Scintilator- detector profesional de radiatii.
Se bazează pe anumite substanțe - se numesc fosfori, care reacționează la o particulă ionizantă care pătrunde în grosimea lor cu un scurt fulger de lumină.
Iată câteva dintre aceste substanțe: NaJ Tl (iodură de sodiu modificată cu taliu), KJ Tl, CaJ Tl, CsJ, LiJ Tl, CdWO 4, CaWO 4, ZnS Ag, CdS Ag.
Flash-ul de fosfor este transformat într-un impuls electric de către un dispozitiv fotosensibil apropiat. De regulă, tuburile fotomultiplicatoare (PMT) sunt utilizate în această calitate.

Un detector de scintilație, care nu este un dispozitiv de avalanșă, are o serie de avantaje importante față de contoarele Geiger:

• după amplitudinea și durata fulgerului se poate aprecia tipul și energia particulei care l-a generat (este foarte ușor, de exemplu, să distingem fulgerul generat de o particulă alfa de un fulger cauzat de un electron).
• este capabil să distingă impulsuri separate de intervale de timp foarte scurte, adică are, după cum se spune, rezoluție mare.
• fosforii sunt, de regulă, detectori mult mai eficienți de particule ionizante decât contoarele Geiger de același volum.

Dar un scintilator nu este doar fosfor. Pentru ca fotodetectorul să înregistreze cel mai mare număr posibil de flash-uri de fosfor, acesta este plasat într-un recipient metalic rezistent la lumină, a cărui suprafață interioară are un înveliș care reflectă bine lumina (de obicei magneziu). Cilindrul trebuie să aibă un „fund” foarte subțire, care poate slăbi cât mai puțin posibil radiația ionizantă care pătrunde în fosfor, și o fereastră de ieșire transparentă care să-l protejeze de efectele adverse ale mediului extern. Pierderile optice care apar din cauza reflexiilor intra-balon și la tranziția fosfor-PMT sunt minimizate în toate modurile posibile. Cu alte cuvinte, detectorul de scintilație în sine este un dispozitiv optic-electronic.

Scintilatoarele cu diverși fosfori, mari și mici ca volum, cu „ferestre” cu un diametru de 10...15 mm până la 100 mm sau mai mult, sunt produse de industria noastră de mulți ani. Dar dacă în cele din urmă contoarele Geiger au devenit disponibile pentru noi (deși lansarea lor în vânzare deschisă a fost amânată cu câțiva ani chiar și după Cernobîl), acest lucru nu s-a întâmplat niciodată cu scintilatoarele...

Pentru un radioamator, pot fi de interes detectoarele de scintilație cu fosfor lichid, care nu sunt greu de realizat singur. În tabel 1 prezintă o listă de substanțe care, atunci când sunt dizolvate în xilen (concentrație - câteva grame pe litru), devin astfel de fosfor.

tabelul 1
Eficiența relativă de conversie a fosforului dizolvat în xilen (eficiența de conversie a cristalului de antracen este luată ca una)

Substanţă	Eficienta conversiei
antracen	0,060
Acid antrailic	0,15
Difenilbutadienă	0,12
Difenilhexatrienă	0,14
Duren	0,048
Fluorantena	0,075
P-amitnobenzoat de metil	0,062
Fenil a-naftilamină	0,23
p-terfenil	0,48
sh-terfenil	0,20
carbazol	0,12
fluoren	0,15
Naftalină	0,032
a-naftilamină	0,17
p-naftilamină	0,13
Piren	0,086
Stilbene	0,038

Dar detectorul de scintilație cu fosfor lichid este remarcabil nu numai prin simplitatea sa. Dacă, de exemplu, în această soluție este plasat un grăunte suspect de contaminare α, în cel mai subțire strat de fosfor în contact cu acesta vor apărea sclipiri luminoase, care pot fi ușor înregistrate de un fotomultiplicator (radiația α de la suprafața unui obiect de configurație complexă, cel mai probabil, nu va fi detectat deloc de un contor Geiger).

Partea electronică a dispozitivului dozimetric cu detector de scintilație nu prezintă dificultăți deosebite pentru radioamator, vezi ........................... ........

Laboratorul 3

STUDIAREA PRINCIPIULUI DE FUNCȚIONARE A UNUI DETECTOR DE SCINTILATIE

Scopul lucrării: studiază bazele metodei scintilației pentru detectarea radiațiilor; studiați dispozitivul unui detector de scintilație și determinați eficiența înregistrării radiațiilor gamma de Cs - 137.

DISPOZITIV DETECTOR DE SCINTILATIE

Introducere

Metoda de scintilație de detectare a particulelor este una dintre cele mai vechi metode de detectare. În 1919, în experimente privind împrăștierea particulelor încărcate pe nuclee, E. Rutherford și colegii săi au înregistrat particule a prin observarea vizuală a fulgerelor de lumină în ZnS(Ag). Cu toate acestea, metoda scintilației de detectare a particulelor a fost dezvoltată pe scară largă numai după inventarea tuburilor fotomultiplicatoare - dispozitive capabile să detecteze fulgerări slabe de lumină.

Unul dintre primele fotomultiplicatoare a fost construit în URSS la începutul anilor 40 ai secolului XX. Și din 1947, a început dezvoltarea intensivă a metodei de înregistrare a scintilației. Datorită eficienței lor ridicate, detectoarele și spectrometrele cu scintilație sunt utilizate în fizica nucleară, biologie, geologie, medicină și alte ramuri ale științei și tehnologiei.

Elementele principale ale unui detector de scintilație sunt scintilator, fotomultiplicator(PMT), sistem optic pentru cuplarea scintilatorului și a fotomultiplicatorului.

Atunci când interacționează cu substanța scintilatoare, particulele încărcate își pierd energia pentru a excita și ioniza atomii mediului. Radiația gamma, ca radiație ionizantă indirectă, nu produce ea însăși direct ionizare și excitare: atomii substanței scintilatoare sunt ionizați și excitați de electronii formați în timpul interacțiunii radiației γ cu substanța scintilatoare. Radiația care apare la eliminarea excitației atomilor iese din mediu sub formă de fulgerări-scintilații luminoase, numărul de fotoni în care depinde atât de proprietățile și dimensiunile scintilatorului, cât și de tipul de particule și de energie transferată scintilatorului de către aceste particule.

Pentru a înregistra aceste scintilații, se folosește un fotomultiplicator, care transformă fulgerările de lumină în impulsuri de tensiune electrică, care apoi intră în unitatea de măsură.

Principalele caracteristici ale scintilatoarelor

Scintilatoarele sunt de obicei numite substanțe care, sub influența radiațiilor ionizante, emit fotoni în partea vizibilă sau ultravioletă a spectrului. Mai mult decât atât, dacă există o probabilitate mare ca fotoni să fie emiși de atomi și molecule în stări excitate, probabilitatea de absorbție a acestor fotoni emiși de către substanța scintilatoare în sine ar trebui să fie mică: adică, spectrul de emisie al radiației electromagnetice ar trebui să fie deplasat relativ. la spectrul de absorbție.

Toate substanțele de scintilație pot fi împărțite în trei clase: pe baza anumitor compuși organici, cristale anorganice și gaze.

Dintre compușii organici, cel mai des se folosesc soluții lichide și solide de compuși aromatici sau monocristale de antracen, stilben, tolan etc.

Cele mai comune scintilatoare realizate din cristale anorganice sunt iodiții de metale alcaline activate de taliu și sulfura de zinc activate de argint: NaJ(Tl), CsJ(Tl), ZnS(Ag). Cristalele pure neactivate la temperatura camerei nu au proprietăți de scintilare.

Din punct de vedere al detectării radiațiilor, toate scintilatoarele, atât organice, cât și anorganice, trebuie să îndeplinească anumite cerințe precum general, și speciale, determinate de natura particulelor detectate.

În primul rând, substanța trebuie să aibă o putere de lumină ridicată, definită ca raportul dintre numărul mediu de fotoni produși în timpul unei scintilații și energia pierdută de particula detectată în scintilator:

Deoarece numărul de fotoni care părăsesc scintilatorul este de interes practic, este recomandabil să introduceți conceptul de ieșire a luminii externe:

unde este coeficientul de ieșire a fotonului de la scintilator. Trebuie remarcat faptul că ieșirea de lumină externă depinde de mărimea deplasării spectrelor de emisie și absorbție, adică de transparența scintilatorului în raport cu propria radiație, precum și de grosimea scintilatorului, cantitatea de impurități care îi reduc transparența, asupra stării suprafețelor sale etc. În scintilatoare ideale care sunt absolut transparente la propria radiație =.

Pe lângă puterea luminoasă, putem introduce conceptul de ieșire de energie x, care exprimă raportul dintre energia fotonilor care apar în procesul unei scintilații și energia E, pierdut de particula detectată în scintilator:

x = ,

unde este energia medie a fotonilor de scintilație.

Procesul de scintilație durează o perioadă finită de timp. Deoarece timpul de creștere a scintilației este semnificativ mai mic decât timpul de dezintegrare (decădere a scintilației), atunci, în toate cazurile practice, durata scintilației în ansamblu poate fi caracterizată numai prin constanta de timp t a dezintegrarii procesului:

Valoarea t – timp în care intensitatea luminii J cade in e o singura data. În experimentele în care este necesară o rezoluție mare în timp, scintilatoarele sunt selectate cu un timp de expunere suficient de scurt.

Cristale anorganice scintillante utilizate (NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Sn), LiJ(Tl), ZnS(Ag) ) ) se caracterizează printr-o putere mare de lumină și un timp de iluminare (aproximativ 10–4 – 10–7 s). Cristalele organice (stilben, antracen și altele) se caracterizează nu numai printr-o putere de lumină mai mică decât cristalele anorganice, ci și printr-un timp de luminescență mai scurt (aproximativ 10–8 – 10–9 s). Printre soluțiile organice scintilante, se folosește de obicei paraterfenil în xilen.

Procese care au loc în tuburile fotomultiplicatoare

și principalele lor caracteristici

Pulsul de lumină generat în scintilator în timpul trecerii unei particule ionizante este transformat într-un impuls electric folosind un fotomultiplicator.

Un tub fotomultiplicator este o fotocelulă cu amplificare multiplă, care se bazează pe fenomenul de emisie secundară de electroni. Este format dintr-un fotocatod 4 , dispozitiv de focalizare 5 , mai multe dinode 6 și anod 8 (Fig. 1). Toți electrozii PMT sunt plasați într-un cilindru cu vid înalt. Fotocatodul este realizat sub forma unui strat subțire translucid și este situat pe partea interioară a peretelui de capăt al cilindrului de sticlă PMT. Pentru a crește coeficientul de emisie secundară, dinodele sunt acoperite cu o peliculă subțire dintr-o substanță cu o funcție de lucru scăzută pentru electroni.

Când un fotomultiplicator funcționează, anumite diferențe de potențial sunt aplicate tuturor electrozilor săi. Pătrunzând prin sticla transparentă, cuantele de lumină rup un anumit număr de electroni din stratul fotosensibil al fotocatodului. Fotoelectronii care apar la viteze diferite și la unghiuri diferite față de suprafața catodului sunt accelerați câmp electricîn vid și folosind un sistem de focalizare, acestea sunt colectate pe primul dinod al multiplicatorului.

1 – sursă radioactivă; 2 – scintilator; 3 – ghid de lumină; 4 – fotocatod PMT; 5 – electrozi de focalizare; 6 – dinode; 7 – fotoelectroni; 8 – anod; 9 – divizor PMT; 10 - rezistenta la sarcina.

Când electronii lovesc primul dinod, are loc o emisie secundară de electroni. Electronii scoși din primul dinod sunt din nou accelerați în următorul spațiu interelectrod și, căzând pe cel de-al doilea dinod, provoacă, la rândul lor, emisie secundară de electroni de la al doilea dinod. Pentru a caracteriza emisia de electroni, se introduce o cantitate numită coeficient de emisie secundară s, care este numărul de electroni secundari eliminați de un electron primar. Procesul descris are loc secvenţial pe toate dinodele, iar în funcţie de proprietăţile şi numărul de dinode pentru s > 1, numărul de electroni de pe ultimele dinode poate depăşi numărul iniţial de fotoelectroni cu câteva ordine de mărime. Electronii din ultimul dinod sunt colectați la anodul tubului fotomultiplicator.

Fenomenele fizice care stau la baza funcționării fotomultiplicatoarelor - efectul fotoelectric și emisia de electroni secundari - sunt de natură statistică. Prin urmare, parametrii PMT au și o natură statistică și, vorbind despre ei, ne vom referi la valorile medii ale acestor parametri.

Caracteristicile fotocatodului formează un grup de parametri PMT. Dintre acestea, cele mai importante sunt randamentul cuantic, caracteristicile spectrale și sensibilitatea integrală.

Randament cuantic fotocatodul e reprezintă probabilitatea ca un fotoelectron să fie ejectat de un foton care lovește fotocatodul. Acest lucru implică faptul că lumina incidentă pe fotocatod este aproape de monocromatic. Randamentul cuantic depinde de lungimea de undă a luminii incidente, de materialul fotocatodului și de grosimea acestuia. Numeric, este de obicei exprimat ca procent.

Dependența lui e de lungimea de undă l a luminii incidente se numește caracteristici spectrale fotocatod și este desemnat e(l).

Practic este semnificativ nu numai numărul de fotoni emiși de scintilator, ci și gradul de suprapunere a spectrului optic extern de scintilație cu caracteristica spectrală e(n) a unui fotomultiplicator dat, determinat de coeficientul de potrivire:

.

Sensibilitate integrală fotocatodul este raportul dintre fotocurent și fluxul luminos incident pe fotocatod atunci când fotocatodul este iluminat de o sursă de lumină albă cu o anumită temperatură de culoare.

Colectarea fotoelectronilor la primul dinod este caracterizată de coeficientul de colectare l, care poate lua valori de la 0 la 100%.

Sistemul de multiplicare PMT este caracterizat câștigă M. Acesta din urmă este definit ca raportul dintre valoarea curentă la ieșirea fotomultiplicatorului și valoarea sa la intrarea sistemului de multiplicare. Câștigul fotomultiplicatorului este egal cu: unde a este coeficientul care determină fracția de electroni care cad de la un dinod la altul; – factorul de emisie secundar i-al-lea dinod.

Trebuie remarcat faptul că coeficientul de emisie secundară s depinde nu numai de materialul și starea suprafeței dinodului, ci și de energia electronilor primari, adică de diferența de potențial de accelerare aplicată la două dinode adiacente: cu creșterea energiei electronilor , s mai întâi crește, iar apoi peste energie 100 – 1000 eV (în funcție de material) scade. Din punct de vedere fizic, acest comportament poate fi explicat după cum urmează. Electronii primari, care intră în materialul dinodului, își transferă energia la mulți electroni ai mediului ca urmare a ciocnirilor elastice și inelastice. Cu cât energia electronului primar este mai mare, cu atât mai mulți electroni îi transferă energia. Dar cu cât energia electronului primar este mai mare, cu atât este mai mare adâncimea în care acesta pătrunde și, prin urmare, cu cât este mai mare adâncimea în material, electronii secundari dobândesc energie. Acestea din urmă pot părăsi materialul dinodului numai dacă s-au format la o adâncime mai mică decât lungimea traseului lor în acest material.

Câștigă dependență M de la tensiunea de alimentare este prezentată în Fig. 2 (date din literatură).

Orez. 2. Dependența câștigului PMT

asupra diferenței de potențial dintre dinode pentru numărul de dinode n= 10 și σmax = 10

La valori mari curenți instantanei datorați sau câștigului foarte mare M, sau o intensitate foarte mare a fulgerului, se datorează influenței încărcăturii spațiale, care distorsionează câmpul în regiunea anodului și a ultimelor dinode (linie întreruptă) . Pentru unele fotomultiplicatoare, acest efect este vizibil la curenți anodici de ~1 mA.

Produsul câștigului PMT și coeficientul de colectare al primului dinod și sensibilitatea integrală a fotocatodului se numește sensibilitate generală PMT.

Chiar dacă nici un flux de lumină nu cade pe fotocatodul PMT, un anumit curent, numit curent întunecat, este încă observat la ieșirea PMT. Motivul pentru aceasta este emisia termoionică de la suprafața fotocatodului și a primelor dinode, emisia de electroni de câmp rece, radioactivitatea materialului din care este fabricat fotomultiplicatorul și o serie de alte motive.

FUNCȚIONAREA DETECTORULUI DE SCINTILATIE

Ansamblul unui detector de scintilație constă într-o cuplare rațională a scintilatorului și fotomultiplicatorului, care ar asigura, cu cel mai mare raport dintre amplitudinile impulsurilor cauzate de sursa radioactivă și curentul de întuneric, cea mai bună rezoluție a detectorului atât ca amplitudine. si in timp. Scintilatorul, care are de obicei forma unui cilindru, este instalat în fața fotocatodului multiplicatorului (vezi fig. 1). Deoarece indicele de refracție al luminii pentru majoritatea scintilatoarelor este destul de ridicat, o parte semnificativă a luminii care iese în scintilator experimentează o reflexie internă totală pe suprafața sa. Prin urmare, pentru a asigura un contact optic bun (și, deci, pentru a crește colectarea luminii), între scintilator și fotocatod se introduce un strat subțire de substanță cu indice de refracție mai mic (ulei de silicon sau vaselină).

Radiația radioactivă care cade pe un scintilator provoacă fulgerări în el - scintilație. Cuantele de lumină care lovesc fotocatodul PMT elimină fotoelectronii, care dau naștere unei avalanșe. În momentul în care avalanșa de electroni ajunge la anodul PMT, apare un impuls de tensiune la rezistența de sarcină de ieșire.

Diferențele de potențial între electrozi sunt de obicei stabilite folosind un divizor de tensiune de la o sursă de energie de înaltă tensiune. Prin schimbarea tensiunii care alimentează divizorul, câștigul PMT poate fi variat într-o gamă largă. Pe măsură ce tensiunea pe divizorul PMT crește, câștigul crește rapid. Motivul pentru aceasta este o creștere a coeficientului de emisie secundară, precum și o ușoară îmbunătățire a focalizării.

La măsurarea numărului de particule, un parametru foarte important este acela care caracterizează probabilitatea de a crea un impuls electric la ieșirea detectorului atunci când o particulă lovește detectorul. Acest parametru este numit eficienţăînregistrarea detectorului h, definită ca raportul dintre numărul de impulsuri electrice înregistrate la ieșirea detectorului pe unitatea de timp și numărul de particule care intră în detector în același timp . Eficiența detectării este o funcție atât de energia și tipul de radiație studiat, cât și de dimensiunea și tipul detectorului. Principala cerință pentru detectoarele cu scintilație, ca și pentru toți detectoarele în general, este eficiența ridicată a înregistrării. După cum se știe, secțiunile transversale ale efectului fotoelectric și ale efectului Compton sunt mai mari, cu atât mai mari Z substante.

Avantajul detectorilor cu scintilație este faptul că eficiența lor de detectare a radiațiilor indirecte ionizante (radiații g, radiații cu raze X) datorită Z scintilatoare este cu un ordin de mărime mai mare decât eficiența de înregistrare a contoarelor cu descărcare în gaz. Literatura de specialitate indică faptul că în cazul radiației y pentru cristalele de NaJ(Tl). dimensiuni mari este de aproximativ 17%.

Una dintre cerințele principale pentru detectoare este scăzută timp permisiuni(determină intervalul minim de timp dintre două particule consecutive pe care detectorul le poate detecta separat). Într-un detector de scintilație, atunci când se utilizează cristale anorganice, al căror timp de iluminare este relativ lung și se ridică la zecimi de microsecundă sau mai mult, proprietățile temporale ale fotomultiplicatorului practic nu joacă niciun rol și timpul de rezoluție al întregului detector de scintilație. va fi determinat de timpul de iluminare a cristalului . Când se lucrează cu scintilatoare organice (și în special cu soluții lichide și solide), unde timpul de expunere este foarte scurt, timpul de rezoluție al fotomultiplicatorului se poate dovedi a fi comparabil cu timpul de expunere al scintilatorului și trebuie luat în considerare la calcul rezoluția în timp a detectorului.

Avantajul unui detector cu scintilație este că timpul său de rezoluție este cu câteva ordine de mărime mai scurt decât timpul de rezoluție al detectorilor cu descărcare în gaz. Utilizarea detectorilor de scintilație în schemele de coincidență de înaltă rezoluție a deschis noi perspective în cercetare diferite feluri procese simultane.

În plus, trebuie remarcat faptul că, deoarece coeficientul de emisie secundară nu depinde de numărul de electroni incidenti, PMT este dispozitiv liniar, adică sarcina de pe anod este proporțională cu numărul de fotoelectroni primari și, în consecință, cu intensitatea fulgerului luminii care lovește catodul. Și deoarece, de obicei, energia pierdută de o particulă într-un cristal este proporțională cu intensitatea fulgerului luminii, amplitudinea pulsului la ieșirea PMT este proporțională cu energia pierdută a particulei. Acest lucru face posibilă crearea diferitelor dispozitive bazate pe un detector de scintilație pentru măsurarea energiei radiațiilor radioactive, ceea ce este imposibil atunci când se utilizează contoare Geiger. Și numai atunci când impulsurile de la ieșirea PMT sunt suficient de mari, liniaritatea poate fi întreruptă, așa cum sa menționat mai sus, din cauza distorsiunii câmpului de către sarcina spațială în regiunea anodului și a ultimelor dinode.

Un punct important înainte de începerea măsurătorilor este selectarea corectă a tensiunii de alimentare a PMT . ÎN măsurători radiometrice, când se numără impulsurile, caracteristica de numărare este folosită cel mai adesea în aceste scopuri , adică, dependența ratei de numărare a impulsurilor la ieșirea detectorului n de la tensiunea de alimentare a PMT U(Fig. 3).

După cum se poate observa din fig. 3, cu creșterea tensiunii de alimentare U magnitudinea n mai întâi crește și apoi devine constantă . Acest lucru se explică prin faptul că la valori mici U Valoarea câștigului PMT M de asemenea nu suficient. Ca rezultat, amplitudinea impulsurilor la ieșirea PMT este nesemnificativă ca mărime și poate fi sub pragul de sensibilitate al dispozitivului de înregistrare. În acest caz, pulsurile nu vor fi înregistrate. Odată cu creșterea tensiunii U câștigul crește M iar amplitudinea impulsurilor crește atât de mult încât poate depăși pragul de sensibilitate al dispozitivului de înregistrare. În acest moment începe numărarea impulsurilor pe recalculator .

Orez. 3. Caracteristica de numărare

Cu o creștere suplimentară U o proporție și mai mare de impulsuri va avea o amplitudine care depășește pragul de sensibilitate, ceea ce va da o creștere și mai mare a ratei de numărare n.

O creștere suplimentară a tensiunii de alimentare poate duce la creșterea ratei de numărare a impulsurilor n va deveni aproape constantă și nu va depinde de valoare U, deoarece amplitudinile aproape tuturor impulsurilor care vin de la detector depășesc pragul de sensibilitate și aproape toate impulsurile sunt înregistrate.

La tensiuni foarte mari U rata de numărare n poate crește brusc datorită faptului că amplitudinea impulsurilor de zgomot PMT devine și ea foarte mare.

Evidențiat în fig. 3 regiunea platoului, unde valoarea n slab dependent de tensiunea de alimentare U, folosit pentru a selecta tensiunea de alimentare; De obicei, tensiunea de funcționare este aleasă în mijlocul platoului.

Criteriul pentru tensiunea optimă de funcționare în spectrometric măsurători are o rezoluție energetică ridicată. Se știe că cu cât câștigul PMT este mai mare, cu atât rezoluția energetică a detectorului este mai mare M, adică cu cât tensiunea de alimentare este mai mare U.

ÎNREGISTRAREg-QUANTA

DETECTOR DE SCINTILATIE

Când lucrați cu un detector de scintilație conceput pentru a rezolva o anumită problemă fizică, trebuie luată în considerare o circumstanță specifică foarte importantă: deoarece proprietățile radiației care trebuie înregistrate într-un caz sau altul pot fi foarte diferite, trebuie acordată o atenție deosebită alegerea rațională a scintilatorului, proprietăți specifice care ar trebui să se potrivească cel mai bine sarcinii în cauză. De obicei, nu există cerințe speciale pentru un fotomultiplicator asociate cu specificul radiației de înregistrare în sine.

La înregistrarea radiației g, alegerea scintilatorului este determinată de cerința de eficiență ridicată, deoarece radiația g este o radiație penetrantă. Pentru un fascicul monoenergetic paralel îngust de raze G incidente în mod normal pe un scintilator de grosime X, eficiența de înregistrare η este definită ca raportul dintre numărul de particule înregistrate și numărul de particule incidente pe detector:

unde t este coeficientul de absorbție al g-quanta în substanța scintilatoare, în funcție de energia radiației și de sarcina medie efectivă a substanței scintilatoare Z.

Pe măsură ce t crește, valoarea lui t (și deci η) scade; cu valori crescătoare Z coeficientul de absorbție al g-quanta t (și, prin urmare, eficiența de înregistrare η ) creştere. Prin urmare, detectoarele de scintilație folosesc în principal cristale anorganice cu un număr atomic mare pentru a detecta razele gamma. Z .

PARTEA EXPERIMENTALĂ

Procedura de realizare a experimentului

În fig. Figura 4 prezintă o diagramă a dezintegrarii radioactive a izotopului Cs-137 utilizat în această lucrare de laborator.

Fig.4. Diagrama dezintegrarii radioactive a izotopului Cs-137

Spectrele de amplitudine măsurate în timpul experimentului folosind izotopul Cs-137 au forma prezentată în Fig. 5.

Dacă modul de funcționare al spectrometrului este selectat incorect, forma acestor spectre poate fi distorsionată semnificativ, deci este important să selectați cu atenție nivelul de putere PMT U, câștig amplificator K, pragurile superioare și inferioare ale discriminatorului TLD și DNU.

Când tensiunea de alimentare a PMT se modifică U câștigul său se modifică M. Ca rezultat, amplitudinea semnalului de ieșire se modifică Aşi de aici poziţia maximului vârfului de absorbţie totală. Prin urmare, studierea dependenței amplitudinii pulsului la ieșirea detectorului A asupra valorii tensiunii de alimentare PMT se poate reduce la studierea dependenţei poziţiei maximului vârfului de absorbţie totală de valoarea tensiunii de alimentare.

Orez. 5. Spectrul de amplitudine al impulsurilor la ieșirea detectorului

Porniți calculatorul. Porniți unitatea spectrometrului; deschide programul Spectrum.

După înregistrare, intrați în modul spectrometru și setați modul de funcționare pe panoul acestuia.

Setați timpul de acumulare a spectrului t= 150 s. Colectați spectrele de amplitudine ale impulsurilor de ieșire la diferite valori ale tensiunii de alimentare PMT.

Scrieți spectrele în fișiere.

Rezultatele măsurătorilor vor fi înregistrate pe discul D. Calea în care puteți găsi datele înregistrate este următoarea : disc D® folderul „Cursul al treilea”® Dosarul „Date”.® dosarul „Studenți”® dosar cu numele elevului® numărul lucrării de laborator® numărul locului de muncă® numărul spectrului.

Prelucrarea rezultatelor

Studiul dependenței de amplitudine

impulsuri de ieșire a detectorului

pe tensiunea de alimentare a PMT

Sarcina 1. Introduceți fișiere de date cu spectre în Mathcad S 001–S 010. Atribuiți un nume variabilei vectoriale care descrie spectrul; definiți numărul canalului ca variabilă clasificată k, variind de la 0 la 1023. Construiți spectre de amplitudine.

Sarcina 2. Identificați vârfurile de absorbție totale în spectrele obținute; folosind operația Trace, faceți estimări brute ale poziției maximului vârfului de absorbție totală pe scara amplitudinilor, dispersiei, limitelor stânga și dreapta ale vârfului. Estimați zona de sub vârf.

Sarcina 3. Aproximarea vârfului de absorbție totală cu o funcție Gaussiană; găsiți valorile exacte ale numărului de canal corespunzătoare poziției maximului vârfului de absorbție totală.

Sarcina 4. Construiți o dependență de valoarea tensiunii de alimentare a PMT U(vezi Fig. 6); explicați dependența de tensiunea de alimentare. Comparați cu datele din literatură. Selectați tensiunea de funcționare a PMT pentru o funcționare ulterioară.

Orez. 6. Dependența poziției maximului vârfului de absorbție totală k 0

in functie de tensiunea de alimentare U

Definițieeficiența de înregistrare a detectorului de radiații γ

Sarcina 5. Utilizarea unui spectru măsurat, de exemplu, la nivelul de putere PMT U= 550 V și câștig K= 1, calculați aria de sub întregul spectru Rși găsiți numărul de impulsuri înregistrate de detector în 1 s: n = P/150.

Sarcina 6. Cunoscând activitatea izotopului radioactiv Cs-137 utilizat, determinați eficiența înregistrării radiației Cs-137 γ:

unde este numărul de raze γ incidente pe suprafața scintilatorului în 1 s;

Numărul 0,85 este introdus ca o corecție a schemei de dezintegrare (vezi schema de dezintegrare prezentată în Fig. 5). – activitatea unei surse radioactive; = 120 kBq. Ω – unghiul relativ solid la care detectorul este iradiat de sursă. Acest unghi depinde de raza scintilatorului s si pe distanta dintre sursa si scintilator h.

.

Evaluați rezultatul obținut; compara cu datele din literatură.

Determinarea fotopiesei și înregistrarea eficienței foto

Sarcina 7. Identificați vârful absorbției totale în spectrul de amplitudine utilizat în sarcina 5, calculați aria acestuia. Definiți fotopartea ca raportul dintre zona de sub fotovârf și zona de sub întregul spectru R(sens R ia de la sarcina 5).

Sarcina 8. Determinați fotoeficiența înregistrării radiației γ ca produs al eficienței de înregistrare înmulțit cu fotopartea:

.

ÎNTREBĂRI DE CONTROL

1. Explicați procesele care au loc în scintilator și enumerați principalii parametri ai scintilatorului.

2. Pe ce două fenomene fizice se bazează funcționarea unui tub fotomultiplicator?

3. Enumerați principalii parametri ai multiplicatorilor fotoelectrici.

4. Care este eficiența de înregistrare a detectorului? De ce detector și parametrii de radiație depinde? Ce este fotofracția și fotoeficiența?

5. Caracterizați caracteristicile de înregistrare a radiațiilor γ.

Scintilatoare- substanțe care au capacitatea de a emite lumină la absorbția radiațiilor ionizante (cuante gamma, electroni, particule alfa etc.). De regulă, numărul de fotoni emis pentru un anumit tip de radiație este aproximativ proporțional cu energia absorbită, ceea ce permite obținerea spectrelor de energie ale radiației. Detectoarele de radiații nucleare cu scintilație sunt principala aplicație a scintilatoarelor. Într-un detector de scintilație, lumina emisă în timpul scintilației este colectată la un fotodetector (de regulă, acesta este fotocatodul unui tub fotomultiplicator - PMT; fotodiodele și alți fotodetectori sunt utilizate mult mai rar), convertită într-un impuls de curent, amplificat și înregistrate de unul sau altul sistem de înregistrare.

Caracteristicile scintilatoarelor[ | ]

Ieșire de lumină [ | ]

Ieșirea de lumină este numărul de fotoni emiși de un scintilator atunci când o anumită cantitate de energie este absorbită (de obicei 1 MeV). O ieșire de lumină mare este considerată a fi de 50-70 de mii de fotoni pe MeV. Cu toate acestea, pentru a detecta particulele de înaltă energie, pot fi utilizate și scintilatoare cu o putere de lumină semnificativ mai mică (de exemplu, tungstat de plumb).

Spectrul de iluminare[ | ]

Spectrul de emisie trebuie adaptat optim la fotosensibilitatea fotodetectorului utilizat, pentru a nu pierde lumina in exces. Spectrul de iluminare, care este inconsecvent cu sensibilitatea receptorului, afectează negativ rezoluția energetică.

Rezoluție energetică[ | ]

Chiar și atunci când particulele cu aceeași energie sunt absorbite, amplitudinea impulsului la ieșirea fotodetectorului detectorului de scintilație variază de la eveniment la eveniment. Acest lucru se datorează 1) naturii statistice a proceselor de colectare a fotonilor la fotodetector și amplificarea ulterioară, 2) probabilității diferite de livrare a fotonilor către fotodetector din diferite puncte ale scintilatorului, 3) răspândirii numărului emis. de fotoni. Ca urmare, în spectrul colectat linia (care pentru un detector ideal ar reprezenta funcția delta) se dovedește a fi neclară, poate fi adesea reprezentată ca un gaussian cu dispersie σ 2; Rezoluția energetică a unui detector este măsurată prin sigma (rădăcina pătrată a dispersiei) și, mai des, lățimea completă la jumătate de maxim (FWHM). Lățimea completă pe jumătate maximă; numite uneori jumătate de lățime), se referă la mediana liniei și exprimată ca procent. FWHM Gaussieni în 2 2 ln ⁡ 2 ≈ 2 , 355 (\displaystyle 2(\sqrt (2\ln 2))\aproximativ 2,355) ori mai mare decât σ. Deoarece rezoluția energetică depinde de energie (de obicei este proporțională cu E−1/2), ar trebui specificat pentru o anumită energie. Cel mai adesea, rezoluția este indicată pentru energia liniei gamma cesiu-137 (661,7 keV).

Timp intermitent[ | ]

Curba de emisie tipică a unui scintilator anorganic excitat de absorbția unei particule încărcate rapid. După un bliț strălucitor pe termen scurt, strălucirea se estompează relativ lent.

Timpul în care energia absorbită în scintilator, excitată de trecerea unei particule încărcate rapid, este transformată în radiație luminoasă se numește timp de emisie. Dependența luminiscenței scintilatorului de timpul din momentul absorbției particulelor (curba de luminescență) poate fi de obicei reprezentată ca un exponențial descrescător sau, în cazul general, ca suma mai multor exponențiale descrescătoare:

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

Termenul din formula cu cel mai mare amplitudine A i (\displaystyle \displaystyle A_(i)) si constanta de timp τ i (\displaystyle \tau _(i)) caracterizează timpul total de iluminare a scintilatorului. Aproape toate scintilatoarele, după iluminare rapidă, au o „coadă” de luminozitate care se descompune lent, care este adesea un dezavantaj, în ceea ce privește rezoluția în timp și rata de numărare a particulelor detectate.

De obicei, suma multor exponențiale din formula de mai sus poate fi reprezentată cu suficientă precizie pentru practică ca suma a două exponențiale:

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))

Unde τ f (\displaystyle \tau _(f)) constanta de timp de iluminare „rapidă”, τ s (\displaystyle \tau _(s)) constanta de timp de iluminare „lentă”, A (\displaystyle A)Și B (\displaystyle B)- amplitudini de strălucire și, respectiv, de strălucire.

Amplitudinile strălucirii și luminii ulterioare depind de energia absorbită în scintilator, capacitatea de ionizare a particulelor rapide și razele gamma. De exemplu, la scintilatoarele realizate din fluorură de bariu dopată, amplitudinea strălucirii cauzate de absorbția unui cuantic gamma depășește semnificativ amplitudinea strălucirii cauzate de absorbția unei particule alfa, la absorbția căreia, dimpotrivă, predomină amplitudinea luminii ulterioare. Acest fenomen face posibilă distingerea naturii radiațiilor ionizante.

Timpii tipici de expunere pentru scintilatoarele anorganice variază de la sute de nanosecunde la zeci de microsecunde. Scintilatoarele organice (plastic și lichid) sunt iluminate în nanosecunde.

Puterea radiațiilor[ | ]

Scintilatoarele iradiate se degradează treptat. Doza de radiație pe care o poate suporta un scintilator fără o deteriorare semnificativă a proprietăților se numește puterea radiației.

Factorul de stingere [ | ]

Particule de natură diferită, dar cu aceeași energie, atunci când sunt absorbite într-un scintilator, dau, în general, ieșiri de lumină diferite. Particulele cu densitate mare de ionizare (protoni, particule alfa, ioni grei, fragmente de fisiune) produc mai puțini fotoni în majoritatea scintilatoarelor decât razele gamma, particulele beta, muonii sau razele X. Raportul dintre puterea de lumină a unui anumit tip de particule și puterea de lumină a razelor gamma cu energie egală se numește factor de stingere (din engleză quenching - „quenching”). Factorul de stingere al electronilor (particulele beta) este de obicei aproape de unitate. Factorul de stingere pentru particulele alfa se numește raport α/β; pentru multe scintilatoare organice este aproape de 0,1.

Scintilatoare anorganice[ | ]

Cel mai adesea, monocristalele anorganice sunt folosite ca scintilatoare. Uneori, pentru a crește puterea de lumină, un așa-numit activator (sau dopant) este introdus în cristal. Astfel, în scintilatorul NaI(Tl), matricea cristalină de iodură de sodiu conține centri activatori de taliu (o impuritate la nivelul sutimii de procent). Se numesc scintilatoare care strălucesc fără activator proprii.

Scintilatoare

	Timp evidentierea, mks	Maxim spectrul de iluminare, nm	Coeficient eficienţă (relativ la la antracen)	Notă
NaI()	0,25	410	2,0	higroscopic
CsI()	0,5	560	0,6	fosforescenţă
LiI()	1,2	450	0,2	foarte higroscopic
LiI()				foarte higroscopic
ZnS()	1,0	450	2,0	pudra
CdS()	1,0	760	2,0	mic monocristale

Scintilatoare ceramice anorganice[ | ]

Scintilatoare ceramice transparente sunt obținute din materiale ceramice transparente pe bază de oxizi Al 2 O 3 (Lukalox), Y 2 O 3 (Ittralox) și derivați ai oxizilor Y 3 Al 5 O 12 și YAlO 3, precum și MgO, BeO.

Scintilatoare organice[ | ]

Scintilatoarele organice sunt de obicei amestecuri cu două sau trei componente. Centrii primari de fluorescență sunt excitați din cauza pierderii de energie de către particulele incidente. Când aceste stări excitate se diminuează, lumina este emisă în intervalul de lungimi de undă ultraviolete. Lungimea de absorbție a acestui ultraviolet este, totuși, destul de scurtă: centrii de fluorescență sunt opaci la propria lor lumină emisă.

Ieșirea luminii se realizează prin adăugarea unei a doua componente la scintilator, care absoarbe lumina emisă inițial și o reemite izotrop cu lungimi de undă lungi (așa-numitul spectrum shifter, sau shifter).

Cele două componente active din scintilatoarele organice sunt fie dizolvate într-un lichid organic, fie amestecate cu un material organic, astfel încât să formeze o structură polimerică. Cu această tehnologie, este posibil să se producă un scintilator lichid sau plastic de orice formă geometrică. În cele mai multe cazuri, foile de scintilator sunt fabricate cu o grosime de 1 până la 30 mm.

Scintilatoarele organice au timpi de luminiscență mult mai scurti (de ordinul a câteva până la zeci de nanosecunde) în comparație cu scintilatoarele anorganice, dar au un timp mai mic:

Există și alte scintilatoare organice, de exemplu de la o companie americană. Scintilatoarele Bicron BC 400...416 sunt fabricate pe baza.

Scintilatoare cu gaz[ | ]

Contoarele de scintilație de gaz utilizează lumina emisă de atomii care sunt excitați atunci când particulele încărcate interacționează cu ele și apoi revin la starea fundamentală. Durata de viață a nivelurilor excitate se află în intervalul de nanosecunde. Datorită densităților lor scăzute, puterea de lumină în scintilatoarele cu gaz este relativ scăzută. Cu toate acestea, gazele inerte lichefiate pot fi utilizate și ca scintilatoare de gaz.

Cameră de drift.

Acesta este un analog al unei camere proporționale, care vă permite să restabiliți traiectoria particulelor cu o precizie și mai mare.

Camerele cu scânteie, streamer, proporționale și în derivă au multe dintre avantajele camerelor cu bule, permițându-le să fie declanșate de la un eveniment de interes, folosindu-le pentru a coincide cu detectoarele de scintilație.

Camera de deriva este un detector de coordonate. Acesta este un detector de ionizare cu sârmă umplut cu gaz (ca o cameră proporțională), în care coordonatele unei particule este determinată de timpul de deplasare a electronilor din gaz de la locul ionizării (zborul particulei) la firele anodului de semnal. . Distanța dintre fire este de obicei de câțiva centimetri. Spre deosebire de camera proporțională, în camera de derivă este creat un câmp electric uniform. Este activat prin semnale de pornire de la detectoare externe (cel mai adesea contoare de scintilație), care înregistrează trecerea unei particule prin cameră. În continuare, electronii liberi care apar în volumul camerei se deplasează într-un câmp uniform și constant la cele mai apropiate fire. Intensitatea câmpului în intervalul de deriva este de 1 kV/cm. În imediata vecinătate a firelor anodice se formează avalanșe (amplificarea gazului ajunge la 10 6) iar coordonatele particulelor sunt determinate din timpul de întârziere al sosirii avalanșelor pe firele anodului în raport cu semnalul de pornire. Rezoluția spațială a camerei de deriva este de aproximativ 0,1-0,2 mm, iar rezoluția temporală este de nanosecunde.

Camerele de derivă pot fi plate, cilindrice și sferice. Camerele mari de deriva plate sunt utilizate în experimente la acceleratoare de înaltă energie. Astfel, CERN a dezvoltat o cameră de deriva care măsoară 2x4x5 m3.

Un detector de scintilație folosește proprietatea anumitor substanțe de a străluci atunci când o particulă încărcată trece prin el. Cuantele de lumină produse în scintilator sunt apoi detectate folosind tuburi fotomultiplicatoare. Sunt utilizate atât scintilatoare cristaline, de exemplu NaI, BGO, cât și cele din plastic și lichide. Scintilatoarele cristaline sunt utilizate în principal pentru înregistrarea razelor gamma și a razelor X, scintilatoarele din plastic și lichide sunt folosite pentru înregistrarea neutronilor și măsurători de timp. Volume mari de scintilatoare fac posibilă crearea de detectoare cu eficiență foarte mare pentru detectarea particulelor cu o secțiune transversală mică pentru interacțiunea cu materia.

Primul detector de scintilație, numit spinthariscope, a fost un ecran acoperit cu un strat de ZnS. Flash-urile care au apărut atunci când particulele încărcate l-au lovit au fost înregistrate cu ajutorul unui microscop. Cu un astfel de detector, Geiger și Marsden au efectuat în 1909 un experiment privind împrăștierea particulelor alfa de către atomii de aur, care a dus la descoperirea nucleului atomic. Din 1944, fulgerele de la un scintilator au fost înregistrate de tuburi fotomultiplicatoare (PMT). Ulterior, LED-urile au fost folosite și în aceste scopuri.

Scintilatorul poate fi organic (cristale, materiale plastice sau lichide) sau anorganic (cristale sau pahare). Se mai folosesc scintilatoare gazoase. Antracenul (C14H10), stilbenul (C14H12) și naftalina (C10H8) sunt adesea folosite ca scintilatoare organice. Scintilatoarele lichide sunt de obicei cunoscute sub numele de marcă (ex. NE213). Scintilatoarele din plastic și lichide sunt soluții de substanțe organice fluorescente într-un solvent transparent. De exemplu, o soluție solidă de antracen în polistiren sau o soluție lichidă de p-terfenil în xilen. Concentrația substanței fluorescente este de obicei scăzută și particula detectată excită în principal molecule de solvent. Ulterior, energia de excitație este transferată către moleculele substanței fluorescente. ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi4Ge3O12 (BGO), etc. sunt utilizate ca scintilatoare cristaline anorganice. Gazele inerte (Xe, Kr, Ar, He) și N sunt utilizate ca scintilatoare de gaz și lichid.

Fig.1. Comparația a două scintilatoare

Deoarece nivelurile moleculare sunt excitate în scintilatoarele organice, care emit în regiunea ultravioletă, pentru a se potrivi cu sensibilitatea spectrală a dispozitivelor de înregistrare a luminii (PMT-uri și fotodiode), se folosesc convertoare de lumină care absorb radiația ultravioletă și reemit lumină vizibilă în regiunea de 400. nm.

Ieșirea de lumină este fracțiunea din energia unei particule detectate care este convertită în energia unui fulger de lumină. Ieșirea luminoasă a antracenului este de ~ 0,05 sau 1 foton la 50 eV pentru particule de înaltă energie. NaI are o putere de lumină de ~ 0,1 sau 1 foton la 25 eV. Se obișnuiește să se compare puterea de lumină a acestui scintilator cu puterea de lumină a antracenului, care este utilizat ca standard. Randamentele luminoase tipice ale scintilatoarelor din plastic sunt de 50-60%.

Intensitatea fulgerului luminii este proporțională cu energia pierdută de particule, astfel încât un detector de scintilație poate fi folosit ca spectrometru, adică un dispozitiv care determină energia particulei.

Folosind contoare de scintilație, este posibil să se măsoare spectrele de energie ale electronilor și razelor. Situația este oarecum mai gravă cu măsurarea spectrelor particulelor grele încărcate (-particule etc.), care creează ionizare specifică ridicată în scintilator. În aceste cazuri, proporționalitatea intensității fulgerului de energie pierdută nu este observată la toate energiile particulelor și apare doar la valori energetice mai mari decât o anumită valoare. Relația neliniară dintre amplitudinile pulsului și energia particulelor este diferită pentru diferiți fosfori și pentru diferitele tipuri de particule.

Orez. 2. Scintilator și PMT

Orez. 3. Dispozitiv PMT

Fotonii generați în scintilator sub influența unei particule încărcate ajung la fotomultiplicator prin ghidajul de lumină și prin peretele său de sticlă intră în fotocatod. Un tub fotomultiplicator este un cilindru, în interiorul căruia se află în vid un fotocatod și un sistem de dinozi succesivi, sub un potențial electric pozitiv care crește de la dinod la dinod. Ca urmare a efectului fotoelectric, electronii zboară din fotocatod, care sunt apoi accelerați în câmpul electric și direcționați către un sistem de dinode, unde, datorită emisiei secundare (de impact) de electroni, formează o avalanșă de electroni care crește din dinod la dinod și ajunge la anod. De obicei, câștigul PMT (numărul de electroni care ajung la anod atunci când un electron este scos din fotocatod) este 10 5 -10 6 , dar poate ajunge la 10 9 , ceea ce face posibilă obținerea unui impuls electric ușor detectabil la ieșirea PMT. Rezoluția în timp a fotomultiplicatorului este de 10 -8 -10 -9 s.

Rezoluția energetică a detectorilor de scintilație ΔE/E nu este de obicei mai bună decât câteva procente. Rezoluția temporală este determinată în principal de durata fulgerului luminii (timpul în care fosforul este iluminat) și variază în intervalul de 10 -6 -10 -9 s.

Volume mari de scintilatoare fac posibilă crearea de detectoare cu eficiență foarte mare pentru detectarea particulelor cu o secțiune transversală mică pentru interacțiunea cu materia.

Scintilația - un cuvânt latin - este o fulgerare de lumină vizibilă cauzată într-o substanță de particule încărcate. Funcționarea unui detector de scintilație se bazează pe înregistrarea fotonilor emiși de atomii excitați. Primul detector de scintilație, numit spinthariscope, era un ecran acoperit cu un strat ZnS. Flash-urile care au apărut atunci când particulele încărcate l-au lovit au fost înregistrate cu ajutorul unui microscop. Cu un astfel de detector a fost efectuat un experiment privind împrăștierea particulelor alfa de către atomii de aur, ceea ce a dus la descoperirea nucleului atomic.

Nu orice material transparent este potrivit ca scintilator, trebuie să fie transparent la propria radiație. Acestea includ NaJ(Tl), CsI organic: antracen (C14H10), stilben (C14H12), naftalină (C10H8). Particula încărcată înregistrată intră în cristal și

este inhibată în ea, excitanți și ionizanți atomi. Acestea din urmă, trecând în starea fundamentală, emit fotoni. Toate acestea la timp 10 -7 Cu. În cristalele bune, câteva procente din energia particulelor este transformată în lumină. Cristalul din detector este înconjurat de un reflector, astfel încât lumina să iasă doar dintr-o parte.

Pentru a înregistra clipiri slabe de lumină, utilizați tuburi fotomultiplicatoare(PMT) (Fig. 6). Se creează un contact optic între scintilator și capătul fotomultiplicatorului. Fotonii dintr-un fulger de lumină, datorită efectului fotoelectric (vezi prelegerea), elimină electronii din fotocatod (1), formați sub forma unei pelicule subțiri în interiorul tubului fotomultiplicator. Acești electroni sunt direcționați printr-un câmp electric de focalizare către un electrod intermediar (2), numit dinod. Suprafaţă

Dinodul este acoperit cu un material cu un coeficient ridicat de emisie de electroni secundari. Fiecare electron incident elimină 3 până la 5 electroni secundari. Există mai mult de 10 dinode în fotomultiplicator, ceea ce face posibilă îmbunătățirea fluxului de electroni în 10 5 si de mai multe ori. Un impuls electric apare la anodul fotomultiplicatorului (8), care este în continuare amplificat și înregistrat. O caracteristică remarcabilă a PMT este liniaritatea bine întreținută a câștigului. Circuitul echivalent al unui detector de scintilație este prezentat în Fig. 7. Ecuația care descrie forma semnalului este dată mai sus (vezi formula (1)). Dependența curentului de timp în această ecuație este determinată de dinamica iluminării scintilatorului și arată astfel

Unde τ - timpul de iluminare a scintilatorului. Pentru scintilatoarele anorganice acest timp este de ordinul 10 -7 s, pentru organic - 10 -8 s, pentru cele din plastic ajunge 10 -9 Cu. Amplitudinea pulsului la pierderea energiei în scintilator ΔE aproximativ egale

Unde η - puterea luminoasă a scintilatorului (fracția de energie emisă sub formă de lumină, pentru antracen 0,05), ε - randamentul cuantic al fotocatodului PMT (numărul mediu de fotoelectroni eliminați la 1 foton, valoare de ordinul 0,1), K- câștig PMT ( 10 5 și altele), hυ- energia medie a fotonilor produși în scintilator, C- capacitatea anodului PMT față de masă (valoare de ordinul a 20 pF), e- sarcina electronilor. Dacă luăm valori tipice pentru cantitățile enumerate și energia particulei pierdute în detector este de 5 MeV, atunci amplitudinea

Fig.8 Forma tipică a spectrului Cs-137

va fi de aproximativ 10 volți.

Rezoluția energetică a detectorilor de scintilație ΔE/E de obicei, nu mai bine de câteva procente, deoarece formarea unui fotoelectron necesită energie hν/(η ε), egal cu aproximativ 500 eV (comparativ cu 30 eV pentru camera de ionizare).

Descoperirea protonului în laboratorul lui Rutherford (1919) a avut loc prin observarea scintilațiilor cauzate de particule într-o reacție nucleară α + 14 N → p + 17 O. Contoarele de scintilație pot fi folosite pentru a măsura spectrele de energie ale electronilor și γ -razele (în Fig. 8 forma spectrului pentru monoenergetice γ -quanta). Sunt folosite pentru a măsura rata dozei β - Și γ - radiații, precum și neutroni. Avantajele contoarelor de scintilație: eficiență mare de înregistrare a diferitelor particule (aproape 100%); performanţă; posibilitatea de fabricare a scintilatoarelor marimi diferiteși configurații; fiabilitate ridicată.

Volume mari de scintilatoare fac posibilă crearea de detectoare de foarte mare eficiență pentru detectarea particulelor cu o secțiune transversală mică pentru interacțiunea cu materia (se cunoaște un detector cu un cristal). NaJ(Tl) cu un diametru de 0,75 m și o lungime de 1,5 m, văzută de un număr mare de fotomultiplicatori). Celebrul experiment al lui Reines și Cohen privind descoperirea neutrinilor (1956) a folosit trei scintilatoare lichide cu un volum de 1400 de litri fiecare.