permite tasas de conteo mucho más altas. Otra característica temporal importante de los contadores de centelleo es el pequeño valor del retraso del pulso después del paso de la partícula registrada a través del fósforo (10 -9 -10 -8 segundo). Esto permite el uso de esquemas de coincidencia con tiempos de resolución bajos (<10 -8 segundo) y, en consecuencia, para medir coincidencias en muchas cargas grandes en canales individuales con un pequeño número de coincidencias aleatorias.

Esto significa que es posible detectar y analizar partículas energéticas de muy altas energías (rayos cósmicos), así como partículas que interactúan débilmente con la materia (neutrinos).

Los fósforos LiJ(Tl), LiF, LiBr se utilizan para detectar neutrones lentos. Cuando los neutrones lentos interactúan con 6 Li, tiene lugar la reacción 6 Li(n,a) 3 H, en la que se genera una energía de 4,8 mev.

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.

Usando contadores de centelleo conectados a analizadores de amplitud, se pueden estudiar los espectros de electrones y rayos g. La situación es algo peor con el estudio de los espectros de partículas cargadas pesadas (partículas a, etc.), que crean una gran ionización específica en el centelleador. En estos casos, la proporcionalidad de la intensidad del estallido de la energía perdida no se observa en todas las energías de las partículas y se manifiesta sólo en energías superiores a un cierto valor. La relación no lineal entre las amplitudes de pulso y la energía de la partícula es diferente para diferentes fósforos y para diferentes tipos de partículas. Esto se ilustra en los gráficos de las Figuras 1 y 2.

Para el registro de la radiación nuclear, los siguientes cristales orgánicos son los más utilizados: antraceno, estilbeno, naftaleno. El antraceno tiene una salida de luz suficientemente alta (~4%) y un tiempo de brillo corto (3 10 -8 segundo). Pero cuando se registran partículas cargadas pesadas, se observa una dependencia lineal de la intensidad de centelleo solo a energías de partículas bastante altas. Aunque el estilbeno tiene una salida de luz ligeramente menor que el antraceno, la duración de su centelleo es mucho más corta (7 10 -9 segundo), que la del antraceno, lo que posibilita su uso en aquellos experimentos donde se requiera el registro de radiaciones muy intensas.

Dado que, en comparación con las fuerzas que actúan en los cristales inorgánicos, las fuerzas de enlace molecular en los cristales orgánicos son pequeñas, las moléculas que interactúan prácticamente no perturban los niveles electrónicos de energía de cada una, y el proceso de luminiscencia de un cristal orgánico es un proceso característico de moléculas individuales.

En el estado electrónico fundamental, la molécula tiene varios niveles vibratorios. Bajo la influencia de la radiación detectada, la molécula pasa a un estado electrónico excitado, que también corresponde a varios niveles vibratorios. También son posibles la ionización y la disociación de moléculas. Como resultado de la recombinación de una molécula ionizada, generalmente se forma en un estado excitado. Una molécula inicialmente excitada puede estar en altos niveles de excitación y después de un corto tiempo (~10 -11 segundo) emite un fotón de alta energía, que es absorbido por otra molécula, y parte de la energía de excitación de esta molécula puede gastarse en movimiento térmico, y el fotón emitido posteriormente ya tendrá una energía menor que la anterior. Después de varios ciclos de emisión y absorción, se forman moléculas que se encuentran en el primer nivel excitado, que emiten fotones, cuya energía puede no ser suficiente para excitar otras moléculas, y así el cristal será transparente a la radiación emergente.

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

Arroz. 2. Dependencia de la salida de luz

antraceno de energía a varias partículas.

Debido al hecho de que la mayor parte de la energía de excitación se gasta en movimiento térmico, la salida de luz (eficiencia de conversión) del cristal es relativamente baja y asciende a un pequeño porcentaje.

Los centelleadores inorgánicos son cristales de sales inorgánicas.

Las aplicaciones prácticas en la tecnología de centelleo son principalmente compuestos halógenos de ciertos metales alcalinos.

Imaginemos el proceso de aparición del centelleo utilizando la teoría de bandas de un estado sólido.

En un solo átomo que no interactúa con otros, los electrones están ubicados en niveles de energía discretos bien definidos. En un sólido, los átomos están a distancias cercanas y su interacción es bastante fuerte. Debido a esta interacción, los niveles de las capas de electrones exteriores se dividen y forman zonas separadas entre sí por bandas prohibidas. La banda de valencia es la banda permitida más externa llena de electrones. Encima hay una zona libre: la banda de conducción. Entre la banda de valencia y la banda de conducción hay una banda prohibida, cuyo ancho de energía es de varios electronvoltios.

Si el cristal contiene defectos, perturbaciones de red o átomos de impurezas, es posible la aparición de niveles electrónicos de energía ubicados en la banda prohibida. Los electrones pueden pasar de la banda de valencia a la banda de conducción bajo influencia externa, por ejemplo, cuando una partícula cargada rápidamente pasa a través de un cristal, quedan lugares libres en la banda de valencia que tienen las propiedades de partículas cargadas positivamente con una unidad de carga y son llamados agujeros. Hemos descrito el proceso de excitación de cristales.

Por la transición inversa de electrones de la banda de conducción a la banda de valencia, se produce la recomendación de electrones y huecos, y se elimina la excitación. En muchos cristales, la transición de un electrón de la banda de conducción a la de valencia ocurre a través de centros luminiscentes intermedios, cuyos niveles están en la banda prohibida. Estos centros se deben a la presencia de defectos o átomos de impurezas en el cristal. Durante la transición de electrones en 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 salida de luz es mucho mayor que la de un cristal puro sin dopar.

Para aumentar la salida de luz de los centelleadores inorgánicos, se introducen impurezas especiales de otros elementos, llamados activadores. Por ejemplo, el talio se introduce como activador en un cristal de yoduro de sodio.

Un centelleador basado en un cristal de NaJ(Tl) tiene una salida de luz alta y tiene ventajas significativas sobre los contadores llenos de gas: una alta eficiencia de detección de rayos g (con cristales grandes, la eficiencia de detección puede alcanzar decenas de por ciento), un centelleo corto duración (2.5 10 -7 seg) y una relación lineal entre la amplitud del pulso y la cantidad de energía perdida por una partícula cargada.

La salida de luz de un centelleador depende de la pérdida de energía específica de una partícula cargada.

Arroz. 1. Dependencia de la salida de luz

cristal NaJ (T1) en la energía de la partícula.

Las distorsiones significativas de la red cristalina del centelleador, que son posibles a valores muy grandes, conducen a la aparición de centros de extinción locales. Esto puede conducir a una disminución relativa en la salida de luz. Los hechos experimentales indican que para partículas pesadas el rendimiento no es lineal, y la dependencia lineal comienza a manifestarse solo a partir de una energía de varios millones de electronvoltios. La Figura 1 muestra las curvas de dependencia de c en MI: curva 1 para electrones, curva 2 para partículas.

Además de los centelleadores de halogenuros alcalinos indicados, en ocasiones se utilizan otros cristales inorgánicos: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4 , CdWO 4, etc.

Los centelleadores de plástico son soluciones sólidas de compuestos orgánicos fluorescentes en una sustancia transparente adecuada (soluciones de antraceno o estilbeno en poliestireno o plexiglás). Las concentraciones de la sustancia fluorescente disuelta suelen ser bajas y ascienden a unas décimas de un por ciento o varios por ciento; por lo tanto, dado que hay mucho más disolvente que el centelleador disuelto, es natural que la partícula detectada excite principalmente las moléculas de disolvente. Posteriormente, la energía de excitación se transfiere a las moléculas del centelleador. La solución resulta ser prácticamente transparente a la radiación del centelleador emergente, ya que la concentración del centelleador es baja.

Los centelleadores de plástico preparados disolviendo antraceno en poliestireno tienen la salida de luz más alta. Una solución de estilbeno en poliestireno también tiene buenas propiedades.

El espectro de emisión del disolvente debe ser más duro que el espectro de absorción del soluto o coincidir con él.

Los hechos experimentales muestran que la energía de excitación del solvente se transfiere a las moléculas centelleadoras debido al mecanismo de fotones, es decir, las moléculas de solvente emiten fotones, que luego son absorbidos por las moléculas de soluto.

En comparación con los centelleadores de cristal orgánico, los centelleadores de plástico tienen importantes ventajas:

• la posibilidad de utilizar centelleadores de plástico en el vacío;

• la posibilidad de introducir mezcladores de espectro en el centelleador para lograr una mejor coincidencia de su espectro de luminiscencia con la característica espectral del fotocátodo;
• la posibilidad de fabricar centelladores muy grandes;

• la posibilidad de introducir en el centelleador varias sustancias necesarias en experimentos especiales (por ejemplo, en el estudio de neutrones);

Los centelleadores orgánicos líquidos son soluciones de centelleadores orgánicos en algunos disolventes orgánicos líquidos. El mecanismo de fluorescencia en los centelleadores líquidos es similar al mecanismo que ocurre en los centelleadores de soluciones sólidas.

De las sustancias líquidas, el xileno, el tolueno y el fenilciclohexano resultaron ser los disolventes más adecuados, y el p-terfenilo, el difeniloxazol y el tetrafenilbutadieno fueron los centelleadores más adecuados. Obtenido disolviendo p-terfenilo en xileno a una concentración de soluto de 5 g/l centelleador tiene la salida de luz más alta .

Las principales ventajas de los centelleadores líquidos:

• flash de corta duración (~3 10 -9 segundo).
• la posibilidad de fabricar grandes volúmenes;
• la posibilidad de introducir en el centelleador sustancias requeridas en experimentos especiales;

Se observó la aparición de centelleos durante el paso de partículas cargadas a través de varios gases. Los centelleadores de gas tienen baja sensibilidad a la radiación g. Los gases nobles pesados ​​(xenón y criptón), así como una mezcla de xenón y helio, tienen la salida de luz más alta. La presencia de un 10 % de xenón en el helio proporciona una salida de luz incluso mayor que la del xenón puro (Fig. 3). Las impurezas insignificantemente pequeñas de otros gases reducen drásticamente la intensidad de los centelleos en los gases nobles.

Arroz. 3. Dependencia de la salida de luz del gas

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

La duración de los flashes en gases nobles es corta (10 -9 -10 -8 segundo), y la intensidad del destello en un amplio rango es proporcional a la energía perdida de las partículas detectadas y no depende de su masa y carga.

Los convertidores de luz se utilizan para igualar la sensibilidad espectral del fotomultiplicador, porque la parte principal del espectro de luminiscencia se encuentra en la región ultravioleta lejana. Los convertidores de luz deben tener una alta tasa de conversión, transparencia óptica en capas delgadas, baja presión de vapor saturado, así como estabilidad mecánica y química. Varios compuestos orgánicos se utilizan principalmente como materiales para convertidores de luz, por ejemplo: difenilestilbeno (eficiencia de conversión de aproximadamente 1), pag 1 pa'-cuaterfenilo (~1), antraceno (0,34), etc. El convertidor de luz se deposita en una fina capa sobre el fotocátodo fotomultiplicador. Un parámetro importante de un 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.).

Fotocátodo, sistema de enfoque, sistema multiplicador (dínodos), ánodo (colector): los elementos principales del PMT. Todos estos elementos se encuentran en un recipiente de vidrio evacuado a alto vacío (10 -6 mm Hg.).

El fotocátodo generalmente se ubica en la superficie interna de la parte final plana del bulbo PMT para fines de espectrometría de radiación nuclear. Como material del fotocátodo se elige una sustancia suficientemente sensible a la luz emitida por los centelleadores. Los más difundidos son los fotocátodos de antimonio-cesio, cuya sensibilidad espectral máxima se encuentra en l = 3900¸4200 A, que corresponde a los máximos de los espectros de luminiscencia de muchos centelleadores.

Arroz. 4. Diagrama esquemático del PMT.

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 rendimiento cuántico del cátodo, es decir, la probabilidad de que un fotón que incide en el fotocátodo extraiga un fotoelectrón, también es una de sus características. El valor de e puede alcanzar el 10-20%.

El fotocátodo se aplica al vidrio como una fina capa translúcida. El grosor de esta capa es importante. Por un lado, para una gran absorción de luz, debe ser significativa, por otro lado, los fotoelectrones emergentes, al tener una energía muy baja, no podrán salir de la capa gruesa y el rendimiento cuántico efectivo puede resultar ser pequeño, por lo 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 g de centelleo, a menudo es necesario utilizar centelleadores sólidos de gran tamaño, tanto en espesor como en diámetro, por lo que se hace necesario fabricar PMT con fotocátodos de gran diámetro.

Los fotocátodos en los fotomultiplicadores domésticos se fabrican con un diámetro de varios centímetros a 15¸20 cm. los fotoelectrones eliminados 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 temporales del PMT, es importante crear un sistema de enfoque tal que los electrones golpeen el primer dínodo con una dispersión de tiempo mínima.

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

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

M" = CM,

donde DESDE<1 - coeficiente de recolección de electrones que caracteriza la eficiencia de la recolección de fotoelectrones en el primer dínodo.

Es muy importante que la ganancia sea constante. METRO" PMT tanto en el tiempo como con un cambio en el número de electrones que emergen del fotocátodo. Esta última circunstancia permite utilizar contadores de centelleo como espectrómetros de radiación nuclear.

Los electrodos multiplicadores se denominan dínodos. Los dinodos están hechos de materiales cuyo coeficiente de emisión secundaria es mayor que la unidad (s>1). En los PMT domésticos, los dinodos se fabrican en forma de canal (Fig. 4) o en forma de persianas. En ambos casos, los dínodos están dispuestos en línea. También es posible una disposición anular de dinodos. Los PMT con un sistema de dínodo en forma de anillo tienen las mejores características de tiempo. La capa emisora ​​de dínodos es una capa de antimonio y cesio o una capa de aleaciones especiales.

Enfocados en el primer dínodo, los fotoelectrones 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 se eliminan los electrones secundarios, etc., de dínodo a dínodo, la cantidad 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 entra en el ánodo, el electrodo colector del PMT. Si el PMT opera en el modo de corriente, entonces el circuito del ánodo incluye dispositivos que amplifican y miden la corriente. Al registrar la radiación nuclear, generalmente es necesario medir la cantidad de pulsos que surgen bajo la influencia de partículas ionizantes, así como la amplitud de estos pulsos. En estos casos, se incluye una resistencia en el circuito del ánodo, en la que se produce un pulso de voltaje.

La figura 4 muestra una disposición esquemática de un fotomultiplicador. El alto voltaje que alimenta al PMT se conecta al cátodo con un polo negativo y se distribuye entre todos los electrodos. La diferencia de potencial entre el cátodo y el diafragma asegura el enfoque de los fotoelectrones en el primer electrodo multiplicador.

Un coeficiente de emisión secundario bastante bueno es s= 5. El valor máximo de s para emisores de antimonio-cesio se logra con una energía de electrones de 350¸400 ev, y para emisores de aleación - a 500¸550 ev. En el primer caso s= 12¸14, en el segundo s=7¸10. En los modos de funcionamiento PMT, el valor de s es algo menor.

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

• distribución uniforme de la luz sobre el fotocátodo;
• sin influencia de campos magnéticos;
• mejor colección de luz de centelleo en el fotocátodo;
• atenuación de la luz de fuentes extrañas;
• PMT gana estabilidad.

Cuando se utilizan contadores de centelleo, siempre es necesario lograr la mayor relación entre la amplitud de los pulsos de señal y la amplitud de los pulsos de ruido, lo que obliga al uso óptimo de las intensidades de destello que surgen en el centelleador.

El PMT es alimentado por un divisor de voltaje, lo que permite que cada electrodo sea alimentado con el potencial adecuado. El polo negativo de la fuente de poder está conectado al fotocátodo ya uno de los extremos del divisor. El polo positivo y el otro extremo del divisor están conectados a tierra. Las resistencias del divisor se seleccionan de tal manera que se implemente el modo óptimo de operación 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. Acoplamiento de PMT con un centelleador líquido.

centelleador de 1 líquido;

Cubierta de protección de 3 luces.

Cuando el contador de centelleo opera en modo pulsado, corto (~10 -8 segundo) impulsos, cuya amplitud puede ser de varias unidades o varias decenas de voltios. En este caso, los potenciales en los últimos dínodos pueden experimentar cambios bruscos, ya que la corriente a través del divisor no tiene tiempo para reponer la carga que los electrones se llevan de la cascada. Para evitar tales fluctuaciones potenciales, las últimas resistencias del divisor se derivan con capacitancias. Debido a la selección de potenciales en los dínodos, se crean condiciones favorables para la acumulación de electrones en estos dínodos, es decir se implementa un determinado sistema electro-óptico correspondiente al régimen óptimo.

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

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

Arroz. 7. Parte del circuito divisor.

de uno de los dínodos con respecto al potencial del dínodo anterior se establece constante, ya sea con la ayuda de una batería adicional, o con la ayuda de un divisor adicionalmente estabilizado. La Fig. 7 muestra una parte del circuito divisor, donde se conecta una batería adicional entre los dinodos D 5 y D 6 ( Ub = 90 en). Para obtener el mejor efecto de autoestabilización, es necesario seleccionar el valor de resistencia R". Generalmente R" más R 3-4 veces.

Incluso en ausencia de irradiación externa en los contadores de centelleo, puede aparecer una gran cantidad de pulsos en la salida del 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 termoelectrones del fotocátodo o incluso de los primeros dínodos. El enfriamiento se usa a menudo para reducir el ruido de PMT. Cuando se registra radiación que crea pulsos de gran amplitud, se incluye un discriminador en el circuito de registro que no transmite pulsos de ruido.

Arroz. 5. Esquema de supresión de ruido PMT.

Considere el siguiente ejemplo:

Para registrar pulsos con amplitudes comparables a los pulsos de ruido, es racional usar un centelleador con dos PMT incluidos en el circuito de coincidencia (Fig. 5).

Luego hay una selección de tiempo de los pulsos que han surgido de la partícula registrada: un destello de luz que ha surgido en el centelleador de la partícula registrada golpeará simultáneamente los fluorocátodos de ambos PMT, y los pulsos aparecerán simultáneamente en su salida, forzando el Circuito de coincidencia para trabajar. La partícula será registrada. Los pulsos de ruido en cada uno de los PMT aparecen independientemente unos de otros y la mayoría de las veces no serán registrados por el circuito de coincidencia. Este método permite reducir el fondo intrínseco de PMT en 2 o 3 órdenes de magnitud.

El número de pulsos de ruido depende de la magnitud del voltaje aplicado y aumenta con su crecimiento al principio bastante lentamente, luego el aumento aumenta bruscamente. La razón de este fuerte aumento en el fondo es la emisión de campo de los bordes afilados de los electrodos y la aparición de una conexión iónica de retroalimentación entre los últimos dínodos y el fotocátodo PMT.

La aparición del resplandor tanto del gas residual como de los materiales estructurales es posible en la región del ánodo. El débil brillo resultante, así como la retroalimentación iónica, provocan la aparición de los llamados pulsos acompañantes, que están separados en el tiempo por 10 -8¸ 10 -7 de los principales. segundo.

El centelleador no se puede colocar directamente en el fotocátodo PMT en algunos experimentos, por ejemplo, al medir en el vacío, en campos magnéticos, en campos fuertes de radiación ionizante, entonces se usa una guía de luz para transmitir la luz del centelleador al fotocátodo. Como guías de luz, se utilizan varillas pulidas hechas de materiales transparentes, como lucita, plexiglás, poliestireno, así como tubos de metal o plexiglás llenos de un líquido transparente. La pérdida de luz en una guía de luz depende de sus dimensiones geométricas y del material. En algunos experimentos es necesario utilizar guías de luz curvas. Es mejor utilizar guías de luz con un gran radio de curvatura. Las guías de luz también permiten articular centelleadores y PMT de diferentes diámetros. En este caso, se utilizan guías de luz en forma de cono. El PMT se acopla al centelleador líquido ya sea a través de una guía de luz o por contacto directo con el líquido. La Figura 6 muestra un ejemplo de una junta PMT con un centelleador líquido. En varios modos de funcionamiento, el PMT se alimenta con un voltaje de 1000 a 2500 en. Dado que la ganancia del PMT depende mucho del voltaje, la fuente de corriente de suministro debe estar bien estabilizada. Además, es posible la autoestabilización.

Por lo general, el centelleador se empaqueta en un recipiente de metal cerrado en un extremo con vidrio plano. Entre el recipiente y el centellador se coloca una capa de material que refleja la luz y contribuye a su salida más completa. El óxido de magnesio (0,96), el dióxido de titanio (0,95), el yeso (0,85-0,90) tienen la mayor reflectividad, también se usa aluminio (0,55-0,85).

Debe prestarse especial atención al embalaje cuidadoso de los centelleadores higroscópicos. Así, 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 se puede colocar un reflector alrededor del centelleador para aumentar la captación de luz. Todos los centelleadores sólidos deben tener una ventana de salida en un extremo, que está conectada al fotocátodo del fotomultiplicador. Puede haber una pérdida significativa de la intensidad de la luz de centelleo en la unión. Para evitar estas pérdidas, se introducen aceites de bálsamo canadiense, minerales o de silicona entre el centelleador y el PMT, y se crea contacto óptico.

Por primera vez, los físicos soviéticos Zavoisky fotografiaron rastros de partículas ionizantes en sustancias luminiscentes utilizando convertidores óptico-electrónicos (EOC) sensibles en 1952. Los primeros experimentos se realizaron utilizando un cristal CsJ (Tl).

Este método de detección de partículas, llamado cámara fluorescente, tiene una alta resolución de tiempo.

Hoy en día, para la fabricación de una cámara luminiscente, los centelleadores de plástico se utilizan en forma de varillas largas y delgadas (hilos), que se apilan en filas de modo que los hilos en dos filas adyacentes formen ángulos rectos entre sí. Esto brinda la posibilidad de observación estereoscópica para recrear la trayectoria espacial de las partículas. Las imágenes de cada uno de los dos grupos de filamentos mutuamente perpendiculares se dirigen a convertidores óptico-electrónicos separados. Los hilos también juegan el papel de guías de luz. La luz es dada solo por aquellos hilos que cruza la partícula. Esta luz sale por los extremos de los respectivos hilos, que son fotografiados. Los sistemas se fabrican con un diámetro de hilos individuales de 0,5 a 1,0 milímetro

El estudio de las características cuánticas de los estados excitados de los núcleos es una de las principales tareas de la física nuclear. Los núcleos formados durante la desintegración radiactiva o en varias reacciones nucleares a menudo terminan en un estado excitado. Una característica muy importante del estado excitado del núcleo es su tiempo de vida. t. Conocer este valor permite obtener mucha información sobre la estructura del núcleo.

Los núcleos atómicos pueden estar en un estado excitado por varios tiempos. Hay varios métodos para medir estos tiempos. Los contadores de centelleo resultaron ser muy convenientes para medir la vida útil de los niveles nucleares desde unos pocos segundos hasta fracciones muy pequeñas de segundo.

Consideremos el método de las coincidencias retardadas como un ejemplo del uso de contadores de centelleo para medir el tiempo de vida de los estados excitados de los núcleos.

Deje que el núcleo A (ver Fig. 10) por b-desintegración se convierta en un núcleo EN en estado excitado, que desprende un exceso de su energía para la emisión sucesiva de dos g-quanta (g 1, g 2). Se requiere determinar la vida útil del estado excitado. I.

La preparación que contiene el isótopo A se instala entre dos mostradores con cristales de NaJ(Tl) (Fig. 8). Los pulsos generados en la salida PMT se alimentan al circuito de coincidencia rápida con un tiempo de resolución de ~10 -8 -10 -7 segundo. Además, los pulsos se alimentan a amplificadores lineales y luego a analizadores de amplitud. Estos últimos están configurados de tal manera que dejan pasar pulsos de cierta amplitud. Para nuestro propósito, es decir con el propósito de medir el nivel de vida útil I(ver fig. 10), analizador de amplitud IAA debe pasar solo pulsos correspondientes a la energía del fotón g 1 y el analizador AAII-g 2 .

Figura 8. Diagrama esquemático para definir

vida útil de los estados excitados de los núcleos.

Además, los pulsos de los analizadores, así como del circuito de coincidencia rápido, se alimentan al lento (t ~ 10 -6 segundo) patrón de coincidencia triple. En el experimento se estudia la dependencia del número de triples coincidencias con el valor del retardo de tiempo del pulso incluido en el primer canal del circuito de coincidencia rápida. Típicamente, el retardo de pulso se lleva a cabo usando la llamada línea de retardo variable LZ (Fig. 8). La línea de retardo debe estar conectada exactamente al canal en el que se registra el cuanto g 1, ya que se emite antes que el cuanto g 2 . Como resultado del experimento, se construye un gráfico semilogarítmico de la dependencia del número de coincidencias triples en el tiempo de retardo (Fig. 9), y se determina a partir de él la vida útil del nivel excitado. I(de la misma forma que se hace cuando se determina la vida media con un solo detector).

Usando contadores de centelleo con un cristal de NaJ(Tl) y el esquema considerado de coincidencias rápido-lento, es posible medir los tiempos de vida 10 -7 -10 -9 segundo. Sin embargo, si se utilizan centelleadores orgánicos más rápidos, es posible medir vidas más cortas de estados excitados (hasta 10 -11 segundo).

Figura 9. La dependencia del número de coincidencias de la magnitud del retraso.

Casi todas las propiedades del neutrino, la más misteriosa de las partículas elementales, se obtienen a partir de datos indirectos.

Un neutrino puede superar grandes espesores de materia sin interactuar con ella. Durante la desintegración radiactiva de los núcleos, se emiten dos tipos de neutrinos. Entonces, durante la desintegración de positrones, el núcleo emite un positrón (antipartícula) y un neutrino (n-partícula). En la desintegración electrónica, se emiten un electrón (partícula) y un antineutrino (`n-antipartícula).

Algunos experimentos sugieren que La teoría moderna de la desintegración b asume que la masa del neutrino mn es igual a cero. El espín del neutrino es 1/2, momento magnético<10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю.

La esperanza por el descubrimiento de los antineutrinos se inspiró en la creación de reactores nucleares, en los que se forma una gran cantidad de núcleos con un exceso de neutrones. Todos los núcleos ricos en neutrones se desintegran con la emisión de electrones y, en consecuencia, de antineutrinos. Cerca de un reactor nuclear con una potencia de varios cientos de miles de kilovatios, el flujo de antineutrinos es 10 13 cm -2 seg -1 - una corriente de enorme densidad, y con la elección de un detector de antineutrinos adecuado, uno podría intentar detectarlos. Tal intento fue hecho por Reines y Cowen en 1954. Los autores usaron la siguiente reacción:

n+ p ® n + e + (1)

En esta reacción, las partículas producto son el positrón y el neutrón, que se pueden registrar.

Centelleador líquido, volumen ~1 metro 3, con un alto contenido de hidrógeno, saturado con cadmio sirvió como detector y al mismo tiempo como objetivo de hidrógeno. Los positrones producidos en la reacción (1) se aniquilaron en dos g-quanta con una energía de 511 kev cada uno y provocó la aparición del primer destello del centelleador. El neutrón se ralentizó durante varios microsegundos y fue capturado por cadmio. En esta captura por cadmio, se emitieron varios cuantos g con una energía total de alrededor de 9 mev. Como resultado, apareció un segundo destello en el centelleador. Se midieron las coincidencias retardadas de dos pulsos. Para registrar los destellos, el centelleador líquido estaba rodeado por una gran cantidad de fotomultiplicadores.

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

Los contadores de centelleo muy grandes se utilizan actualmente en muchos experimentos, en particular, en experimentos para medir los flujos de radiación g emitidos por humanos y otros organismos vivos.

Los contadores de centelleo de gas resultaron ser muy convenientes para registrar fragmentos de fisión. Una propiedad muy importante de un contador de centelleo de gas es su baja sensibilidad a los rayos g, ya que la aparición de partículas cargadas pesadas suele ir acompañada de un intenso flujo de rayos g.

Un experimento para estudiar la sección transversal de fisión se desarrolla de la siguiente manera: una capa del elemento en estudio se deposita sobre algún tipo de sustrato y se irradia con un flujo de neutrones. Por supuesto, cuanto más material fisionable se use, más eventos de fisión ocurrirán. Pero dado que, por lo general, las sustancias fisionables (por ejemplo, los elementos transuránicos) son emisores a, su uso en cantidades significativas se vuelve difícil debido al gran fondo de las partículas a. Y si los eventos de fisión se estudian con la ayuda de cámaras de ionización pulsada, entonces es posible superponer pulsos de partículas a en pulsos que surgen de fragmentos de fisión.

Solo un instrumento con mejor resolución temporal permitirá utilizar grandes cantidades de material fisionable sin imponer 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 de 2 a 3 órdenes de magnitud mayor que la de los contadores de centelleo de gas.

Las amplitudes de pulso de los fragmentos de fisión son mucho mayores que las de las partículas a y, por lo tanto, se pueden separar fácilmente utilizando un analizador de amplitud.

Cada vez más, la radiación nuclear, que tiene un alto poder de penetración, se usa en tecnología para detectar defectos en tuberías, rieles y otros bloques metálicos grandes.

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 detección.

Los experimentos de este tipo se presentan a continuación. La fuente de radiación se coloca en un recipiente de plomo, del que sale un estrecho haz de rayos g a través de un orificio del colimador, iluminando el tubo, en el lado opuesto del cual está instalado un contador de centelleo. La fuente y el contador se colocan sobre un mecanismo móvil que les permite moverse a lo largo de la tubería y girar sobre su eje. Al pasar a través del material de la tubería, el haz de rayos g será parcialmente absorbido; si el tubo es homogéneo, la absorción será la misma en todas partes, y el contador siempre registrará el mismo número (en promedio) de g-quanta por unidad de tiempo, pero si hay un sumidero en algún lugar del tubo, entonces el los rayos g se absorberán menos en este lugar, la velocidad de conteo aumentará. Se revelará la ubicación del fregadero.

Además de los enumerados anteriormente, hay muchos ejemplos de este tipo de uso de contadores de centelleo.

Literatura:

1. J. Birks. contadores de centelleo. M., IL, 1955.
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5 G. S. Landsberg. Libro de texto elemental de física (volumen 3) M., Nauka, 1971