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

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 kit de contador también incluye una fuente de alimentación de PMT y un equipo de radio que brinda 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 un impulso electrico, que se ve reforzado 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.

Equipo para varios métodos de investigación radiactivos (excepto NMM) tiene mucho en común. Su función principal- medida de la intensidad de neutrones o cuantos gamma, por lo que contiene circuitos electrónicos para varios métodos estudios basados ​​en general en los mismos principios.

Las principales diferencias entre los equipos para diferentes métodos están relacionadas con el diseño de las sondas, la fuente, los filtros y los detectores de radiación. Teniendo en cuenta la función común de todos los tipos de equipos radiométricos, la medición de la intensidad de la radiación, este equipo suele denominarse radiómetros de fondo de pozo. Estructuralmente, todos los radiómetros constan de una herramienta de fondo de pozo y un panel de control terrestre conectado por un cable geofísico. En la Figura 54 se muestra un diagrama de bloques simplificado de la parte de medición del equipo radiométrico. Consideremos el propósito y el diseño de los bloques individuales en secuencia:

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

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

Estos electrones se llaman primario, acelerado por el campo eléctrico, en el camino hacia el ánodo causa ionización secundaria, etc. Como resultado, la cantidad de electrones aumenta como una avalancha, superando la cantidad de electrones primarios en miles y cientos de miles de veces: se produce una descarga en el mostrador A un voltaje relativamente bajo, el número total de electrones es proporcional al número de electrones primarios y, en consecuencia, 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 el registro de gamma quanta Los radiómetros de fondo de pozo utilizan contadores Geiger. Su ventaja es una señal de salida más grande (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 están llenos de gas, cuya molécula incluye una sustancia, la interacción de los neutrones con la que produce partículas de carga rápida que producen ionización. Tal sustancia es el gas fluoruro de boro BF 3 o uno de los isótopos del helio 3 He. Cuando los neutrones lentos son absorbidos por el núcleo del isótopo de 10 V, se forma una partícula alfa. Por lo tanto, cuando los neutrones térmicos y epitermales ingresan a un contador lleno de un compuesto de boro, surgen 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 el núcleo 3, se produce un protón rápido.

contadores de neutrones funcionan en modo proporcional, lo que elimina los pulsos de los rayos gamma, que son mucho más pequeños que los pulsos de las partículas alfa o protones.

Contador de centelleo consiste en un centellador acoplado a un tubo fotomultiplicador (PMT). Cuando un gamma-quantum cae en el centelleador, los átomos de este último se excitan. Los átomos excitados emiten radiación EM, parte de la cual se encuentra en la región de la luz. Los cuantos de luz del centelleador golpean el fotocátodo PMT y eliminan electrones de él.

El tubo fotomultiplicador, además del fotocátodo, 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 -RN - divisor de voltaje). Se suministra un voltaje positivo (relativo al cátodo) a los dínodos desde el divisor de voltaje R l -R N , mientras que cuanto más lejos está el ánodo del cátodo, mayor es su potencial. Como resultado, los electrones emitidos por el fotocátodo cuando la luz incide sobre él se aceleran, bombardean el primero de los dínodos y eliminan los electrones secundarios. Posteriormente, estos electrones se aceleran bajo la acción de una diferencia de potencial aplicada entre el primer y el segundo dínodo, bombardean el segundo dínodo y eliminan de él los electrones "terciarios". Esto sucede en cada uno de los dínodos, por lo que el número total de electrones aumenta exponencialmente. La mejora de flujo total en un PMT puede alcanzar 106 veces o más. Por lo tanto, cuando un destello de luz golpea el fotocátodo, se forma un pulso de voltaje en la entrada del PMT, a través de la capacitancia DESDE aplicado a la entrada del amplificador.

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 acción. 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 original. 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 varias partículas cargadas a través del centelleador, 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 sus cualidades positivas inmediatas 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 dispositivo siempre está en el nivel más 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.

- Cómo funciona un contador de centelleo

- centelleadores

- 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 CENTELLEO

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) es uno de los primeros métodos para detectar radiación nuclear.

Ya en 1903, Crookes y otros demostraron que si una pantalla de sulfuro de zinc irradiado con partículas a se ve a través de una lupa en cuarto oscuro, luego en él puede notar la aparición de destellos de luz separados a corto plazo: centelleos. Se encontró que cada uno de estos centelleos es creado por una partícula a separada que golpea la pantalla. Crookes construyó un dispositivo simple llamado espintaroscopio de Crookes, diseñado para contar partículas a.

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

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

El método de centelleo visual 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. Por supuesto, el método de centelleo es subjetivo y los resultados dependen hasta cierto punto de las cualidades individuales del experimentador.

A pesar de sus deficiencias, el método de centelleo visual desempeñó un papel muy importante en el desarrollo de la física nuclear y atómica. Rutherford lo usó para registrar las partículas a cuando eran dispersadas por los átomos. Fueron estos experimentos los que 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 son bombardeados con partículas a, es decir, primera fisión artificial del núcleo.

El método de centelleo visual había gran importancia hasta los años treinta, cuando la aparición de nuevos métodos de registro de la radiación nuclear le hizo olvidar durante algún tiempo. El método de registro de centelleo se revivió a fines de la década de 1940 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.

§ 1. El principio de funcionamiento del contador de centelleo.

Un contador de centelleo es una combinación de un centelleador (fósforo) y un tubo fotomultiplicador (PMT). El kit de contador también incluye una fuente de alimentación de PMT y un equipo de radio que brinda 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 del contador de centelleo es el siguiente. Una partícula cargada que ingresa al centelleador produce ionización y excitación de sus moléculas, lo que luego de un tiempo muy corto (10-6 - 10-9 seg ) entrar en un estado estable emitiendo fotones. Hay un destello de luz (centelleo). Algunos de los fotones golpean el fotocátodo PMT y eliminan fotoelectrones de él. Estos últimos, bajo la acción del voltaje aplicado al PMT, son enfocados y dirigidos al primer electrodo (dínodo) del multiplicador de electrones. Además, 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 luego es amplificado y registrado por un equipo de radio.

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

Como fósforo se utilizan:

cristales orgánicos,

centelleadores orgánicos líquidos,

centelleadores de plástico duro,

centelleadores de gas.

Las principales características de los centelleadores son: salida de luz, composición espectral de la radiación y duración de los centelleos.

Cuando una partícula cargada pasa por un centelleador, en él surgen un cierto número de fotones con una u otra energía. Algunos de estos fotones serán absorbidos por el volumen del propio centelleador y, en su lugar, se emitirán otros fotones con una energía algo menor. Como resultado de los procesos de reabsorción, saldrán fotones, cuyo espectro es característico de un centelleador dado.

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

donde - el número medio de fotones que salen, - energía media 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 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. En la práctica, al comparar centelleadores combinados con datos PMT, se introduce el concepto de eficiencia de centelleo, que viene determinado por la siguiente expresión:

donde I 0 - valor máximo de intensidad de centelleo; t - 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 (brillo) del fósforo se dividen en dos tipos: fluorescencia y fosforescencia. Si el parpadeo se produce 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 elegido porque es igual en orden de magnitud al tiempo de vida de un átomo en un 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 esencialmente de ella. Por lo tanto, cuando un cristal es excitado por partículas, el rendimiento de fluorescencia es casi un orden de magnitud menor que cuando es fotoexcitado.

La fosforescencia se entiende como luminiscencia, que continúa durante un tiempo considerable después de la terminación de la excitación. Pero la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia no es la duración del resplandor. La fosforescencia de los fósforos cristalinos surge de la recombinación de electrones y huecos que han surgido durante la excitación. 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.

§ 2. Centelleadores

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

El proceso de aparición de centelleos se puede representar mediante la teoría de bandas de un estado sólido. En un átomo separado que no interactúa con otros, los electrones se encuentran en niveles discretos de energía 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 permitida más externa llena de electrones es la banda de valencia. 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 la red o átomos de impurezas, en este caso es posible la aparición de niveles electrónicos de energía ubicados en la banda prohibida. Bajo acción externa, por ejemplo, cuando una partícula cargada rápidamente atraviesa un cristal, los electrones pueden pasar de la banda de valencia a la banda de conducción. En la banda de valencia habrá lugares libres que tienen las propiedades de partículas cargadas positivamente con una unidad de carga y se denominan huecos.

El proceso descrito es el proceso de excitación del cristal. La excitación se elimina por la transición inversa de electrones de la banda de conducción a la banda de valencia, y se produce la recomendación de 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 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.

En la práctica, para aumentar la salida de luz de los centelleadores inorgánicos, se introducen impurezas especiales de otros elementos, llamadas activadores. Por ejemplo, el talio se introduce como activador en un cristal de yoduro de sodio. El centelleador basado en el cristal NaJ(Tl) tiene una salida de luz alta. El centelleador NaJ(Tl) tiene ventajas significativas sobre los contadores llenos de gas:

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

corta duración de centelleo (2,5 10-7 seg);

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

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

Con valores muy grandes, son posibles distorsiones significativas de la red cristalina del centelleador, lo que conduce a la aparición de centros de extinción locales. Esta circunstancia puede dar lugar a una disminución relativa de la potencia lumínica. De hecho, 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 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), CaWO4, CdWO4, etc.

Centelleadores orgánicos cristalinos. Las fuerzas de enlace molecular en los cristales orgánicos son pequeñas en comparación con las fuerzas que actúan en los cristales inorgánicos. Por lo tanto, las moléculas que interactúan prácticamente no perturban los niveles electrónicos de energía 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 registrada, 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. La molécula inicialmente excitada se puede ubicar en niveles altos emoción 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 puede gastarse en movimiento térmico, y el fotón emitido posteriormente 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; emiten fotones, cuya energía ya puede ser insuficiente para excitar otras moléculas y, por lo tanto, el cristal será transparente a la radiación emergente.

Arroz. 2. Dependencia de la salida de luz

antraceno de energía a varias partículas.

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

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 bastante 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.

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 .

Estilbeno, aunque tiene una salida de luz ligeramente menor que el antraceno, pero la duración del 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.

centelleadores de plástico. Los centelleadores de plástico 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 la sustancia fluorescente disuelta suelen ser bajas, unas pocas décimas o un pequeño porcentaje.

Dado que hay mucho más disolvente que el centelleador disuelto, entonces, por supuesto, la partícula registrada produce principalmente la excitación de las moléculas de disolvente. La energía de excitación se transfiere posteriormente a las moléculas del centelleador. Obviamente, 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 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. También es posible otro mecanismo para la transferencia de energía. Dado que la concentración del centelleador es baja, la solución es prácticamente transparente a la radiación del centelleador resultante.

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

Posibilidad de fabricar centelleadores de gran tamaño;

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;

Posibilidad de introducir en el centelleador diversas sustancias requeridas en experimentos especiales (por ejemplo, en el estudio de neutrones);

Posibilidad de utilizar centelleadores de plástico en vacío;

tiempo de brillo corto (~3 10-9 segundo). 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.

Centelleadores orgánicos líquidos. Los centelleadores orgánicos líquidos son soluciones de centelleadores orgánicos en ciertos disolventes orgánicos líquidos.

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

El xileno, el tolueno y el fenilciclohexano resultaron ser los disolventes más adecuados, mientras que el p-terfenilo, el difeniloxazol y el tetrafenilbutadieno resultaron ser los disolventes más adecuados.

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

Las principales ventajas de los centelleadores líquidos:

Posibilidad de fabricar grandes volúmenes;

Posibilidad de introducción en el centelleador de las sustancias necesarias en experimentos especiales;

Flash de corta duración ( ~3 10-9segundo).

centelleadores de gas. Cuando las partículas cargadas pasan a través de varios gases, se observó en ellos la aparición de centelleos. Los gases nobles pesados ​​(xenón y criptón) tienen la salida de luz más alta. Una mezcla de xenón y helio también tiene un alto rendimiento lumínico. 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.

Se demostró experimentalmente que 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 centelleadores de gas tienen baja sensibilidad a la radiación g.

La parte principal del espectro de luminiscencia se encuentra en la región ultravioleta lejana, por lo tanto, 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 delgadas, baja elasticidad vapores saturados así como la resistencia mecánica y química. Varios compuestos orgánicos se utilizan principalmente como materiales para convertidores de luz, por ejemplo:

difenilestilbeno (eficiencia de conversión de aproximadamente 1);

P1p'-cuaterfenilo (~1);

antraceno (0,34), etc.

El convertidor de luz se deposita en una capa delgada 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 para 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, fluoroplasto, óxido de aluminio, etc.).

§ 3. Multiplicadores fotoelectrónicos

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

A los efectos de la espectrometría de radiación nuclear, el fotocátodo suele estar situado en superficie interna parte final plana del contenedor PMT. 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 de circuito FUE.

Una de las características de un fotocátodo es su rendimiento cuántico, es decir, la probabilidad de que un fotón que incide sobre el fotocátodo expulse un fotoelectrón. 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 como 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 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 grosor óptimo del fotocátodo. También es fundamental 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 grandes, tanto en espesor como en diámetro. Por lo tanto, se hace necesario fabricar fotomultiplicadores con fotocátodos de gran diámetro. En los fotomultiplicadores domésticos se fabrican fotocátodos con un diámetro desde varios centímetros hasta 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 es 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. 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. 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. Valor máximo s para emisores de antimonio-cesio se logra a 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. Un factor de reemisión 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 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.

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

METRO" =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.

Sobre la interferencia en fotomultiplicadores. En los contadores de centelleo, incluso en ausencia de irradiación externa, pueden 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.

1. Cuando se registran pulsos cuya amplitud es comparable al ruido, es racional usar un centelleador con dos PMT incluidos en el circuito de coincidencia (Fig. 5). En este caso, se produce una selección temporal de pulsos provenientes de la partícula detectada. De hecho, un destello de luz que surgió en el centelleador de una partícula registrada golpeará simultáneamente los fluorocátodos de ambos PMT, y aparecerán pulsos simultáneamente en su salida, obligando al circuito de coincidencia a funcionar. 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 aumenta con el voltaje aplicado, 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 retroalimentación iónica entre los últimos dínodos y el fotocátodo PMT.

En la región del ánodo, donde la densidad de corriente es más alta, puede ocurrir el resplandor tanto del gas residual como de los materiales estructurales. El débil resplandor 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.

§ 4. Diseños de contadores de centelleo

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

Mejor colección de luz de centelleo en el fotocátodo;

Distribución uniforme de la luz sobre el fotocátodo;

Oscurecimiento de la luz de fuentes extrañas;

Sin influencia de campos magnéticos;

La estabilidad de la ganancia PMT.

Cuando se trabaja con 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. 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.

En algunos experimentos, por ejemplo, mediciones en vacío, en campos magnéticos, en campos fuertes de radiación ionizante, el centelleador no se puede colocar directamente sobre el fotocátodo PMT. En tales casos, se utiliza una guía de luz para transmitir la luz desde el 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.

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 realice 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;

2- TMM;

3- escudo ligero.

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. Entonces, 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 figura 7 muestra una parte del circuito divisor, donde se conecta una batería adicional entre los dínodos D5 y D6 ( 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.

§ 5. Propiedades de los contadores de centelleo

Los contadores de centelleo tienen las siguientes ventajas.

Alta resolución temporal. La duración del pulso, según los centelleadores utilizados, oscila entre 10-6 y 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 retardo 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 (<10-8segundo) y, en consecuencia, para medir coincidencias en muchas cargas grandes en canales individuales con un pequeño número de coincidencias aleatorias.

Alta eficiencia de registro gramo -rayos y neutrones. 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 es mucho mayor que la eficacia de la detección de neutrones por 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.

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.

La posibilidad de fabricar centelladores de dimensiones geométricas muy grandes. 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).

Posibilidad de introducir en la composición de los centelleadores sustancias con las que interactúan los neutrones con una gran sección eficaz. 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 produce una energía de 4,8 mev.

§ 6. Ejemplos de uso de contadores de centelleo

Medida de los tiempos de vida de los estados excitados de los núcleos. Durante la desintegración radiactiva o en varias reacciones nucleares, los núcleos resultantes a menudo terminan 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 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 han demostrado ser muy convenientes para medir la vida útil de los niveles nucleares desde unos pocos 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) 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 (g1, g2). 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 a la salida del PMT son alimentados 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 g1, y el analizador AAII - g2 .

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 g1, ya que se emite antes que el cuanto g2. 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 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, se pueden medir vidas más cortas de los estados excitados (hasta 10–11 segundo).

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

Detección de fallas gamma. La radiación nuclear, que tiene un alto poder de penetración, se usa 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 detección. La fuente de radiación se coloca en un recipiente de plomo, del cual emerge un estrecho haz de rayos g a través de un orificio del colimador, que ilumina el tubo. Se instala un contador de centelleo en el lado opuesto del tubo. La fuente y el contador se colocan sobre un mecanismo móvil que les permite moverse a lo largo de la tubería y girar alrededor de 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. Hay muchos ejemplos de tal uso de contadores de centelleo.

Detección experimental de neutrinos. El neutrino es la más misteriosa de las partículas elementales. Casi todas las propiedades de los neutrinos se obtienen a partir de datos indirectos. La teoría moderna de la desintegración b asume que la masa del neutrino mn es igual a cero. Algunos experimentos nos permiten afirmar eso. El espín 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 un número muy elevado de núcleos con exceso de neutrones, dio esperanzas para la detección de antineutrinos. 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 capacidad de varios cientos de miles de kilovatios, el flujo de antineutrinos es 1013 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:

norte + pags ® n+e+ (1)

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

Un centelleador líquido con un volumen de ~1 m3, con un alto contenido de hidrógeno, saturado con cadmio. 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.

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

Registro de fragmentos de fisión. Para el registro de fragmentos de fisión, los contadores de centelleo de gas demostraron ser convenientes.

Por lo general, un experimento para estudiar la sección transversal de fisión se establece 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.

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.

Cámara luminosa. En 1952, los físicos soviéticos Zavoisky y otros fotografiaron por primera vez las huellas de partículas ionizantes en sustancias luminiscentes utilizando convertidores óptico-electrónicos sensibles (EOC). Este método de detección de partículas, llamado cámara fluorescente, tiene una alta resolución de tiempo. Los primeros experimentos se realizaron utilizando un cristal CsJ (Tl).

Posteriormente, se comenzaron a utilizar centelleadores de plástico en forma de varillas largas y delgadas (hilos) para fabricar la cámara luminiscente. Los hilos se apilan en filas de modo que los hilos en dos filas adyacentes estén en ángulo recto 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

Literatura :

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

contador de centelleo, un dispositivo para la detección de radiación nuclear y partículas elementales (protones, neutrones, electrones, g-quanta, mesones, etc.), cuyos elementos principales son una sustancia que luminiscente bajo la acción de partículas cargadas (centelleador), y fotomultiplicador (FUE). Las observaciones visuales de destellos de luz (centelleos) bajo la acción de partículas ionizantes (partículas a, fragmentos de fisión nuclear) fueron el método principal de la física nuclear a principios del siglo XX. (cm. espintaroscopio ). Posteriormente S. con. fue completamente expulsado cámaras de ionización Y contadores proporcionales. Su regreso a la física nuclear se produjo a finales de la década de 1940, cuando se utilizaron PMT multietapas con una alta ganancia para detectar centelleos, capaces de detectar destellos de luz extremadamente débiles.

El principio de acción de S. con. consiste en lo siguiente: una partícula cargada que pasa por un centelleador, junto con la ionización de átomos y moléculas, los excita. Volviendo al estado no excitado (base), los átomos emiten fotones (ver Fig. Luminiscencia ). Los fotones que golpean el cátodo PMT eliminan electrones (ver Fig. Emisión fotoelectrónica ), como resultado, aparece un pulso eléctrico en el ánodo del PMT, que se amplifica y registra aún más (ver Fig. arroz. ). La detección de partículas neutras (neutrones, g-quanta) ocurre por partículas cargadas secundarias formadas durante la interacción de neutrones y g-quanta con átomos de centelleo.

Varias sustancias (sólidas, líquidas, gaseosas) se utilizan como centelleadores. Se utilizan mucho los plásticos, que se fabrican con facilidad, se mecanizan y dan 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 importante (antigua) es el tiempo de brillo t, que está determinado por el tiempo de vida en los niveles excitados. La intensidad del resplandor tras el paso de la partícula cambia exponencialmente: , donde 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 rápido se puede hacer S.

Para que un destello de luz sea registrado por un PMT, es necesario que el espectro de emisión del centelleador coincida con la región espectral de sensibilidad del fotocátodo del PMT, y el material del centelleador debe ser transparente a su propia radiación. Para registro neutrones lentos Se añade al centelleador Li o B. Los neutrones rápidos se detectan utilizando centelleadores que contienen hidrógeno (ver Fig. detectores de neutrones ). Para la espectrometría de g-quanta y electrones de alta energía se utiliza Nal (Tl), que tiene una alta densidad y un alto número atómico efectivo (ver Fig. Radiación gamma ).

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

Los PMT destinados a S. s. deben tener una alta eficiencia de fotocátodo (hasta 2,5%), alta ganancia (10 8 -10 8), corto tiempo de recolección de electrones (~ 10 -8 segundo) a alta estabilidad de este tiempo. Este último permite lograr la resolución en el tiempo S. s. £ 10 -9 segundo. La alta ganancia del PMT, junto con un bajo nivel de ruido intrínseco, hace posible detectar electrones individuales eliminados del fotocátodo. La señal en el ánodo PMT puede llegar a 100 en.

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

utilizado en contadores de centelleo

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

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

Las ventajas de S. con.: una alta eficiencia del registro de las partículas distintas (prácticamente 100 %); velocidad; la posibilidad de fabricar centelladores de diferentes tamaños y configuraciones; Alta confiabilidad y costo relativamente bajo. Gracias a estas cualidades S. con. ampliamente utilizado en física nuclear, física de partículas elementales y rayos cósmicos, en la industria (control de radiación), dosimetría, radiometría, geología, medicina, etc. Desventajas de S. S.: baja sensibilidad a partículas de baja energía (£ 1 kev), resolución de baja energía (ver Fig. 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 la partícula en un amplio rango de energías, una respuesta rápida y la capacidad de cambiar el poder de frenado cambiando la presión. Además, la fuente se puede introducir en el volumen del centelleador de gas. Sin embargo, los centelleadores de gas requieren gas de alta pureza y un PMT especial con ventanas de cuarzo (una parte significativa de la luz emitida se encuentra en la región ultravioleta).

Pestaña. 2.- Características de algunos gases utilizados como

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

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 alta energía, traducción (traducción) del inglés (inglés), M., 1964.

V. S. Kaftanov.

Esquema de un contador de centelleo: cuantos de luz (fotones) "eliminan" electrones del fotocátodo; moviéndose de dínodo a dínodo, la avalancha de electrones se multiplica.