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 poco tiempo, pasan al estado fundamental y emiten radiación electromagnética. Para varias sustancias transparentes llamadas fósforos o fósforos, parte del espectro de esta radiación cae en la región clara. El paso de una partícula cargada a través de dicha sustancia provoca un destello de luz. Para aumentar la potencia luminosa y reducir su absorción en fósforo, a este último se le añaden los llamados activadores. El tipo de activador se indica entre paréntesis después de la denominación de fósforo. Por ejemplo, un cristal de NaI activado por talio se denomina NaI(Tl).

La entrada de una partícula cargada rápidamente en el fósforo provoca un destello de luz: el centelleo. Este último se convierte en impulso electrico y se amplifica 10 5 -10 6 veces mediante un multiplicador fotoeléctrico (PMT). Una combinación similar de dos elementos (fósforo y fotomultiplicadores) se utiliza en contadores de centelleo(Figura 5.7).

Arroz. 5.7. Diagrama esquemático 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 secundarios y positrones que se forman cuando los cuantos γ son absorbidos por el fósforo. Dado que los fósforos tienen una buena transparencia óptica, lo que garantiza que la luz se recoja en el fotocátodo PMT a partir de un volumen significativo de fósforo, los fósforos se pueden utilizar para registrar cuantos γ. gran espesor. Esto garantiza una alta eficiencia de registro de cuantos γ mediante un contador de centelleo, que es un orden de magnitud o más mayor que la eficiencia de los contadores llenos de gas.

Tubos fotomultiplicadores Consisten en un fotocátodo, electrodos multiplicadores (dínodos) y un ánodo (ver Fig. 5.7). El potencial de cada electrodo posterior es en cierta cantidad mayor (aproximadamente 10 V) que el potencial del anterior, lo que asegura la aceleración de los electrones entre ellos. Los fotones que llegan del fósforo al fotocátodo eliminan varias decenas o cientos de electrones, que son enfocados y acelerados por el campo eléctrico y bombardean el primer dínodo. Al frenar en el dínodo, cada electrón acelerado elimina entre 5 y 10 electrones secundarios. Este proceso, repetido en cada dínodo posterior, asegura la multiplicación de electrones hasta muchos millones de veces.

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

Debido a la emisión termoiónica del fotocátodo y los primeros dinodos, aparece una corriente oscura en la salida incluso de un fotomultiplicador completamente oscurecido, creando pequeños pulsos de fondo. Para eliminarlos, se introducen discriminadores en el sistema de registro.

Características de uso contadores de centelleo para espectrometría de rayos γ. Al registrar cuantos γ 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 del fotoelectrón es igual a la energía del cuanto (menos un valor pequeño: la energía de enlace A-electrón), entonces sólo una parte de la energía cuántica se transfiere al electrón durante la dispersión Compton y al par electrón-positrón en el efecto de la formación del par. Con el efecto Compton, dependiendo del ángulo de dispersión del cuanto γ, la energía del electrón puede variar dentro de amplios límites (Fig. 5.8), y con el efecto de formación de pares, la energía cinética del par es 1,02 MeV menor que la energía cuántica.

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

electrones en el fósforo durante: 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 un centelleador por un haz monocromático de cuantos γ tiene una apariencia compleja. La aparición de líneas adicionales E v = 0,51 MeV y E y El efecto de la formación de pares se debe al hecho de que en algunos casos uno o incluso ambos cuantos γ con una energía de 0,51 MeV, formados durante la aniquilación de un positrón, son absorbidos en el centelleador como resultado del efecto fotoeléctrico y el destello de estos fotoelectrodos se fusiona con el destello del par primario electrón-positrón. 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 en la Fig. 5,8 debido al carácter estadístico de los procesos en fósforo y fotomultiplicadores. 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 formación de pares es insignificante y los picos correspondientes son casi invisibles; sólo se forma el pico de 1,38 MeV debido al efecto fotoeléctrico, así como un pico Compton menos claro 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 un cuanto disperso también es absorbido por el fósforo como resultado del efecto fotoeléctrico. En los tres procesos, toda la energía del cuanto se convierte en energía luminosa. Por eso este pico se llama pico de absorción total.

La forma del pico de absorción total se acerca a una curva gaussiana. Actitud µ=ΔE/E mitad del ancho del pico ΔE a la mitad de su altura a la energía promedio mi llamado resolución de amplitud encimera. Lo menos μ, mejor será el espectrómetro. Significado μ generalmente aumenta al disminuir 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 cuantos γ mucho mayor (hasta 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 de instrumentos de rayos γ que contienen 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 bits. Esto se debe a la mayor influencia de la temperatura en la salida de luz de los fósforos, a los requisitos incomparablemente mayores de estabilización de la fuente de energía, así como a un cambio más fuerte en las características de los contadores de centelleo a lo largo del tiempo.

1.1 Principio de funcionamiento de un contador de centelleo

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

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

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

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

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

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

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

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

Características del trabajo

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

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

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

¿Qué se utiliza en lugar del fósforo?

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

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

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

Características principales

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

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

Salida de luz

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

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

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

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

Este concepto combina varios aspectos:

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

Varios cambios de centelleo.

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

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

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

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

Procesos de trabajo del fósforo.

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

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

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

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

¿Qué es la fosforescencia?

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

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

Características de los contadores.

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

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

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

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

Fabricación de dispositivos

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

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

tipo de diseño

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

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

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

Embalaje de mostrador

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

Ventajas de los metros

Las ventajas de un contador de centelleo son las siguientes:

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

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

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

Contador de centelleo

Principio de funcionamiento y alcance

En un contador de centelleo, la radiación ionizante provoca un destello de luz en un 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 cuando se trabaja con contadores de centelleo, en general, se requieren equipos electrónicos más complejos, estos contadores tienen importantes ventajas sobre los contadores Geiger-Müller.

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

2. La emisión de luz en algunos centelleadores es proporcional a la energía de la partícula excitante o del cuanto.

3. La resolución temporal es mayor.

Por lo tanto, el contador de centelleo es un detector adecuado para detectar radiación de baja intensidad, para análisis de distribución de energía sin requisitos de resolución demasiado altos y para mediciones coincidentes con alta intensidad de radiación.

B) Centelleadores

1) Protones y otras partículas altamente ionizantes. Si hablamos únicamente del registro de estas partículas, entonces todos los tipos de centelleadores son igualmente adecuados y, debido a su alto poder de frenado, son suficientes capas con un espesor del orden de un milímetro o incluso menos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la eficiencia luminosa de los protones y las 6 partículas en los centelleadores orgánicos es sólo aproximadamente 1/10 de la eficiencia luminosa de los electrones de la misma energía, mientras que en los centelleadores inorgánicos ZnS y NaJ son ambos de el mismo orden.

La relación entre la energía de los destellos luminosos y la magnitud asociada de los impulsos, así como la energía de las partículas transferida al centelleador, en general no es lineal para las sustancias orgánicas. Sin embargo, para ZnS 1 NaJ y CsJ esta dependencia es casi lineal. Debido a su buena transparencia a la emisión fluorescente intrínseca, los cristales de NaJ y CsJ proporcionan una excelente resolución energética; Sin embargo, hay que asegurarse de que la superficie a través de la cual las partículas penetran en el cristal esté muy limpia.

2) Neutrones. Los neutrones lentos se pueden detectar mediante las reacciones Li6Hs, B10Li" o CdlisCd114. Para ello se utilizan monocristales de LiJ y mezclas de polvos, por ejemplo 1 parte en peso de B 2 O 3 y 5 partes en peso de ZnS; se rocían directamente sobre la ventana PMT; también se pueden utilizar

Diagrama de bloques de un espectrómetro de centelleo. 1 - centelleador, 2 - fotomultiplicador, h - fuente de alto voltaje, 4 - seguidor de cátodo, d - amplificador lineal, 6 - analizador de pulsos de amplitud, 7 - dispositivo de registro.

ZnS suspendido en B 2 O 3 fundido, los correspondientes compuestos de boro en centelleadores artificiales y mezclas de borato de metilo o propionato de cadmio con centelleadores líquidos. Si, al medir neutrones, es necesario excluir la influencia de la radiación g, entonces en aquellas reacciones que provocan la emisión de partículas pesadas, es necesario tener en cuenta la relación anterior para la salida de luz de varios centelleadores, dependiendo de el tipo de partículas.

Los neutrones rápidos se detectan mediante el retroceso de protones producidos en sustancias que contienen hidrógeno. Dado que sólo en los centelleadores orgánicos se produce un alto contenido de hidrógeno, por las razones mencionadas anteriormente es difícil reducir la influencia de la radiación g. Los mejores resultados se consiguen si el proceso de formación de protones de retroceso se separa de la excitación del centelleador mediante rayos g. En este caso, la capa de esta última debe ser delgada y su espesor está determinado por el rango de retroceso de los protones, de modo que la probabilidad de detectar radiación z se reduce significativamente. 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 en retroceso puede adquirir distintos valores, hasta llegar a la energía total de los neutrones, dependiendo de cómo se produzca la colisión.

3) Electrones, partículas beta. Como ocurre con otros tipos de radiación, la resolución energética de un 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 mitad del ancho de la curva de distribución de los valores de impulso provocados por partículas incidentes monoenergéticas, debido a fluctuaciones estadísticas en la primera aproximación, es inversamente proporcional. raíz cuadrada del número de fotoelectrones expulsados ​​del fotocátodo del fotomultiplicador. De los centelleadores utilizados actualmente, las mayores amplitudes de pulso son producidas por NaJ 1, y los centelleadores orgánicos más grandes son el antraceno, que, en igualdad de condiciones, produce pulsos con aproximadamente la mitad de la amplitud del NaJ.

Dado que las secciones transversales efectivas de dispersión de electrones aumentan considerablemente al aumentar el número atómico, cuando se utiliza NaJ, entre el 80 y el 90 % de todos los electrones incidentes se dispersan nuevamente fuera del cristal; cuando se utiliza antraceno, este efecto alcanza aproximadamente el 10%. Los electrones dispersos provocan pulsos cuya magnitud es menor que el valor correspondiente a la energía total de los electrones. Como resultado, la evaluación cuantitativa de los espectros β obtenidos utilizando cristales de NaJ es muy difícil. Por lo tanto, para la espectroscopia β suele ser más recomendable utilizar centelleadores orgánicos, que consisten en elementos con números atómicos bajos.

La retrodispersión también se puede reducir mediante las siguientes técnicas. La sustancia cuya radiación β se va a estudiar se mezcla con el centelleador, si no suprime la radiación fluorescente, o se coloca entre las dos superficies de los centelleadores, cuyo Iryny 1 Ienne fluorescente actúa sobre el fotocátodo, o, finalmente, Se utiliza un centelleador con un canal interno por el que entra la radiación B.

La relación 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 a la hora de cuantificar los espectros.

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

Durante el efecto fotoeléctrico, la energía del cuanto se convierte casi por completo en energía cinética del 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, también es absorbido por el centelleador o lo abandona.

En el efecto Compton, sólo una parte de la energía cuántica se transfiere al electrón, y lo más probable es que esta parte sea absorbida por el centelleador. Un fotón disperso, cuya energía ha disminuido en una cantidad igual a la energía del electrón Compton, es también es absorbido por el centelleador o lo abandona.

Cuando se forman pares, la energía del cuanto primario, menos la energía de formación de pares, se convierte en energía cinética de este par y es absorbida principalmente por el centelleador. La radiación producida por la aniquilación de un electrón y un positrón es absorbida en el centelleador o sale de él.

La dependencia energética de las secciones efectivas para estos procesos es tal que con energías fotónicas bajas 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 que este proceso alcance un valor perceptible sólo a energías significativamente más altas. En la región intermedia, el efecto Compton desempeña el papel principal.

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

1) con el efecto fotoeléctrico: además de la energía cuántica, que se transforma en energía electrónica ya durante el efecto primario, sólo existe la energía de enlace del fotoelectrón, que corresponde a la radiación secundaria, suave y fácilmente absorbida;

2) durante la formación de pares: solo radiación de aniquilación con energía discreta conocida. En el efecto Compton, la energía de los electrones secundarios y de los cuantos dispersos tiene una amplia gama de valores posibles. Dado que los cuantos secundarios, como ya se mencionó, pueden no experimentar absorción ni escapar del centelleador, para facilitar la interpretación de los espectros es aconsejable, si es posible, estrechar la región en la que predomina el efecto Komhtohj, eligiendo centelleadores con W grande, para ejemplo NaJ. Además, la relación entre la energía de la luz y la energía transferida al centelleador para NaJ prácticamente no depende de la energía de los electrones, por lo tanto, en todos los procesos complejos en los que se absorben cuantos, se absorbe la misma cantidad de luz. Estos procesos complejos ocurren con mayor probabilidad cuanto mayor es el tamaño del centelleador.

Atenuación de rayos gamma en antraceno, μ - 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 detectar partículas cargadas mediante el conteo de los destellos de luz que se producen cuando estas partículas chocan contra una pantalla de sulfuro de zinc (ZnS) se considera uno de los primeros métodos para detectar la radiación nuclear.

Este método es el siguiente.

Los destellos de centelleo son destellos de luz individuales de corta duración que pueden verse observando a través de una lupa la superficie de una pantalla de sulfuro de zinc irradiada por partículas a. Cada uno de estos centelleos es creado por una partícula a separada que cae sobre la pantalla. Estos fenómenos fueron descubiertos por primera vez en 1903 por Crookes y otros. Para poder contar partículas a, Crookes inventó un dispositivo llamado espintariscopio de Crookes.

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

El hecho de que los rayos gamma no provoquen destellos en la pantalla, creando sólo un brillo general, permitió registrar partículas a en presencia de una fuerte radiación g.

Sólo cuando un número suficientemente grande de electrones impactó simultáneamente en el mismo cristal de sulfuro de zinc fue posible observar destellos cuando la pantalla de sulfuro de zinc fue irradiada con electrones.

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

Utilizando el método de centelleo visual, Rutherford detectó partículas a mientras se dispersaban sobre los átomos; estos experimentos llevaron a Rutherford al descubrimiento del núcleo. Por primera vez, el método visual permitió detectar protones rápidos desprendidos de los núcleos de nitrógeno al ser bombardeados con partículas a, es decir, Primera fisión nuclear artificial. Así, a pesar de sus deficiencias, el método de centelleo visual jugó un papel enorme en el desarrollo de la tecnología nuclear y física atómica y tuvo gran importancia hasta los años treinta, hasta que la aparición de nuevos métodos de registro de la radiación nuclear obligó a los investigadores a olvidarla durante algún tiempo.

A finales de los años cuarenta del siglo XX, el método de registro de centelleo revivió sobre una nueva base. En aquella época se habían desarrollado tubos fotomultiplicadores (PMT) que permitían detectar destellos de luz muy débiles. Se han creado contadores de centelleo, con cuya ayuda es posible aumentar la velocidad de conteo en 10 8 o incluso más veces en comparación con el método visual, y también es posible registrar y analizar la energía de partículas cargadas, neutrones y rayos g.

La combinación de un centelleador (fósforo) y un tubo fotomultiplicador (PMT), una fuente de energía eléctrica para el PMT y el equipo de radio que proporciona amplificación y registro de los pulsos del PMT se denomina contador de centelleo. En ocasiones la combinación del fósforo con un fotomultiplicador se realiza mediante un sistema óptico especial (guía de luz).

Los siguientes se utilizan en los contadores de escetilación:

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

Consideremos el principio de funcionamiento de un contador de centelleo.

Cuando una partícula cargada entra en un centelleador, se ioniza y excita sus moléculas. Después de muy poco tiempo (10 -6 - 10 -9 seg ) estas moléculas entran en un estado estable y emiten fotones: se produce un destello de luz (centelleo). Parte de los fotones caen sobre el fotocátodo del fotomultiplicador y eliminan fotoelectrones que, bajo la influencia del voltaje aplicado al fotomultiplicador, se enfocan y dirigen 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 fotomultiplicador, que es amplificado y registrado por equipos de radio.

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

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

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

¿Dónde está el espectro externo del centelleador o el espectro de fotones que emergen del centelleador?

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 una PMT determinada a estos fotones y está determinada por la siguiente expresión :

En la práctica, la eficacia de centelleo de un centelleador determinado se determina comparándola con la eficacia de centelleo de un centelleador tomado como patrón.

5) Intensidad del centelleo.

La intensidad del centelleo cambia exponencialmente con el tiempo.

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

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

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

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

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

La duración de la fluorescencia no depende del tipo de excitación, pero el rendimiento de la fluorescencia depende en gran medida de ello. Por tanto, cuando un cristal es excitado por partículas a, el rendimiento de fluorescencia es casi un orden de magnitud menor que durante la fotoexcitación.

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

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

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

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

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

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

Los siguientes cristales orgánicos son los más utilizados para registrar la radiación nuclear: antraceno, estilbeno y naftaleno. El antraceno tiene una salida de luz bastante alta (~4%) y un tiempo de iluminación corto (3 10 -8 segundo). Pero cuando se detectan partículas pesadas cargadas, se observa una dependencia lineal de la intensidad del centelleo sólo con energías de partículas bastante altas. Aunque el estilbeno tiene una emisión de luz ligeramente menor que el antraceno, la duración de su centelleo es significativamente más corta (7 10 -9 segundo), que el antraceno, lo que permite utilizarlo en aquellos experimentos donde se requiere el registro de radiación muy intensa.

Dado que, en comparación con las fuerzas que actúan en los cristales inorgánicos, las fuerzas de unión molecular en los cristales orgánicos son pequeñas, las moléculas que interactúan prácticamente no alteran los niveles de energía electrónica de las demás, y el proceso de luminiscencia de un cristal orgánico es un proceso característico de las moléculas individuales.

En el estado electrónico fundamental, la molécula tiene varios niveles vibratorios. Bajo la influencia de la radiación detectada, la molécula entra en un estado electrónico excitado, que también corresponde a varios niveles de vibración. También son posibles la ionización y disociación de moléculas. Como resultado de la recombinación de una molécula ionizada, generalmente se forma en un estado excitado. 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 se puede gastar en movimiento térmico y el fotón emitido posteriormente tendrá menos energía en comparación con el 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 ya no ser suficiente para excitar otras moléculas y, así, el cristal será transparente a la radiación resultante.

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

Arroz. 2. Dependencia de la salida de luz

antraceno a partir de energía para diversas partículas.

Debido al hecho de que la mayor parte de la energía de excitación se gasta en el movimiento térmico, la salida de luz (eficiencia de conversión) del cristal es relativamente pequeña y asciende a varios por ciento.

Los centelleadores inorgánicos son cristales de sales inorgánicas.

Las aplicaciones prácticas en la tecnología de centelleo son principalmente compuestos de haluros de algunos metales alcalinos.

Imaginemos el proceso de aparición del centelleo utilizando la teoría de bandas de sólidos.

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

Si hay defectos, perturbaciones en la red o átomos de impurezas en el cristal, pueden aparecer niveles de energía electrónica 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, entonces quedarán espacios libres en la banda de valencia, que tienen las propiedades de partículas cargadas positivamente con una carga unitaria. y se llaman agujeros. Hemos descrito el proceso de excitación del cristal.

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

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

Un centelleador construido a base de un cristal de NaJ(Tl) tiene una alta emisión de luz y tiene ventajas significativas en comparación con los contadores llenos de gas: mayor eficiencia de registro de rayos g (con cristales grandes la eficiencia de registro puede alcanzar decenas de por ciento), duración corta del centelleo (2,5 · 10 -7 segundos) y una relación lineal entre la amplitud del pulso y la cantidad de energía perdida por la partícula cargada.

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

Arroz. 1. Dependencia de la salida de luz

Cristal de NaJ (T1) sobre energía de partículas.

Las perturbaciones significativas en la red cristalina del centelleador, posibles a valores muy grandes, conducen a la aparición de centros de extinción locales. Esto puede resultar en una reducción relativa de la emisión de luz. Los hechos experimentales indican que para las partículas pesadas el rendimiento no es lineal y la dependencia lineal comienza a aparecer sólo con una energía de varios millones de electronvoltios. La figura 1 muestra las curvas de c versus MI: curva 1 para electrones, curva 2 para partículas.

Además de los centelleadores de haluros alcalinos indicados, en ocasiones se utilizan otros cristales inorgánicos: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), 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 pequeñas y ascienden a unas pocas décimas de porcentaje o varios porcentajes, por lo que, dado que hay mucho más disolvente que el centelleador disuelto, naturalmente, la partícula detectada excita principalmente las moléculas del disolvente. Posteriormente, la energía de excitación se transfiere a las moléculas centelleadoras. La solución resulta prácticamente transparente a la radiación de centelleo resultante, ya que la concentración de centelleador es baja.

Los centelleadores de plástico preparados disolviendo antraceno en poliestireno tienen la mayor potencia luminosa. Buenas propiedades también tiene una solución de estilbeno en poliestireno.

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

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

En comparación con los centelleadores cristalinos orgánicos, los centelleadores plásticos tienen importantes ventajas:

• posibilidad de utilizar centelleadores de plástico en el vacío;

• la posibilidad de introducir mezcladores de espectro en el centelleador para lograr una mejor correspondencia de su espectro de luminiscencia con las características espectrales del fotocátodo;
• la capacidad de fabricar centelleadores de tamaños muy grandes;

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

Los centelleadores orgánicos líquidos son soluciones de sustancias centelleantes orgánicas en algunos disolventes orgánicos líquidos. El mecanismo de fluorescencia en los centelleadores líquidos es similar al mecanismo que ocurre en las soluciones de centelleadores sólidos.

De las sustancias líquidas, los disolventes más adecuados resultaron ser xileno, tolueno y fenilciclohexano, y sustancias centelleantes fueron p-terfenilo, difeniloxazol y tetrafenilbutadieno. Se obtiene disolviendo p-terfenilo en xileno en una concentración de soluto de 5 g/l El centelleador tiene la mayor salida de luz. .

Las principales ventajas de los centelleadores líquidos:

• corta duración del destello (~3 10 -9 segundo).
• posibilidad de producir grandes volúmenes;
• la posibilidad de introducir en el centelleador sustancias necesarias en experimentos especiales;

La aparición de centelleos se observó cuando partículas cargadas atravesaron 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 el mayor rendimiento luminoso. La presencia de un 10% de xenón en helio proporciona un rendimiento luminoso incluso mayor que el del xenón puro (Fig. 3). Mezclas insignificantemente pequeñas de otros gases reducen drásticamente la intensidad del centelleo en los gases nobles.

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

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

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

Para igualar la sensibilidad espectral de los fotomultiplicadores se utilizan convertidores de luz, ya que la mayor parte del espectro de luminiscencia se encuentra en la región ultravioleta lejana. Los convertidores de luz deben tener un alto coeficiente de conversión, transparencia óptica en capas finas, 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 aproximadamente 1), P 1 p'-cuaterfenilo (~1), antraceno (0,34), etc. El convertidor de luz se aplica en una capa fina al fotocátodo del PMT. Un parámetro importante del convertidor de luz es su tiempo de iluminación. En este sentido, los convertidores orgánicos son bastante satisfactorios (10 -9 segundo o varias unidades por 10 -9 segundo). Para aumentar la captación de luz, las paredes internas de la cámara de centelleo suelen estar recubiertas con reflectores de luz (MgO, esmalte a base de óxido de titanio, fluoroplástico, óxido de aluminio, etc.).

El fotocátodo, el sistema de enfoque, el sistema multiplicador (dínodos) y el ánodo (colector) son los elementos principales de un fotomultiplicador. Todos estos elementos están ubicados en un cilindro de vidrio, evacuado a alto vacío (10 -6 mmHg).

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

Arroz. 4. Diagrama esquemático de un fotomultiplicador.

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).

Una de sus características es también el rendimiento cuántico del cátodo, es decir, la probabilidad de que un fotoelectrón sea arrancado por un fotón que incide sobre el fotocátodo. El valor de e puede alcanzar el 10-20%.

El fotocátodo se aplica al vidrio en forma de una fina capa translúcida. El espesor de esta capa importa. Por un lado, para una alta absorción de luz debe ser significativa; por otro lado, los fotoelectrones resultantes, que tienen muy baja energía, no podrán abandonar la capa gruesa y el rendimiento cuántico efectivo puede resultar pequeño. así se selecciona el espesor óptimo del fotocátodo. También es importante asegurar un espesor uniforme del fotocátodo para que su sensibilidad sea la misma en toda el área.

En la espectrometría de centelleo de rayos g, a menudo es necesario utilizar centelleadores sólidos de grandes tamaños, tanto en espesor como en diámetro, por lo que existe la necesidad de fabricar fotomultiplicadores con grandes diámetros de fotocátodo.

Los fotocátodos de los fotomultiplicadores domésticos se fabrican con un diámetro que va desde varios centímetros hasta 15¸20 cm. Los fotoelectrones expulsados ​​del fotocátodo deben enfocarse en el primer electrodo multiplicador. Para ello se utiliza un sistema de lentes electrostáticas, que son una serie de diafragmas de enfoque. Para obtener buenas características de sincronización de un fotomultiplicador, es importante crear un sistema de enfoque tal que los electrones caigan sobre el primer dínodo con una dispersión de tiempo mínima.

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

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

"M" = CM,

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

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

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

Centrados en el primer dínodo, los fotoelectrones eliminan de él electrones secundarios. El número de electrones que salen del primer dínodo es varias veces mayor que el número de fotoelectrones. Todos ellos se envían al segundo dínodo, donde también eliminan electrones secundarios, etc., de dínodo a dínodo, el número de electrones aumenta s veces. Al pasar por todo el sistema de dinodos, el flujo de electrones aumenta de 5 a 7 órdenes de magnitud y llega al ánodo, el electrodo colector del fotomultiplicador. Si el fotomultiplicador funciona en modo actual, entonces el circuito del ánodo incluye dispositivos que amplifican y miden la corriente. Al registrar la radiación nuclear, normalmente es necesario medir el número de pulsos generados por partículas ionizantes, así como la amplitud de estos pulsos. En estos casos, se conecta una resistencia al circuito del ánodo, en la que se produce un impulso de tensión.

La Figura 4 muestra un diseño esquemático de un fotomultiplicador. El alto voltaje que alimenta el fotomultiplicador se conecta al cátodo con su polo negativo y se distribuye entre todos los electrodos. La diferencia de potencial entre el cátodo y el diafragma asegura que los fotoelectrones se enfoquen en el primer electrodo multiplicador.

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

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

• distribución uniforme de la luz a lo largo del fotocátodo;
• sin influencia de campos magnéticos;
• mejor captación de luz centelleante en el fotocátodo;
• oscurecimiento por luz de fuentes extrañas;
• estabilidad de la ganancia PMT.

Cuando se utilizan contadores de centelleo, siempre es necesario lograr la relación más alta entre la amplitud de los impulsos de señal y la amplitud de los impulsos de ruido, lo que obliga a utilizar de forma óptima las intensidades de los destellos que se producen en el centelleador.

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

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

1 centelleador líquido;

Carcasa protectora de 3 luces.

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

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

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

Arroz. 7. Parte del circuito divisor.

uno de los dínodos se mantiene constante en relación con el potencial del dínodo anterior, ya sea con la ayuda de una batería adicional o con la ayuda de un divisor estabilizado adicionalmente. La figura 7 muestra parte del circuito divisor, donde se conecta una batería adicional entre los dinodos D 5 y D 6. ( U b = 90 V). 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 impulsos 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 electrones termoiónicos procedentes del fotocátodo o incluso de los primeros dinodos. Para reducir el ruido de un fotomultiplicador, a menudo se utiliza su refrigeración. Al registrar radiación que crea pulsos de gran amplitud, se incluye un discriminador en el circuito de grabación que no deja pasar los pulsos de ruido.

Arroz. 5. Circuito de supresión de ruido PMT.

Considere el siguiente ejemplo:

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

Luego, se produce una selección temporal de pulsos que surgen de la partícula detectada: un destello de luz que surge en el centelleador de la partícula detectada golpeará simultáneamente los fotocátodos de ambos fotomultiplicadores, y aparecerán pulsos simultáneamente en su salida, lo que hará que funcione el circuito de coincidencia. La partícula quedará registrada. Los impulsos de ruido en cada uno de los fotomultiplicadores aparecen independientemente unos de otros y, en la mayoría de los casos, no serán registrados por el circuito de coincidencia. Este método permite reducir el fondo intrínseco del fotomultiplicador en 2-3 órdenes de magnitud.

El número de pulsos de ruido depende de la magnitud del voltaje aplicado y aumenta con su crecimiento al principio con bastante lentitud, luego el aumento aumenta bruscamente. La razón de este fuerte aumento del fondo es la emisión de campo desde los bordes afilados de los electrodos y la aparición de un acoplamiento iónico de retroalimentación entre los últimos dinodos y el fotocátodo del fotomultiplicador.

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

El centelleador no se puede colocar directamente sobre el fotocátodo del fotomultiplicador en algunos experimentos, por ejemplo, cuando se realizan mediciones en el vacío, en campos magnéticos, en campos fuertes de radiación ionizante, luego se utiliza una guía de luz para transmitir luz desde el centelleador a el fotocátodo. Como guías de luz se utilizan varillas pulidas de materiales transparentes como lucite, plexiglás, poliestireno, así como tubos de metal o plexiglás llenos de un líquido transparente. Las pérdidas de luz en una guía de luz dependen de sus dimensiones geométricas y del material. Algunos experimentos requieren el uso de guías de luz curvas. Es mejor utilizar guías de luz con un gran radio de curvatura. Las guías de luz también permiten conectar centelleadores y fotomultiplicadores de diferentes diámetros. En este caso se utilizan tubos de luz en forma de cono. El PMT se acopla a un centelleador de líquido, ya sea a través de una guía de luz o por contacto directo con el líquido. La Figura 6 muestra un ejemplo de acoplamiento de un fotomultiplicador con un centelleador líquido. En varios modos de funcionamiento, el PMT recibe un voltaje de 1000 a 2500 v. Dado que la ganancia PMT depende en gran medida del voltaje, la fuente de corriente de suministro debe estar bien estabilizada. Además, es posible la autoestabilización.

Normalmente, el centelleador se empaqueta en un recipiente metálico cubierto en un extremo con vidrio plano. Entre el recipiente y el centelleador hay una capa de material que refleja la luz y facilita su liberación más completa. La mayor reflectividad tiene óxido de magnesio (0,96), dióxido de titanio (0,95), yeso (0,85-0,90), también se utiliza aluminio (0,55-0,85).

Se debe prestar especial atención al embalaje cuidadoso de los centelleadores higroscópicos. Por ejemplo, el fósforo NaJ (Tl) más utilizado es muy higroscópico y cuando la humedad penetra en él se vuelve amarillo y pierde sus propiedades de centelleo. No es necesario empaquetar los centelleadores de plástico en recipientes herméticos, pero para aumentar la captación de luz, se puede rodear el centelleador con un reflector. Todos los centelleadores sólidos deben tener una ventana de salida en uno de los extremos, la cual está conectada al fotocátodo del PMT. Puede haber una pérdida significativa de la intensidad de la luz de centelleo en la unión. Para evitar estas pérdidas, se introducen aceites bálsamo de Canadá, minerales o silicona entre el centelleador y el PMT y se crea un contacto óptico.

En 1952, los físicos soviéticos Zavoisky fotografiaron por primera vez rastros de partículas ionizantes en sustancias luminiscentes utilizando sensibles convertidores electrón-ópticos (COE). Los primeros experimentos se llevaron a cabo utilizando un cristal de CsJ(Tl).

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

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

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 diversas reacciones nucleares a menudo se encuentran en un estado excitado. Una característica muy importante del estado excitado de un núcleo es su vida útil. t. Conocer este valor permite obtener mucha información sobre la estructura del núcleo.

Los núcleos atómicos pueden estar en estado excitado durante diferentes momentos. Existen varios métodos para medir estos tiempos. Los contadores de centelleo han demostrado ser muy convenientes para medir la vida útil de los niveles nucleares desde varios segundos hasta fracciones muy pequeñas de segundo.

Como ejemplo del uso de contadores de centelleo para medir la vida útil de los estados excitados de los núcleos, consideremos el método de coincidencia retardada.

Deje que el núcleo A (ver Fig. 10) se transforme en un núcleo mediante la desintegración b. EN en estado excitado, que cede su exceso de energía a la emisión secuencial de dos g-cuantos (g 1,g 2). Se requiere determinar la vida útil del estado excitado. I.

Se instala una preparación que contiene el isótopo A entre dos contadores con cristales de NaJ(Tl) (Fig. 8). Los pulsos generados en la salida PMT se alimentan a un circuito de coincidencia rápida con un tiempo de resolución de ~10 -8 -10 -7 segundo. Además, los pulsos se envían a amplificadores lineales y luego a analizadores de amplitud. Estos últimos están configurados de tal forma que transmiten impulsos de una determinada amplitud. Para nuestro propósito, es decir con el fin de medir el nivel de vida útil I(ver Fig. 10), analizador de amplitud AAI solo deben pasar pulsos correspondientes a la energía de los cuantos g 1 y el analizador AAII-g 2 .

Fig.8. Diagrama esquemático para determinar.

Vida útil de los estados excitados de los núcleos.

A continuación, los pulsos de los analizadores, así como del circuito de coincidencia rápida, se alimentan al lento (t~10 -6 segundo) patrón de triple coincidencia. El experimento estudia la dependencia del número de coincidencias triples del valor del retardo del pulso incluido en el primer canal del circuito de coincidencia rápida. Normalmente, el pulso se retrasa utilizando la llamada línea de retardo variable LZ (Fig. 8). La línea de retardo debe conectarse exactamente al canal en el que se detecta el cuanto g 1, ya que se emite antes que el cuanto g 2. Como resultado del experimento, se construye una gráfica semilogarítmica de la dependencia del número de coincidencias triples con el tiempo de retardo (Fig. 9), y a partir de esto se determina la vida útil del nivel excitado. I(igual que cuando se determina la vida media usando un solo detector).

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

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

Casi todas las propiedades de los neutrinos, las partículas elementales más misteriosas, se obtienen a partir de datos indirectos.

Los neutrinos pueden viajar a través de enormes espesores de materia sin interactuar con ella. Durante la desintegración radiactiva de los núcleos se emiten dos tipos de neutrinos. Así, durante la desintegración de positrones, el núcleo emite un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula n). Durante la desintegración de los electrones, se emiten un electrón (partícula) y un antineutrino (`n-antipartícula).

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

La esperanza en la detección de 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, 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 - un flujo de enorme densidad, y eligiendo un detector de antineutrinos adecuado se podría intentar detectarlos. Raines y Cowan hicieron un intento de este tipo en 1954. Los autores utilizaron la siguiente reacción:

norte+ p ® norte + mi + (1)

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

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

El ritmo de conteo de coincidencias retrasadas fue de tres conteos por hora. A partir de estos datos se encontró que la sección transversal de reacción (Fig. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10-43 cm 2, que está cerca del valor calculado.

Hoy en día se utilizan contadores de centelleo de gran tamaño en muchos experimentos, en particular en experimentos para medir los flujos de rayos gamma 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 gases es su baja sensibilidad a los rayos g, ya que la aparición de partículas pesadas cargadas suele ir acompañada de un intenso flujo de rayos g.

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

Sólo un dispositivo con mejor resolución temporal permitirá utilizar grandes cantidades de material fisionable sin superponer pulsos entre sí. En este sentido, los contadores de centelleo de gas tienen una ventaja significativa sobre las cámaras de ionización pulsada, ya que la duración del pulso de estas últimas es 2-3 órdenes de magnitud mayor que la de los contadores de centelleo de gas.

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

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

Para estos fines se utilizan una fuente de radiación g y un detector de rayos g. El mejor detector en este caso es un contador de centelleo, que tiene una alta eficiencia de registro.

Este tipo de experimento se presenta de la siguiente manera. La fuente de radiación se coloca en un recipiente de plomo, del que sale un haz estrecho de rayos G a través de un orificio del colimador, iluminando un tubo en cuyo lado opuesto está instalado un contador de centelleo. La fuente y el contador están colocados sobre un mecanismo móvil que les permite moverse a lo largo de la tubería y también girarlos alrededor de su eje. Al atravesar el material de la tubería, el haz de rayos G será parcialmente absorbido; si la tubería es homogénea, la absorción será la misma en todas partes y el contador siempre registrará el mismo número (en promedio) de cuantos g por unidad de tiempo, pero si hay una cáscara en algún lugar de la tubería, entonces g -Los rayos se absorberán menos en este lugar y la velocidad de conteo aumentará. Se revelará la ubicación del fregadero.

Además de los enumerados anteriormente, se pueden dar muchos ejemplos de dicho uso de contadores de centelleo.

Literatura:

1. J. Birks. Contadores de centelleo. M., IL, 1955.
2. V.O.Vyazemsky, I.I. Lomonósov, V.A. Ruzín. Método de centelleo en radiometría. M., Gosatomizdat, 1961.
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4. PENSILVANIA. Tishkin. Métodos experimentales de física nuclear (detectores de radiación nuclear).

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