Лабораторная работа «Сцинтилляционные счетчики» Руководитель к ф. м н. Алешин Виктор Иванович Тел 196 77 63 Цель работы

Вид материала

Лабораторная работа

Содержание Принцип работы сцинтилляционного счетчика Описание детектора. Схематично детектор изображен на рисунке. Измерения в лабораторной работе Схема установки

Подобный материал:

• Лабораторная работа №2-16 Цель работы, 197.15kb.
• Управление проектами в сфере информационных технологий. Лабораторная работа № Цель, 223.72kb.
• Лабораторная работа №18 Создание форм в субд access Цель работы, 20.28kb.
• Лабораторная работа 5 Вариант 11 Цель работы, 15.18kb.
• Лабораторная работа №3·09а получение и исследование света с различными состояниями, 128.34kb.
• Методические возможности стенда Особенности работы на стендах уилс-1 Ознакомительное, 1487.3kb.
• Лабораторная работа, 35.27kb.
• Лабораторная работа, 631.21kb.
• Лабораторная работа №14, 44.3kb.
• Лабораторная работа №1. Командный интерпретатор, 418.36kb.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Сцинтилляционные счетчики»


Руководитель к.ф.-м.н.

Алешин Виктор Иванович

Тел 196 77 63


Цель работы:

Ознакомить слушателей и дать практические знания о принципах работы сцинтилляторов, фотоумножителей, электроники и первичной обработкой различных спектров, а также провести калибровки детекторов, сделать оценки и сравнение световыходов различных сцинтилляторов.


Задача данного описания:

Данное описание лабораторной работы ставит перед собой цель дать представление слушателям о предстоящей работе и самостоятельно приобрести (из литературы, интернета, лекций) необходимые первичные знания.

Принцип работы сцинтилляционного счетчика:

Принцип работы сцинтилляционного счетчика (т.е. сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя) предлагается изучить самостоятельно. Для этого рекомендуется литература, а также приложение расположенные в конце данного описания.


Описание детектора.

Детектор состоит из следующих основных компонентов

• светозащитный кожух
  
• собственно сцинтилляционный детектор (ФЭУ+сцинтиллятор) размещенные в светозащитном кожухе
  
• электронный тракт, содержащий низковольтное и высоковольтное питание, предварительный усилитель сигналов, усилитель-инвертор импульсов
  
• амплитудный анализатор SBS-40 встроенный в персональный компьютер
  

Схематично детектор изображен на рисунке.

Измерения в лабораторной работе

В лабораторной работе будет необходимо:

1. Провести измерение энергетических спектров на кристалле CsJ(Tl) от трех источников ²⁰⁷Bi, ²²Th, ¹³⁷Cs с извесными энергиями
   
2. На основе этих измерений проверить линейность тракта и определить энергетическую шкалу (Мэв/канал)
   
3. Определить неизвестный источник по наблюдаемому пику
   
4. Провести измерения энергетического спектра на пластическом сцинтилляторе от бета-источника ²⁰⁷Bi
   
5. Найти эффективное количество фотоэлектронов, основываясь на измереной величины полуширины измеренного пика
   
6. Провести сравнение световыхода пластического и кристалического сцинтилляторов
   
7. Оформить измерения и результаты в письменном виде
   

СХЕМА УСТАНОВКИ





Fig. 1.


Fig. 1.


Приложение

Сцинтилляционный счётчик, прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, -квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (-частиц, осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики в начале 20 в. (см. Спинтарископ). Позднее С. с. был полностью вытеснен ионизационными камерами и пропорциональными счётчиками. Его возвращение в ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки.

  Принцип действия С. с. состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны (см. Люминесценция). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны (см. Фотоэлектронная эмиссия), в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется (см. рис.). Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, -квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и -квантов с атомами сцинтиллятора.

  В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили пластики, которые легко изготовляются, механически обрабатываются и дают интенсивное свечение. Важной характеристикой сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию (конверсионная эффективность ). Наибольшими значениями обладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, активированный Tl [NaI (Tl)], антрацен и ZnS. Др. важной характеристикой является время высвечивания , которое определяется временем жизни на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется экспоненциально: , где I₀ — начальная интенсивность. Для большинства сцинтилляторов  лежит в интервале 10^–9 — 10^–5 сек. Короткими временами свечения обладают пластики (табл. 1). Чем меньше , тем более быстродействующим может быть сделан С. с.

  Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения. Для регистрации медленных нейтронов в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водородсодержащие сцинтилляторы (см. Нейтронные детекторы). Для спектрометрии -квантов и электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером (см. Гамма-излучение).

  С. с. изготавливают со сцинтилляторами разных размеров — объёмом от 1—2 мм³ до 1—2 м³. Чтобы не «потерять» излученный свет, необходим хороший контакт ФЭУ со сцинтиллятором. В С. с. небольших размеров сцинтиллятор непосредственно приклеивается к фотокатоду ФЭУ. Все остальные его стороны покрываются слоем светоотражающего вещества (например, MgO, TiO₂). В С. с. большого размера используют световоды (обычно из полированного органического стекла).

  ФЭУ, предназначенные для С. с., должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (10⁸—10⁸), малым временем собирания электронов (~ 10^–8 сек) при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени С. с. 10^–9 сек. Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 в.

  Табл. 1. — Характеристики некоторых твёрдых и жидких сцинтилляторов,

применяемых в сцинтилляционных счётчиках

Вещество	Плотность, г/см3	Время высвечивания, , 10-9 сек.	Длина волны в максимуме спектра,	Конверсионная эффективность , %   (для электронов)
Кристаллы
Антрацен C14 H10	1,25	30	4450	4
Стильбен C14H12	1,16	6	4100	3
NaI (Tl)	3,67	250	4100	6
ZnS (Ag)	4,09	11	4500	10
Csl (Tl)	4,5	700	5600	2
Жидкости
Раствор р-терфенила в ксилоле (5 г/л) с добавлением РОРОР1 (0,1 г/л)	0,86	2	3500	2
Раствор р-терфенила в толуоле (4 г/л) с добавлением РОРОР (0,1г/л)	0,86	2,7	4300	2,5
Пластики
Полистирол с добавлением р-терфенила (0,9%) и a-NPO2 (0,05 весовых %)	1,06	2,2	4000	1,6
Поливинилтолуол с добавлением 3,4% р-терфенила и 0,1 весовых % РОРОР	1,1	3	4300	2

  ¹РОРОР — 1,4-ди-[2-(5-фенилоксазолил)]-бензол.   ²NPO — 2-(1-нафтил)-5-фенилоксазол.

  Достоинства С. с.: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам С. с. широко применяется в ядерной физике, физике элементарных частиц и космических лучей, в промышленности (радиационный контроль), дозиметрии, радиометрии, геологии, медицине и т. д. Недостатки С. с.: малая чувствительность к частицам низких энергий ( 1 кэв), невысокая разрешающая способность по энергии (см. Сцинтилляционный спектрометр).

  Для исследования заряженных частиц малых энергий (< 0,1 Мэв) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов применяются газы (табл. 2). Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введён в объём газового сцинтиллятора. Однако газовые сцинтилляторы требуют высокой чистоты газа и специального ФЭУ с кварцевыми окнами (значительная часть излучаемого света лежит в ультрафиолетовой области).

  Табл. 2. — Характеристики некоторых газов, применяемых в качестве

сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках (при давлении 740 мм

рт. ст., для -частиц с энергией 4,7 Мэв)

Газ	Время высвечивания , сек	Длина волны в максимуме спектра,	Конверсионная эффективность n, %
Ксенон	10–8	3250	14
Криптон	10–8	3180	8,7
Аргон	10–8	2500	3
Азот	310–9	3900	2

 

 


Литература

Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, .: М., Наука, 1966;

А.И.Абрамов, Ю.А. Казанский, Е.С. Матусевич Основы экспериментальных методов ядерной физики, М., Атомиздат 1977.





Схема сцинтилляционного счётчика: кванты света (фотоны) «выбивают» электроны с фотокатода; двигаясь от динода к диноду, электронная лавина размножается.