Scintillateur- détecteur de rayonnement professionnel.
Il est basé sur certaines substances - on les appelle des phosphores, qui réagissent à la pénétration d'une particule ionisante dans leur épaisseur avec un bref éclair de lumière.
Voici quelques-unes de ces substances : NaJ Tl (iodure de sodium modifié avec du thallium), KJ Tl, CaJ Tl, CsJ, LiJ Tl, CdWO 4, CaWO 4, ZnS Ag, CdS Ag.
Le flash au phosphore est converti en impulsion électrique par un dispositif photosensible situé à proximité. En règle générale, des tubes photomultiplicateurs (PMT) sont utilisés à ce titre.

Un détecteur à scintillation, qui n'est pas un appareil à avalanche, présente un certain nombre d'avantages importants par rapport aux compteurs Geiger :

• par l'amplitude et la durée du flash, on peut juger du type et de l'énergie de la particule qui l'a généré (il est très facile, par exemple, de distinguer un flash généré par une particule alpha d'un flash provoqué par un électron).
• il est capable de distinguer des impulsions séparées par des intervalles de temps très courts, c'est-à-dire qu'il a, comme on dit, une haute résolution.
• les luminophores sont, en règle générale, des détecteurs de particules ionisantes beaucoup plus efficaces que les compteurs Geiger de même volume.

Mais un scintillateur n’est pas seulement du phosphore. Pour que le photodétecteur enregistre le plus grand nombre possible d'éclairs de phosphore, il est placé dans un récipient métallique résistant à la lumière, dont la surface intérieure est dotée d'un revêtement qui réfléchit bien la lumière (généralement du magnésium). Le cylindre doit avoir un «fond» très fin, capable d'affaiblir le moins possible les rayonnements ionisants pénétrant dans le phosphore, et une fenêtre de sortie transparente qui le protège des effets néfastes de l'environnement extérieur. Les pertes optiques dues aux réflexions intra-ballon et à la transition phosphore-PMT sont minimisées de toutes les manières possibles. En d’autres termes, le détecteur à scintillation lui-même est un dispositif opto-électronique.

Des scintillateurs avec divers luminophores, de grand et petit volume, avec des « fenêtres » d'un diamètre de 10...15 mm à 100 mm ou plus, sont produits par notre industrie depuis de nombreuses années. Mais si les compteurs Geiger sont finalement devenus disponibles (même si leur mise en vente publique a été retardée de plusieurs années, même après Tchernobyl), cela n'est jamais arrivé avec les scintillateurs...

Pour un radioamateur, les détecteurs à scintillation au phosphore liquide peuvent être intéressants, qui ne sont pas difficiles à réaliser soi-même. Dans le tableau 1 montre une liste de substances qui, lorsqu'elles sont dissoutes dans le xylène (concentration - plusieurs grammes par litre), deviennent du phosphore.

Tableau 1
Efficacité relative de conversion du phosphore dissous dans le xylène (l'efficacité de conversion du cristal d'anthracène est considérée comme une seule)

Substance	Efficacité de conversion
Anthracène	0,060
Acide anthrailique	0,15
Diphénylbutadiène	0,12
Diphénylhexatriène	0,14
Düren	0,048
Fluoranthène	0,075
P-amitnobenzoate de méthyle	0,062
Phényl a-naphtylamine	0,23
p-terphényle	0,48
sh-terphényle	0,20
Carbazole	0,12
Fluorène	0,15
Naphtaline	0,032
a-naphtylamine	0,17
p-naphtylamine	0,13
Piren	0,086
Stilbène	0,038

Mais le détecteur à scintillation au phosphore liquide n'est pas seulement remarquable par sa simplicité. Si, par exemple, un grain suspecté de contamination α est placé dans cette solution, des éclairs lumineux apparaîtront dans la couche de phosphore la plus fine en contact avec lui, qui peuvent être facilement enregistrés par un photomultiplicateur (rayonnement α de la surface d'un grain suspecté de contamination α). un objet de configuration complexe ne sera probablement pas détecté du tout par un compteur Geiger).

La partie électronique de l'appareil dosimétrique avec détecteur à scintillation ne présente pas de difficultés particulières pour le radioamateur, voir .......................... ........

Laboratoire 3

ETUDE DU PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UN DÉTECTEUR À SCINTILLATION

But du travail: étudier les bases de la méthode de scintillation pour détecter les rayonnements ; étudier le dispositif d'un détecteur à scintillation et déterminer l'efficacité de l'enregistrement du rayonnement gamma du Cs - 137.

DISPOSITIF DÉTECTEUR DE SCINTILLATION

Introduction

La méthode de détection de particules par scintillation est l’une des méthodes de détection les plus anciennes. En 1919, lors d'expériences sur la diffusion de particules chargées sur les noyaux, E. Rutherford et ses collègues ont enregistré des particules a en observant visuellement des éclairs de lumière dans ZnS(Ag). Cependant, la méthode de détection des particules par scintillation n'a été largement développée qu'après l'invention des tubes photomultiplicateurs - des dispositifs capables de détecter de faibles éclairs lumineux.

L'un des premiers photomultiplicateurs a été construit en URSS au début des années 40 du XXe siècle. Et depuis 1947, un développement intensif de la méthode d'enregistrement par scintillation a commencé. En raison de leur grande efficacité, les détecteurs à scintillation et les spectromètres sont utilisés en physique nucléaire, en biologie, en géologie, en médecine et dans d’autres branches de la science et de la technologie.

Les principaux éléments d'un détecteur à scintillation sont scintillateur, photomultiplicateur(PMT), Système optique pour coupler le scintillateur et le photomultiplicateur.

Lorsqu'elles interagissent avec la substance scintillante, les particules chargées perdent leur énergie pour exciter et ioniser les atomes du milieu. Le rayonnement gamma, en tant que rayonnement indirectement ionisant, ne produit pas directement d'ionisation ni d'excitation : les atomes de la substance scintillante sont ionisés et excités par les électrons formés lors de l'interaction du rayonnement gamma avec la substance scintillante. Le rayonnement qui apparaît lorsque l'excitation des atomes est supprimée sort du milieu sous forme d'éclairs lumineux-scintillations, dont le nombre de photons dépend à la fois des propriétés et des dimensions du scintillateur, ainsi que du type de particules et de la énergie transférée au scintillateur par ces particules.

Pour enregistrer ces scintillations, on utilise un photomultiplicateur qui convertit les éclairs lumineux en impulsions de tension électrique, qui entrent ensuite dans l'unité de mesure.

Principales caractéristiques des scintillateurs

Les scintillateurs sont généralement appelés substances qui, sous l'influence de rayonnements ionisants, émettent des photons dans la partie visible ou ultraviolette du spectre. De plus, s'il existe une forte probabilité que des photons soient émis par des atomes et des molécules dans des états excités, la probabilité d'absorption de ces photons émis par la substance scintillante elle-même devrait être faible : c'est-à-dire que le spectre d'émission du rayonnement électromagnétique devrait être décalé par rapport à celui-ci. au spectre d'absorption.

Toutes les substances scintillantes peuvent être divisées en trois classes : basées sur certains composés organiques, cristaux inorganiques et gaz.

Parmi les composés organiques, on utilise le plus souvent des solutions liquides et solides de composés aromatiques ou des monocristaux d'anthracène, de stilbène, de tolane, etc.

Les scintillateurs les plus courants fabriqués à partir de cristaux inorganiques sont les iodites de métaux alcalins activés par le thallium et le sulfure de zinc activé par l'argent : NaJ(Tl), CsJ(Tl), ZnS(Ag). Les cristaux purs non activés à température ambiante n'ont pas de propriétés scintillantes.

Du point de vue de la détection des rayonnements, tous les scintillateurs, tant organiques qu'inorganiques, doivent satisfaire à certaines exigences telles que général, et spécial, déterminé par la nature des particules détectées.

Tout d'abord, la substance doit avoir un rendement lumineux élevé, défini comme le rapport entre le nombre moyen de photons produits lors d'une scintillation et l'énergie perdue par la particule détectée dans le scintillateur :

Le nombre de photons sortant du scintillateur présentant un intérêt pratique, il convient d'introduire la notion de rendement lumineux externe :

où est le coefficient de photon émis par le scintillateur. Il convient de noter que le rendement lumineux externe dépend de l'ampleur du décalage des spectres d'émission et d'absorption, c'est-à-dire de la transparence du scintillateur par rapport à son propre rayonnement, ainsi que de l'épaisseur du scintillateur, de la quantité d'impuretés qui diminuent sa transparence, sur l'état de ses surfaces, etc. Dans l'idéal des scintillateurs absolument transparents à leur propre rayonnement =.

En plus du rendement lumineux, nous pouvons introduire le concept de rendement énergétique x, qui exprime le rapport entre l'énergie des photons apparaissant au cours du processus d'une scintillation et l'énergie E, perdu par la particule détectée dans le scintillateur :

X = ,

où est l'énergie moyenne des photons de scintillation.

Le processus de scintillation prend un temps limité. Étant donné que le temps de montée de la scintillation est nettement inférieur au temps de décroissance (décroissance de la scintillation), alors dans tous les cas pratiques, la durée de la scintillation dans son ensemble ne peut être caractérisée que par la constante de temps t de décroissance du processus :

Valeur t – temps pendant lequel l'intensité de l'éclairage J. tombe dans e une fois. Dans les expériences où une résolution temporelle élevée est requise, les scintillateurs sont sélectionnés avec un temps d'exposition suffisamment court.

Cristaux inorganiques scintillants utilisés (NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Sn), LiJ(Tl), ZnS(Ag ) ) se caractérisent par un rendement lumineux et une durée d'éclairage importants (environ 10–4 – 10–7 s). Les cristaux organiques (stilbène, anthracène et autres) se caractérisent non seulement par un flux lumineux inférieur à celui des cristaux inorganiques, mais également par un temps de luminescence plus court (environ 10–8 – 10–9 s). Parmi les solutions scintillantes organiques, on utilise habituellement le paraterphényle dans le xylène.

Processus se produisant dans les tubes photomultiplicateurs

et leurs principales caractéristiques

L'impulsion lumineuse générée dans le scintillateur lors du passage d'une particule ionisante est convertie en impulsion électrique à l'aide d'un photomultiplicateur.

Un tube photomultiplicateur est une cellule photoélectrique à amplification multiple, basée sur le phénomène d'émission d'électrons secondaires. Il est constitué d'une photocathode 4 , dispositif de mise au point 5 , plusieurs dynodes 6 et anode 8 (Fig. 1). Toutes les électrodes PMT sont placées dans un cylindre sous vide poussé. La photocathode se présente sous la forme d'une fine couche translucide et est située sur la face interne de la paroi d'extrémité du cylindre en verre PMT. Pour augmenter le coefficient d'émission secondaire, les dynodes sont recouvertes d'un film mince d'une substance à faible travail de sortie pour les électrons.

Lorsqu'un photomultiplicateur fonctionne, certaines différences de potentiel sont appliquées à toutes ses électrodes. En pénétrant à travers le verre transparent, les quanta de lumière arrachent un certain nombre d'électrons à la couche photosensible de la photocathode. Les photoélectrons émergeant à différentes vitesses et sous différents angles par rapport à la surface de la cathode sont accélérés champ électrique sous vide et grâce à un système de focalisation, ils sont collectés sur la première dynode du multiplicateur.

1 – source radioactive ; 2 – scintillateur ; 3 – guide de lumière ; 4 – photocathode PMT ; 5 – des électrodes de focalisation ; 6 – les dynodes ; 7 – les photoélectrons ; 8 – anodes ; 9 – diviseur PMT ; 10 – résistance à la charge.

Lorsque les électrons frappent la première dynode, une émission d’électrons secondaires se produit. Les électrons expulsés de la première dynode sont à nouveau accélérés dans l'espace interélectrode suivant et, tombant sur la deuxième dynode, provoquent à leur tour une émission d'électrons secondaires à partir de la deuxième dynode. Pour caractériser l'émission électronique, une quantité appelée coefficient d'émission secondaire s est introduite, qui correspond au nombre d'électrons secondaires éliminés par un électron primaire. Le processus décrit se produit séquentiellement sur toutes les dynodes et, en fonction des propriétés et du nombre de dynodes pour s > 1, le nombre d'électrons sur les dernières dynodes peut dépasser le nombre initial de photoélectrons de plusieurs ordres de grandeur. Les électrons de la dernière dynode sont collectés à l'anode du tube photomultiplicateur.

Les phénomènes physiques qui sous-tendent le fonctionnement des photomultiplicateurs - l'effet photoélectrique et l'émission d'électrons secondaires - sont de nature statistique. Par conséquent, les paramètres PMT ont également un caractère statistique et, en parlant d'eux, nous entendrons les valeurs moyennes de ces paramètres.

Les caractéristiques de la photocathode forment un groupe de paramètres PMT. Parmi ceux-ci, les plus importants sont le rendement quantique, les caractéristiques spectrales et la sensibilité intégrale.

Rendement quantique la photocathode e représente la probabilité qu'un photoélectron soit éjecté par un photon frappant la photocathode. Cela implique que la lumière incidente sur la photocathode est proche du monochromatique. Le rendement quantique dépend de la longueur d'onde de la lumière incidente, du matériau de la photocathode et de son épaisseur. Numériquement, il est généralement exprimé en pourcentage.

La dépendance de e sur la longueur d'onde l de la lumière incidente est appelée caractéristiques spectrales photocathode et est désignée e(l).

Non seulement le nombre de photons émis par le scintillateur est pratiquement significatif, mais également le degré de chevauchement du spectre optique externe de scintillation avec la caractéristique spectrale e(n) d'un photomultiplicateur donné, déterminé par le coefficient d'adaptation :

.

Sensibilité intégrale la photocathode est le rapport entre le photocourant et le flux lumineux incident sur la photocathode lorsque la photocathode est éclairée par une source de lumière blanche avec une certaine température de couleur.

La collection de photoélectrons à la première dynode est caractérisée par le coefficient de collection je, qui peut prendre des valeurs de 0 à 100 %.

Le système multiplicateur PMT est caractérisé gagner M. Cette dernière est définie comme le rapport de la valeur actuelle à la sortie du photomultiplicateur à sa valeur à l'entrée du système multiplicateur. Le gain du photomultiplicateur est égal à : où a est le coefficient qui détermine la fraction d'électrons tombant d'une dynode à l'autre ; – facteur d'émission secondaire je-ème dynode.

Il convient de noter que le coefficient d'émission secondaire s dépend non seulement du matériau et de l'état de la surface de la dynode, mais également de l'énergie des électrons primaires, c'est-à-dire de la différence de potentiel accélératrice appliquée à deux dynodes adjacentes : avec une énergie électronique croissante , s augmente d'abord, puis au-dessus de l'énergie de 100 à 1 000 eV (selon le matériau), elle diminue. Physiquement, ce comportement peut s'expliquer comme suit. Les électrons primaires, entrant dans le matériau de la dynode, transfèrent leur énergie à de nombreux électrons du milieu à la suite de collisions élastiques et inélastiques. Plus l’énergie de l’électron primaire est élevée, plus il transfère son énergie à d’électrons. Mais plus l’énergie de l’électron primaire est élevée, plus il pénètre en profondeur et, par conséquent, plus la profondeur dans laquelle les électrons secondaires acquièrent de l’énergie est grande. Ces derniers ne peuvent quitter le matériau de la dynode que s'ils se sont formés à une profondeur inférieure à la longueur de leur parcours dans ce matériau.

Gagner en dépendance M. de la tension d'alimentation est illustré à la Fig. 2 (données de la littérature).

Riz. 2. Dépendance du gain PMT

sur la différence de potentiel entre dynodes pour le nombre de dynodes n= 10 et σmax = 10

À valeurs élevées courants instantanés dus à ou à un gain très élevé M., soit une intensité de flash très élevée, est due à l'influence de la charge d'espace, qui déforme le champ au niveau de l'anode et des dernières dynodes (ligne pointillée) . Pour certains photomultiplicateurs, cet effet est perceptible à des courants anodiques d'environ 1 mA.

Le produit du gain PMT et du coefficient de collection de la première dynode et de la sensibilité intégrale de la photocathode est appelé sensibilité générale PMT.

Même si aucun flux lumineux ne tombe sur la photocathode PMT, un certain courant, appelé courant d'obscurité, est toujours observé à la sortie du PMT. La raison en est l'émission thermoionique de la surface de la photocathode et des premières dynodes, l'émission froide d'électrons de champ, la radioactivité du matériau à partir duquel le photomultiplicateur est fabriqué et un certain nombre d'autres raisons.

FONCTIONNEMENT DU DÉTECTEUR À SCINTILLATION

L'ensemble d'un détecteur à scintillation consiste en un couplage rationnel du scintillateur et du photomultiplicateur, qui fournirait, avec le rapport le plus élevé des amplitudes des impulsions provoquées par la source radioactive et le courant d'obscurité, la meilleure résolution du détecteur tant en amplitude et dans le temps. Le scintillateur, qui a généralement la forme d'un cylindre, est installé devant la photocathode du multiplicateur (voir Fig. 1). Étant donné que l'indice de réfraction de la lumière pour la plupart des scintillateurs est assez élevé, une partie importante de la lumière provenant du scintillateur subit une réflexion interne totale sur sa surface. Ainsi, pour assurer un bon contact optique (et donc augmenter la captation de la lumière), une fine couche d'une substance à plus faible indice de réfraction (silicone ou huile de vaseline) est introduite entre le scintillateur et la photocathode.

Le rayonnement radioactif tombant sur un scintillateur provoque des éclairs - scintillation. Les quanta de lumière frappant la photocathode PMT assomment les photoélectrons, ce qui provoque une avalanche. Au moment où l'avalanche d'électrons arrive à l'anode PMT, une impulsion de tension apparaît au niveau de la résistance de charge de sortie.

Les différences de potentiel entre les électrodes sont généralement réglées à l'aide d'un diviseur de tension provenant d'une source d'alimentation haute tension. En modifiant la tension alimentant le diviseur, le gain du PMT peut varier sur une large plage. À mesure que la tension aux bornes du diviseur PMT augmente, le gain augmente rapidement. La raison en est une augmentation du coefficient d'émission secondaire, ainsi qu'une légère amélioration de la focalisation.

Lors de la mesure du nombre de particules, un paramètre très important est celui qui caractérise la probabilité de créer une impulsion électrique à la sortie du détecteur lorsqu'une particule heurte le détecteur. Ce paramètre est appelé efficacité enregistrement du détecteur h, défini comme le rapport entre le nombre d'impulsions électriques enregistrées à la sortie du détecteur par unité de temps et le nombre de particules entrant dans le détecteur pendant le même temps . L'efficacité de la détection dépend à la fois de l'énergie et du type de rayonnement étudié, ainsi que de la taille et du type du détecteur. La principale exigence des détecteurs à scintillation, comme de tous les détecteurs en général, est une efficacité d'enregistrement élevée. Comme on le sait, les sections efficaces de l'effet photoélectrique et de l'effet Compton sont d'autant plus élevées que Z substances.

L'avantage des détecteurs à scintillation réside dans le fait que leur efficacité de détection des rayonnements indirectement ionisants (rayonnement g, rayonnement X) en raison de la haute Z Les scintillateurs sont d'un ordre de grandeur supérieur à l'efficacité d'enregistrement des compteurs à décharge gazeuse. La littérature indique que dans le cas du rayonnement γ pour les cristaux de NaJ(Tl) grandes tailles c'est environ 17%.

L'une des principales exigences des détecteurs est la faible temps autorisations(il détermine l'intervalle de temps minimum entre deux particules consécutives que le détecteur peut détecter séparément). Dans un détecteur à scintillation, lors de l'utilisation de cristaux inorganiques dont le temps d'éclairage est relativement long et s'élève à des dixièmes de microseconde ou plus, les propriétés temporelles du photomultiplicateur ne jouent pratiquement aucun rôle, et le temps de résolution de l'ensemble du détecteur à scintillation sera déterminé par le temps d'éclairage du cristal . Lorsqu'on travaille avec des scintillateurs organiques (et notamment avec des solutions liquides et solides), où le temps d'exposition est très court, le temps de résolution du photomultiplicateur peut s'avérer comparable au temps d'exposition du scintillateur et doit être pris en compte dans le calcul du temps. résolution du détecteur.

L'avantage d'un détecteur à scintillation est que son temps de résolution est plusieurs fois plus court que le temps de résolution des détecteurs à décharge gazeuse. L'utilisation de détecteurs à scintillation dans des schémas de coïncidence à haute résolution a ouvert de nouvelles perspectives dans la recherche diverses sortes processus simultanés.

De plus, il faut noter que le coefficient d'émission secondaire ne dépendant pas du nombre d'électrons incidents, le PMT est dispositif linéaire, c'est-à-dire que la charge sur l'anode est proportionnelle au nombre de photoélectrons primaires et, par conséquent, à l'intensité du flash lumineux frappant la cathode. Et comme l'énergie perdue par une particule dans un cristal est généralement proportionnelle à l'intensité du flash lumineux, l'amplitude de l'impulsion à la sortie du PMT est proportionnelle à l'énergie perdue par la particule. Cela permet de créer divers dispositifs basés sur un détecteur à scintillation pour mesurer l'énergie du rayonnement radioactif, ce qui est impossible avec l'utilisation de compteurs Geiger. Et ce n'est que lorsque les impulsions à la sortie du PMT sont suffisamment importantes que la linéarité peut être perturbée, comme mentionné ci-dessus, en raison de la distorsion du champ due à la charge d'espace dans la région de l'anode et des dernières dynodes.

Un point important avant de commencer les mesures est la sélection correcte de la tension d'alimentation PMT . DANS mesures radiométriques, lorsque les impulsions sont comptées, la caractéristique de comptage est le plus souvent utilisée à ces fins , c'est-à-dire la dépendance du taux de comptage d'impulsions à la sortie du détecteur n de la tension d'alimentation PMT U(Fig. 3).

Comme on peut le voir sur la Fig. 3, avec une tension d'alimentation croissante U ordre de grandeur n augmente d'abord puis devient constant . Ceci s'explique par le fait qu'à de petites valeurs U Valeur de gain PMT M. pas assez non plus. En conséquence, l'amplitude des impulsions à la sortie PMT est insignifiante et peut être inférieure au seuil de sensibilité du dispositif d'enregistrement. Dans ce cas, les impulsions ne seront pas enregistrées. Avec une tension croissante U le gain augmente M. et l'amplitude des impulsions augmente tellement qu'elle peut dépasser le seuil de sensibilité du dispositif d'enregistrement. A ce moment, le comptage des impulsions commence sur le recalculateur .

Riz. 3. Caractéristiques de comptage

Avec une nouvelle augmentation U une proportion encore plus grande d'impulsions aura une amplitude dépassant le seuil de sensibilité, ce qui donnera une augmentation encore plus importante du taux de comptage n.

Une augmentation supplémentaire de la tension d'alimentation peut entraîner une augmentation du taux de comptage des impulsions. n deviendra presque constant et ne dépendra pas de la valeur U, puisque les amplitudes de presque toutes les impulsions provenant du détecteur dépassent le seuil de sensibilité et que presque toutes les impulsions sont enregistrées.

Aux très hautes tensions U taux de comptage n peut augmenter fortement du fait que l'amplitude des impulsions de bruit PMT devient également très grande.

Mis en évidence sur la Fig. Région des 3 plateaux, où la valeur n faiblement dépendant de la tension d'alimentation U, utilisé pour sélectionner la tension d'alimentation ; Habituellement, la tension de fonctionnement est choisie au milieu du plateau.

Le critère de la tension de fonctionnement optimale dans spectrométrique des mesures est une haute résolution énergétique. Il est connu que plus le gain PMT est élevé, plus la résolution énergétique du détecteur est élevée. M., c'est-à-dire plus la tension d'alimentation est élevée U.

INSCRIPTIONg-QUANTA

DÉTECTEUR DE SCINTILLATION

Lorsque l'on travaille avec un détecteur à scintillation conçu pour résoudre un problème physique particulier, il convient de prendre en compte une circonstance spécifique très importante : étant donné que les propriétés du rayonnement à enregistrer dans un cas ou dans un autre peuvent être très différentes, une attention particulière doit être accordée à le choix rationnel du scintillateur, propriétés spécifiques qui doivent être les plus adaptées à la tâche à accomplir. Il n'y a généralement aucune exigence particulière pour un photomultiplicateur associée aux spécificités du rayonnement d'enregistrement lui-même.

Lors de l'enregistrement du rayonnement g, le choix du scintillateur est déterminé par l'exigence d'un rendement élevé, puisque le rayonnement g est un rayonnement pénétrant. Pour un faisceau monoénergétique parallèle étroit de rayons g incident normalement sur un scintillateur d'épaisseur X, l'efficacité d'enregistrement η est définie comme le rapport du nombre de particules enregistrées au nombre de particules incidentes sur le détecteur :

où t est le coefficient d'absorption des quanta g dans la substance scintillatrice, en fonction de l'énergie du rayonnement et de la charge effective moyenne de la substance scintillatrice Z.

À mesure que t augmente, la valeur de t (et donc de η) diminue ; avec des valeurs croissantes Z coefficient d'absorption du quanta g t (et, par conséquent, efficacité d'enregistrement η ) croissance. Par conséquent, les détecteurs à scintillation utilisent principalement des cristaux inorganiques ayant un grand numéro atomique pour détecter les rayons gamma. Z .

PARTIE EXPÉRIMENTALE

Procédure pour mener l'expérience

En figue. La figure 4 montre un diagramme de la désintégration radioactive de l'isotope Cs-137 utilisé dans ce travail de laboratoire.

Figure 4. Schéma de la désintégration radioactive de l'isotope Cs-137

Les spectres d'amplitude mesurés au cours de l'expérience utilisant l'isotope Cs-137 ont la forme montrée sur la Fig. 5.

Si le mode de fonctionnement du spectromètre est mal sélectionné, la forme de ces spectres peut être considérablement déformée, il est donc important de sélectionner soigneusement le niveau de puissance du PMT. U, gain de l'amplificateur K, seuils supérieur et inférieur du discriminateur TLD et DNU.

Lorsque la tension d'alimentation PMT change U son gain change M.. En conséquence, l'amplitude du signal de sortie change UN et donc la position du maximum du pic d'absorption totale. Par conséquent, étudier la dépendance de l'amplitude de l'impulsion à la sortie du détecteur UN sur la valeur de la tension d'alimentation du PMT peut se réduire à étudier la dépendance de la position du maximum du pic d'absorption totale sur la valeur de la tension d'alimentation.

Riz. 5. Spectre d'amplitude des impulsions à la sortie du détecteur

Allumer l'ordinateur. Allumez l’unité du spectromètre ; ouvrez le programme Spectrum.

Après l'enregistrement, entrez dans le mode spectromètre et définissez le mode de fonctionnement sur son panneau.

Définir le temps d'accumulation du spectre t= 150 s. Recueillez les spectres d'amplitude des impulsions de sortie à différentes valeurs de la tension d'alimentation PMT.

Écrivez les spectres dans des fichiers.

Les résultats de mesure seront enregistrés sur le disque D. Le chemin où vous pourrez trouver les données enregistrées est le suivant : Disque D® dossier "3ème cours"® Dossier "Données"® dossier "Étudiants"® dossier avec le nom de l'élève® numéro de travail de laboratoire® numéro de travail® numéro de spectre.

Traitement des résultats

Etude de la dépendance à l'amplitude

impulsions de sortie du détecteur

sur la tension d'alimentation PMT

Tâche 1. Saisir les fichiers de données avec les spectres dans Mathcad S 001–S 010. Attribuez un nom à la variable vectorielle décrivant le spectre ; définissez le numéro de canal comme variable classée ; k, variant de 0 à 1023. Construire des spectres d'amplitude.

Tâche 2. Identifier les pics d'absorption totale dans les spectres obtenus ; à l'aide de l'opération Trace, faire des estimations approximatives de la position du maximum du pic d'absorption totale sur l'échelle des amplitudes, de la dispersion, des limites gauche et droite du pic. Estimez la superficie sous le pic.

Tâche 3. Approcher le pic d'absorption total avec une fonction gaussienne ; retrouver les valeurs exactes du numéro de canal correspondant à la position du maximum du pic d'absorption totale.

Tâche 4. Construire une dépendance sur la valeur de la tension d'alimentation PMT U(voir Fig. 6); expliquer la dépendance à la tension d'alimentation. Comparez avec les données de la littérature. Sélectionnez la tension de fonctionnement du PMT pour un fonctionnement ultérieur.

Riz. 6. Dépendance de la position du maximum du pic d'absorption totale k 0

en fonction de la tension d'alimentation U

Définitionefficacité d'enregistrement du détecteur de rayonnement γ

Tâche 5. Utilisation d'un spectre mesuré, par exemple, au niveau de puissance PMT U= 550 V et gain K= 1, calculez l'aire sous tout le spectre R. et trouvez le nombre d'impulsions enregistrées par le détecteur en 1 s : n = P./150.

Tâche 6. Connaissant l'activité de l'isotope radioactif Cs-137 utilisé, déterminer l'efficacité de l'enregistrement du rayonnement γ Cs-137 :

où est le nombre de rayons γ incidents à la surface du scintillateur en 1 s ;

Le nombre 0,85 est introduit en tant que correction du schéma de désintégration (voir le schéma de désintégration illustré sur la figure 5). – activité d'une source radioactive; = 120kBq. Ω – l'angle solide relatif auquel le détecteur est irradié par la source. Cet angle dépend du rayon du scintillateur s et sur la distance entre la source et le scintillateur h.

.

Évaluer le résultat obtenu; comparer avec les données de la littérature.

Détermination de la photopièce et photoefficacité d'enregistrement

Tâche 7. Identifiez le pic d'absorption totale dans le spectre d'amplitude utilisé dans la tâche 5, calculez son aire. Définissez la photopartie comme le rapport entre la surface sous le photopic et la surface sous tout le spectre. R.(signification R. prendre de la tâche 5).

Tâche 8. Déterminer la photoefficacité de l'enregistrement du rayonnement γ comme le produit de l'efficacité de l'enregistrement multiplié par la photopartie :

.

QUESTIONS DE CONTRÔLE

1. Expliquez les processus qui se produisent dans le scintillateur et énumérez les principaux paramètres du scintillateur.

2. Sur quels deux phénomènes physiques repose le fonctionnement d’un tube photomultiplicateur ?

3. Énumérez les principaux paramètres des multiplicateurs photoélectriques.

4. Quelle est l'efficacité d'enregistrement du détecteur ? De quels paramètres du détecteur et du rayonnement dépend-il ? Qu’est-ce que la photofraction et la photoefficacité ?

5. Caractériser les caractéristiques de l'enregistrement du rayonnement γ.

Scintillateurs- les substances qui ont la capacité d'émettre de la lumière lorsqu'elles absorbent des rayonnements ionisants (quanta gamma, électrons, particules alpha, etc.). En règle générale, le nombre de photons émis pour un type de rayonnement donné est approximativement proportionnel à l'énergie absorbée, ce qui permet d'obtenir des spectres énergétiques du rayonnement. Les détecteurs de rayonnement nucléaire à scintillation constituent la principale application des scintillateurs. Dans un détecteur à scintillation, la lumière émise lors de la scintillation est collectée au niveau d'un photodétecteur (en règle générale, il s'agit de la photocathode d'un tube photomultiplicateur - PMT ; les photodiodes et autres photodétecteurs sont utilisées beaucoup moins fréquemment), convertie en une impulsion de courant, amplifiée et enregistré par l'un ou l'autre système d'enregistrement.

Caractéristiques des scintillateurs[ | ]

Sortie de la lumière [ | ]

Le rendement lumineux est le nombre de photons émis par un scintillateur lorsqu'une certaine quantité d'énergie est absorbée (généralement 1 MeV). Un rendement lumineux important est considéré comme étant de 50 à 70 000 photons par MeV. Cependant, pour détecter les particules à haute énergie, des scintillateurs avec un rendement lumineux nettement inférieur (par exemple, le tungstate de plomb) peuvent également être utilisés.

Spectre d'éclairage[ | ]

Le spectre d'émission doit être adapté de manière optimale à la photosensibilité du photodétecteur utilisé, afin de ne pas perdre l'excès de lumière. Le spectre d'éclairage, qui ne correspond pas à la sensibilité du récepteur, affecte négativement la résolution énergétique.

Résolution énergétique[ | ]

Même lorsque des particules de même énergie sont absorbées, l'amplitude de l'impulsion à la sortie du photodétecteur du détecteur à scintillation varie d'un événement à l'autre. Cela est dû 1) à la nature statistique des processus de collecte de photons au niveau du photodétecteur et d'amplification ultérieure, 2) à la probabilité différente de délivrance de photons au photodétecteur à partir de différents points du scintillateur, 3) à la propagation du nombre émis de photons. En conséquence, dans le spectre collecté, la raie (qui pour un détecteur idéal représenterait la fonction delta) s'avère floue, elle peut souvent être représentée comme une gaussienne avec une dispersion σ 2 ; La résolution énergétique d'un détecteur est mesurée par sigma (la racine carrée de la dispersion) et, le plus souvent, par pleine largeur à mi-hauteur (FWHM). Pleine largeur sur moitié maximum; parfois appelée demi-largeur), rapportée à la médiane de la ligne et exprimée en pourcentage. Gaussiennes FWHM dans 2 2 ln ⁡ 2 ≈ 2 , 355 (\displaystyle 2(\sqrt (2\ln 2))\environ 2,355) fois supérieur à σ. Puisque la résolution énergétique dépend de l’énergie (elle est généralement proportionnelle à E−1/2), il convient de le préciser pour une énergie spécifique. Le plus souvent, la résolution est indiquée pour l'énergie de la raie gamma du césium 137 (661,7 keV).

Temps de clignotement[ | ]

Courbe d'émission typique d'un scintillateur inorganique excité par l'absorption d'une particule chargée rapidement. Après un flash lumineux de courte durée, la lueur s'estompe relativement lentement.

Le temps pendant lequel l'énergie absorbée dans le scintillateur, excitée par le passage d'une particule chargée rapidement, est convertie en rayonnement lumineux est appelé temps d'émission. La dépendance de la luminescence du scintillateur au temps à partir du moment de l'absorption des particules (courbe de luminescence) peut généralement être représentée comme une exponentielle décroissante ou, dans le cas général, comme la somme de plusieurs exponentielles décroissantes :

je ∼ ∑ je UNE je exp ⁡ (− t / τ je) (\displaystyle \displaystyle I\sim \sum _(i)A_(i)\exp(-t/\tau _(i)))

Le terme dans la formule avec le plus grand amplitude UNE je (\displaystyle \displaystyle A_(i)) et constante de temps τ je (\displaystyle \tau _(i)) caractérise la durée totale d'illumination du scintillateur. Presque tous les scintillateurs, après une illumination rapide, ont une « queue » de rémanence qui se désintègre lentement, ce qui constitue souvent un inconvénient en termes de résolution temporelle et de taux de comptage des particules détectées.

En règle générale, la somme de plusieurs exponentielles dans la formule ci-dessus peut être représentée avec suffisamment de précision pour la pratique comme la somme de deux exponentielles :

I = A exp ⁡ (− t τ f) + B exp ⁡ (− t τ s) (\displaystyle I=A\exp \left(-(\frac (t)((\tau )_(f))) \right)+B\exp \left(-(\frac (t)((\tau )_(s)))\right))

Où τ F (\displaystyle \tau _(f)) constante de temps d'éclairage "rapide", τ s (\displaystyle \tau _(s)) constante de temps d'éclairage « lent », UNE (style d'affichage A) Et B (style d'affichage B)- amplitudes de lueur et de rémanence, respectivement.

Les amplitudes de la lueur et de la rémanence dépendent de l'énergie absorbée dans le scintillateur, de la capacité ionisante des particules rapides et des rayons gamma. Par exemple, dans les scintillateurs fabriqués à partir de fluorure de baryum dopé, l'amplitude de la lueur provoquée par l'absorption d'un quantum gamma dépasse largement l'amplitude de la lueur provoquée par l'absorption d'une particule alpha, dont l'absorption, au contraire, l'amplitude de la rémanence prévaut. Ce phénomène permet de distinguer la nature des rayonnements ionisants.

Les temps d'exposition typiques pour les scintillateurs inorganiques vont de centaines de nanosecondes à des dizaines de microsecondes. Les scintillateurs organiques (plastiques et liquides) sont illuminés en quelques nanosecondes.

Force de rayonnement[ | ]

Les scintillateurs irradiés se dégradent progressivement. La dose de rayonnement qu'un scintillateur peut supporter sans détérioration significative de ses propriétés est appelée intensité de rayonnement.

Facteur de trempe [ | ]

Des particules de nature différente, mais de même énergie, lorsqu'elles sont absorbées dans un scintillateur, donnent généralement un rendement lumineux différent. Les particules à haute densité d'ionisation (protons, particules alpha, ions lourds, fragments de fission) produisent moins de photons dans la plupart des scintillateurs que les rayons gamma, les particules bêta, les muons ou les rayons X. Le rapport entre le rendement lumineux d'un type donné de particule et le rendement lumineux de rayons gamma d'énergie égale est appelé facteur d'extinction (de l'anglais quenching - « quenching »). Le facteur d’extinction des électrons (particules bêta) est généralement proche de l’unité. Le facteur d’extinction des particules alpha est appelé rapport α/β ; pour de nombreux scintillateurs organiques, elle est proche de 0,1.

Scintillateurs inorganiques[ | ]

Le plus souvent, des monocristaux inorganiques sont utilisés comme scintillateurs. Parfois, pour augmenter le rendement lumineux, un activateur (ou dopant) est introduit dans le cristal. Ainsi, dans le scintillateur NaI(Tl), la matrice cristalline de l'iodure de sodium contient des centres activateurs de thallium (une impureté à hauteur de centièmes de pour cent). Les scintillateurs qui brillent sans activateur sont appelés propre.

Scintillateurs

	Temps mise en évidence, mks	Maximum spectre d'éclairage, nm	Coefficient efficacité (relatif à à l'anthracène)	Note
NaI()	0,25	410	2,0	hygroscopique
CSI()	0,5	560	0,6	phosphorescence
LiI()	1,2	450	0,2	très hygroscopique
LiI()				très hygroscopique
ZnS()	1,0	450	2,0	poudre
CDS()	1,0	760	2,0	petit monocristaux

Scintillateurs en céramique inorganique[ | ]

Scintillateurs en céramique transparente sont obtenus à partir de matériaux céramiques transparents à base d'oxydes Al 2 O 3 (Lukalox), Y 2 O 3 (Ittralox) et de dérivés des oxydes Y 3 Al 5 O 12 et YAlO 3, ainsi que MgO, BeO.

Scintillateurs organiques[ | ]

Les scintillateurs organiques sont généralement des mélanges à deux ou trois composants. Les centres primaires de fluorescence sont excités en raison de la perte d'énergie causée par les particules incidentes. Lorsque ces états excités se désintègrent, la lumière est émise dans la gamme de longueurs d’onde ultraviolettes. La longueur d'absorption de cet ultraviolet est cependant assez courte : les centres de fluorescence sont opaques à leur propre lumière émise.

La sortie de lumière est réalisée en ajoutant un deuxième composant au scintillateur, qui absorbe la lumière initialement émise et la réémet de manière isotrope avec de grandes longueurs d'onde (ce qu'on appelle le spectre shifter, ou shifter).

Les deux composants actifs des scintillateurs organiques sont soit dissous dans un liquide organique, soit mélangés à un matériau organique de manière à former une structure polymère. Grâce à cette technologie, il est possible de réaliser un scintillateur liquide ou plastique de n'importe quelle forme géométrique. Dans la plupart des cas, les feuilles de scintillateurs sont fabriquées avec une épaisseur de 1 à 30 mm.

Les scintillateurs organiques ont des temps de luminescence beaucoup plus courts (de l'ordre de quelques à quelques dizaines de nanosecondes) par rapport aux scintillateurs inorganiques, mais ont un plus petit :

Il existe également d'autres scintillateurs organiques, provenant par exemple d'une société américaine. Les scintillateurs Bicron BC 400...416 sont fabriqués sur cette base.

Scintillateurs à gaz[ | ]

Les compteurs à scintillation gazeuse utilisent la lumière émise par des atomes qui sont excités lorsque des particules chargées interagissent avec eux, puis reviennent à l'état fondamental. Les durées de vie des niveaux excités se situent dans la plage des nanosecondes. En raison de leurs faibles densités, le rendement lumineux des scintillateurs à gaz est relativement faible. Cependant, des gaz inertes liquéfiés peuvent également être utilisés comme scintillateurs gazeux.

Caméra de dérive.

Il s'agit d'un analogue d'une chambre proportionnelle, qui permet de restituer la trajectoire des particules avec encore plus de précision.

Les chambres à étincelles, à streamers, proportionnelles et à dérive présentent de nombreux avantages des chambres à bulles, leur permettant d'être déclenchées à partir d'un événement intéressant, en les utilisant pour coïncider avec des détecteurs à scintillation.

La chambre à dérive est un détecteur de coordonnées. Il s'agit d'un détecteur à ionisation filaire rempli de gaz (comme une chambre proportionnelle), dans lequel la coordonnée d'une particule est déterminée par le temps de dérive des électrons dans le gaz depuis le lieu d'ionisation (vol de la particule) vers les fils de l'anode de signal. . La distance entre les fils est généralement de plusieurs centimètres. Contrairement à la chambre proportionnelle, un champ électrique uniforme est créé dans la chambre à dérive. Il est activé par le déclenchement de signaux provenant de détecteurs externes (le plus souvent des compteurs à scintillation), qui enregistrent le passage d'une particule à travers la chambre. Ensuite, les électrons libres qui apparaissent dans le volume de la chambre dérivent dans un champ uniforme et constant vers les fils les plus proches. L'intensité du champ dans l'intervalle de dérive est de 1 kV/cm. A proximité immédiate des fils anodiques, des avalanches se forment (l'amplification du gaz atteint 10 6) et les coordonnées des particules sont déterminées à partir du temps de retard de l'arrivée des avalanches sur les fils anodiques par rapport au signal de départ. La résolution spatiale de la chambre à dérive est d'environ 0,1 à 0,2 mm et la résolution temporelle est de quelques nanosecondes.

Les chambres à dérive peuvent être plates, cylindriques et sphériques. De grandes chambres à dérive plates sont utilisées dans les expériences sur les accélérateurs à haute énergie. Ainsi, le CERN a développé une chambre à dérive mesurant 2x4x5 m3.

Un détecteur à scintillation utilise la propriété de certaines substances de briller lorsqu'une particule chargée le traverse. Les quanta de lumière produits dans le scintillateur sont ensuite détectés à l'aide de tubes photomultiplicateurs. Des scintillateurs cristallins, par exemple NaI, BGO, ainsi que des scintillateurs plastiques et liquides, sont utilisés. Les scintillateurs cristallins sont principalement utilisés pour l'enregistrement des rayons gamma et des rayons X, les scintillateurs plastiques et liquides sont utilisés pour l'enregistrement des neutrons et des mesures de temps. De grands volumes de scintillateurs permettent de créer des détecteurs de très haute efficacité pour détecter des particules de faible section efficace d'interaction avec la matière.

Le premier détecteur à scintillation, appelé spinthariscope, était un écran recouvert d'une couche de ZnS. Les éclairs qui se produisaient lorsque des particules chargées le frappaient ont été enregistrés à l'aide d'un microscope. C'est avec un tel détecteur que Geiger et Marsden menèrent en 1909 une expérience sur la diffusion des particules alpha par des atomes d'or, qui conduisit à la découverte du noyau atomique. Depuis 1944, les éclairs lumineux d'un scintillateur sont enregistrés par des tubes photomultiplicateurs (PMT). Plus tard, les LED ont également été utilisées à ces fins.

Le scintillateur peut être organique (cristaux, plastiques ou liquides) ou inorganique (cristaux ou verres). Des scintillateurs gazeux sont également utilisés. L'anthracène (C14H10), le stilbène (C14H12) et le naphtalène (C10H8) sont souvent utilisés comme scintillateurs organiques. Les scintillateurs liquides sont généralement connus sous des noms de marque (par exemple NE213). Les scintillateurs plastiques et liquides sont des solutions de substances organiques fluorescentes dans un solvant transparent. Par exemple, une solution solide d'anthracène dans du polystyrène ou une solution liquide de p-terphényle dans du xylène. La concentration de la substance fluorescente est généralement faible et la particule détectée excite principalement les molécules de solvant. Par la suite, l’énergie d’excitation est transférée aux molécules de la substance fluorescente. ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi4Ge3O12 (BGO), etc. sont utilisés comme scintillateurs cristallins inorganiques. Les gaz inertes (Xe, Kr, Ar, He) et N sont utilisés comme scintillateurs gazeux et liquides.

Fig. 1. Comparaison de deux scintillateurs

Étant donné que les niveaux moléculaires sont excités dans les scintillateurs organiques, qui émettent dans la région ultraviolette, pour correspondre à la sensibilité spectrale des dispositifs d'enregistrement de la lumière (PMT et photodiodes), des convertisseurs de lumière sont utilisés pour absorber le rayonnement ultraviolet et réémettre la lumière visible dans la région de 400. n.m.

Le rendement lumineux est la fraction de l’énergie d’une particule détectée qui est convertie en énergie d’un flash lumineux. Le rendement lumineux de l'anthracène est d'environ 0,05 ou 1 photon pour 50 eV pour les particules à haute énergie. NaI a un rendement lumineux d'environ 0,1 ou 1 photon à 25 eV. Il est d'usage de comparer le rendement lumineux de ce scintillateur avec le rendement lumineux de l'anthracène, qui est utilisé comme étalon. Les rendements lumineux typiques des scintillateurs en plastique sont de 50 à 60 %.

L'intensité du flash lumineux est proportionnelle à l'énergie perdue par la particule, un détecteur à scintillation peut donc être utilisé comme spectromètre, c'est-à-dire un appareil qui détermine l'énergie de la particule.

À l'aide de compteurs à scintillation, il est possible de mesurer les spectres d'énergie des électrons et des rayons. La situation est un peu pire avec la mesure des spectres de particules lourdes chargées (particules -, etc.), qui créent une ionisation spécifique élevée dans le scintillateur. Dans ces cas, la proportionnalité de l'intensité du flash d'énergie perdue n'est pas observée pour toutes les énergies de particules et n'apparaît qu'à des valeurs d'énergie supérieures à une certaine valeur. La relation non linéaire entre les amplitudes des impulsions et l’énergie des particules est différente pour différents luminophores et pour différents types de particules.

Riz. 2. Scintillateur et PMT

Riz. 3. Appareil PMT

Les photons générés dans le scintillateur sous l'influence d'une particule chargée atteignent le photomultiplicateur à travers le guide de lumière et à travers sa paroi de verre pénètrent dans la photocathode. Un tube photomultiplicateur est un cylindre à l'intérieur duquel se trouvent dans le vide une photocathode et un système de dynodes successives, sous un potentiel électrique positif qui augmente de dynode en dynode. En raison de l'effet photoélectrique, les électrons sortent de la photocathode, qui sont ensuite accélérés dans le champ électrique et dirigés vers un système de dynodes, où, en raison de l'émission électronique secondaire (impact), ils forment une avalanche d'électrons qui se développe à partir de dynode en dynode et arrive à l'anode. Typiquement, le gain PMT (le nombre d'électrons qui atteignent l'anode lorsqu'un électron est expulsé de la photocathode) est de 10 5 -10 6 , mais il peut atteindre 10 9 , ce qui permet d'obtenir une impulsion électrique facilement détectable à la sortie PMT. La résolution temporelle du photomultiplicateur est de 10 -8 -10 -9 s.

La résolution énergétique des détecteurs à scintillation ΔE/E n'est généralement pas meilleure que quelques pour cent. La résolution temporelle est principalement déterminée par la durée du flash lumineux (la durée pendant laquelle le phosphore est illuminé) et varie dans les 10 -6 -10 -9 s.

De grands volumes de scintillateurs permettent de créer des détecteurs de très haute efficacité pour détecter des particules de faible section efficace d'interaction avec la matière.

La scintillation – un mot latin – est un éclair de lumière visible provoqué dans une substance par des particules chargées. Le fonctionnement d'un détecteur à scintillation repose sur l'enregistrement des photons émis par des atomes excités. Le premier détecteur à scintillation, appelé spinthariscope, était un écran recouvert d'une couche ZnS. Les éclairs qui se produisaient lorsque des particules chargées le frappaient ont été enregistrés à l'aide d'un microscope. C'est avec un tel détecteur qu'une expérience a été réalisée sur la diffusion des particules alpha par des atomes d'or, qui a conduit à la découverte du noyau atomique.

Tous les matériaux transparents ne conviennent pas comme scintillateurs ; ils doivent être transparents à leur propre rayonnement. Ceux-ci inclus NaJ(Tl), CSI, organiques : anthracène (C 14 H 10), stilbène (C 14 H 12), naphtalène (C 10 H 8). La particule chargée enregistrée pénètre dans le cristal et

y est inhibé, excitant et ionisant les atomes. Ces derniers, passant à l'état fondamental, émettent des photons. Tout cela dans le temps 10 -7 Avec. Dans les bons cristaux, plusieurs pour cent de l’énergie des particules sont converties en lumière. Le cristal du détecteur est entouré d'un réflecteur afin que la lumière ne sorte que d'un seul côté.

Pour enregistrer des flashs de lumière faibles, utilisez tubes photomultiplicateurs(PMT) (Fig. 6). Un contact optique est créé entre le scintillateur et l'extrémité du photomultiplicateur. Les photons d'un flash lumineux, en raison de l'effet photoélectrique (voir cours), éliminent les électrons de la photocathode (1), réalisée sous la forme d'un film mince à l'intérieur de l'ampoule PMT. Ces électrons sont dirigés par un champ électrique focalisant vers une électrode intermédiaire (2), appelée dynode. Surface

La dynode est recouverte d'un matériau à coefficient d'émission d'électrons secondaires élevé. Chaque électron incident détruit 3 à 5 électrons secondaires. Il y a plus de 10 dynodes dans le photomultiplicateur, ce qui permet d'améliorer le flux d'électrons dans 10 5 et plusieurs fois. Une impulsion électrique apparaît à l'anode du photomultiplicateur (8), qui est ensuite amplifiée et enregistrée. Une caractéristique remarquable du PMT est sa linéarité de gain bien maintenue. Le circuit équivalent d'un détecteur à scintillation est représenté sur la figure 7. L'équation décrivant la forme du signal est donnée ci-dessus (voir formule (1)). La dépendance du courant au temps dans cette équation est déterminée par la dynamique de l'éclairage du scintillateur et ressemble à ceci

Où τ - temps d'illumination du scintillateur. Pour les scintillateurs inorganiques, ce temps est de l'ordre de 10 -7 s, pour le bio - 10 -8 s, pour ceux en plastique, il atteint 10 -9 Avec. Amplitude d'impulsion lors d'une perte d'énergie dans le scintillateur ΔE approximativement égal

Où η - rendement lumineux du scintillateur (fraction d'énergie émise sous forme de lumière, pour l'anthracène 0,05), ε - rendement quantique de la photocathode PMT (nombre moyen de photoélectrons assommés pour 1 photon, valeur de l'ordre de 0,1), K- Gain PMT ( 10 5 et plus), hυ- énergie moyenne des photons produits dans le scintillateur, C- capacité de l'anode PMT par rapport à la masse (valeur de l'ordre de 20 pF), e- la charge électronique. Si nous prenons des valeurs typiques pour les quantités répertoriées et que l'énergie de la particule perdue dans le détecteur est de 5 MeV, alors l'amplitude

Fig.8 Forme typique du spectre du Cs-137

ce sera environ 10 volts.

Résolution énergétique des détecteurs à scintillation ΔE/E généralement pas mieux que quelques pour cent, car la formation d'un photoélectron nécessite de l'énergie hν/(η·ε), égal à environ 500 eV (à comparer avec 30 eV pour la chambre d'ionisation).

La découverte du proton dans le laboratoire de Rutherford (1919) s'est produite grâce à l'observation de scintillations provoquées par des particules lors d'une réaction nucléaire. α + 14 N → p + 17 O. Les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour mesurer les spectres énergétiques des électrons et γ -rayons (sur la figure 8, la forme du spectre pour les rayons monoénergétiques γ -quanta). Ils sont utilisés pour mesurer le débit de dose β - Et γ - les rayonnements, ainsi que les neutrons. Avantages des compteurs à scintillation : haute efficacité d'enregistrement de diverses particules (presque 100 %) ; performance; possibilité de fabriquer des scintillateurs des tailles différentes et configurations ; grande fiabilité.

De grands volumes de scintillateurs permettent de créer des détecteurs à très haute efficacité pour détecter des particules de faible section efficace d'interaction avec la matière (un détecteur à cristal est connu NaJ(Tl) d'un diamètre de 0,75 m et d'une longueur de 1,5 m, visualisé par un grand nombre de photomultiplicateurs). La célèbre expérience de Reines et Cohen sur la découverte des neutrinos (1956) utilisait trois scintillateurs liquides d'un volume de 1 400 litres chacun.