Принцип работы, конструкция и область применения сцинтилляционных детекторов. Энергетическое и временное разрешение сцинтилляционных детекторов.

Сцинтилляционные детекторы

Принцип работы, конструкция и область применения сцинтилляционных детекторов. Энергетическое и временное разрешение сцинтилляционных детекторов.

Сцинтилляционные детекторы конструктивно состоят из двух элементов: сцинтиллятора, преобразующего энергию заряженной частицы в световую вспышку, и фотоприемника, преобразующего эту световую вспышку в электрический импульс. Свойством светиться под действием ионизирующего излучения обладают многие вещества. К сцинтилляторам относят лишь те вещества, у которых длительность свечения не превышает 10^-6 с.

Рис.1. Принцип действия и схема включения сцинтилляционного детектора

Основными характеристиками сцинтилляторов являются следующие.

1. Конверсионная эффективность. Конверсионной эффективностью называется отношение:

где Е_св - энергия световой вспышки;

Е_част – энергия, потерянная частицей в сцинтилляторе.

Для релятивистских частиц удельные ионизационные потери слабо зависят от энергии частицы, и поэтому конверсионная эффективность практически перестает зависеть от удельных ионизационных потерь. Поэтому при регистрации релятивистских частиц часто используется другая величина – удельный световой выход dL/dE, который дает количество световых фотонов на 1 МэВ энергии, потерянной частицей.

2. Спектр свечения сцинтилляторов.

По большей части спектр свечения сцинтилляторов представляет собой широкую полосу и характеризуется λ_max – значением длины волны света, в максимуме спектра свечения.

Обычно λ_max лежит в видимой области и хорошо сопрягается с максимумом спектральной чувствительности фотоприемников. Однако у ряда сцинтилляторов, в частности, у благородных газов, λ_max лежит в области ультрафиолета. Для преобразования ультрафиолетового спектра в видимый применяют сместители спектра – органические вещества, у которых спектр поглощения совпадает со спектром свечения сцинтиллятора, а спектр излучения, лежащий в более длинноволновой области, совпадает со спектральной чувствительностью фотоприемника.

3. Прозрачность к собственному излучению. В большинстве сцинтилляторов спектр излучения частично перекрывается со спектром поглощения. Чем меньше степень перекрытия спектров, тем прозрачнее сцинтиллятор к собственному излучению. Обычно прозрачность к собственному излучению характеризуется длиной ослабления l _осл – расстоянием, на котором собственное излучение ослабляется в «е» раз. Длина ослабления хороших сцинтилляторов лежит в диапазоне от десятков сантиметров до нескольких метров.

4. Время высвечивания. В первом (достаточно грубом) приближении зависимость числа испускаемых фотонов от времени описывается следующим уравнением:

(34),

Сцинтилляционные детекторы позволяют не только регистрировать нейтральные и заряженные частицы, но и измерять их энергию, поскольку в диапазоне изменения энергии частицы на 1-2 порядка амплитуда световой вспышки пропорциональна энергии частицы. Фотоумножитель же линеен в значительно более широком диапазоне сигналов. Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов весьма посредственное, поскольку на каждом этапе преобразования энергии частицы (в свет, и далее в электрический сигнал), имеются значительные потери. Наилучшее энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора с кристаллом NaJ(Tl) диаметром 3 см и толщиной 2 см составляет около 6% на γ-линии Cs¹³⁷ (0,661 КэВ), что примерно на 2 порядка хуже, чем энергетическое разрешение полупроводникового детектора на основе сверхчистого германия.

Однако сцинтилляционные детекторы на основе пластмассовых сцинтилляторов, обладающих наименьшим временем высвечивания (~ 1 нс), и специальных временных фотоумножителей, позволяют получить точность определения момента времени регистрации частицы (временное разрешение) около 10^-10с, и по этой характеристике более чем на порядок превосходят полупроводниковые детекторы, являясь одними из лучших детекторов для временного анализа (наряду с черенковскими детекторами и некоторыми специальными конструкциями газонаполненных детекторов).

Дата добавления: 2015-07-26