scintilační počítadlo princip konstrukce a práce

co je scintilace

scintilační počítadlo je zařízení používané pro detekci a měření energie záření.

scintilační čítač ve své nejjednodušší podobě byl poprvé představen Rutherfordem a jeho spolupracovníkem při studiu jasu excitovaného v ZnS alfa částicemi. Síto potažené sulfidem zinečnatým nebo Platinokyanidem barnatým nebo tungstátem vápenatým, když je vystaveno alfa částicím, vytváří scintilace, které byly počítány mikroskopem s nízkým výkonem.

takto navržený nástroj se jmenoval Spintheriscope. Proces počítání scintilací je zdlouhavý proces. Oko omezuje počet na asi 100 za minutu.

vynález fotonásobičů trubek a lepší pochopení luminiscenčních vlastností organických a anorganických látek tuto nevýhodu odstranily a scintilační čítač je nyní široce používán při studiu jaderného záření.

princip scintilačního čítače

jednoduchý scintilační čítač byl poprvé představen Karan a Barca v roce 1994. Vyrobené impulsy jsou detekovány v konvenčních elektronických obvodech po vhodném zesílení. Impulsy produkované alfa částicemi byly detekovány ZnS, fosforem s účinností 100%.

později Kallman (1947) rozšířil svou aplikaci detekce β a γ paprsků použitím průhledných krystalů antracenu a naftalenu jako fluorescenčního média. Hofstadter zjistil, že Nal má lepší účinnost a větší intenzitu pro počítání γ paprsků.

konstrukce scintilačního čítače

kompletní scintilační počítadlo se skládá ze tří základních částí:

1. scintilační materiál nebo fosfor vytváří malý světelný záblesk, když na něj narazí nabitá částice.
2. fotonásobičová trubice detekuje světelný záblesk a vytváří elektrický impuls.
3. zesilovače a elektronické obvody zaznamenávají a počítají elektrické impulsy z fotonásobiče.

úloha mikroskopu v jednoduchém scintilátoru je nahrazena fotonásobicí trubicí. Tato trubice má mnoho dynodů elektronových karet, na které jsou aplikovány postupně vyšší potenciály, jak je znázorněno na obrázku.

fotoelektrony jsou urychleny v elektrostatickém poli mezi katodou a první dynodou, což je s ohledem na katodu kladný potenciál. Zrychlené elektrony dodávají elektronům v dynodě dostatek energie, aby některé z nich vysunuly.

pro každý elektron, který zasáhne dynodu, může být až 10 sekundárních elektronů. Tento proces násobení pokračuje, dokud poslední dynoda nedostane lavinu elektronů, které jsou nakonec shromážděny anodou.

Výstupní proud nebo puls na anodě může být více než milionkrát větší než proud původně emitovaný z katody.

práce scintilačního čítače

blokové schéma scintilačního čítače je znázorněno na obrázku. S je zdroj, který emituje ionizující záření za vzniku krátkodobých světelných záblesků ve fosforu umístěném před fotokatodou fotonásobicí trubice.

proces násobení probíhá za účelem vytvoření laviny elektronů, které jsou nakonec shromážděny anodou. Na výstupu se vytváří velký puls několika desítek milivoltů.

předzesilovač tyto signály zesiluje a poté jsou přiváděny do diskriminátoru, jehož funkcí je odstranění nízkoenergetických impulsů a poté jsou počítány do skaláru. Napájení různých stupňů je dodáváno stabilizovaným napájecím zdrojem.

výroba scintilačního záblesku příchozími ionizujícími částicemi a následné generování elektrického impulsu ve fotonásobiči jsou rozděleny do pěti odlišných událostí.

1. dopadající záření je nejprve absorbováno ve fosforovém materiálu a jeho atomy nebo molekuly jsou excitovány.
2. excitované atomy nebo molekuly fluorescenčního materiálu fosforu se rozpadají a vytvářejí krátký záblesk světla.
3. emitované fotony jsou přenášeny do fotokatody fotonásobiče.
4. Fotoelektrony se vyrábějí díky absorpci světelných fotonů.
5. elektronové násobení probíhá velmi rychle a všechny tyto operace probíhají přibližně za 10-8 sekund.

elektrické impulsy produkované fotonásobicí trubicí jsou úměrné energii dopadajících fotonů. Scintilační počítadlo tak detekuje záření a měří energii záření.

typické spektrum γ paprsků získané se zdrojem Cs137 je znázorněno na obrázku.

víme, že γ-fotony paprsků interagují s hmotou hlavně třemi způsoby:

1. fotoelektrický efekt.
2. Comptonův efekt.
3. Pair production ( výroba pozitron-elektronového páru).

fotoelektrický jev a Comptonův jev jsou nejdůležitější pro γ paprsky s energií do 2 MeV. Fotoelektrický efekt je však ve skutečnosti využíván, protože při dopadu γ paprsku na materiál je emitován fotoelektron.

energie fotoelektronu se rovná energii absorbovaného γ paprsku. Při fotoelektrickém efektu ztrácí γ paprsek veškerou svou energii na Elektron. Proto γ paprsky stejné energie produkovaly fotoelektrony stejné energie ve scintilačním krystalu. Elektrický impuls produkovaný ve fotonásobicí trubici je úměrný energii dopadajících γ paprsků.

scintilační čítač spojený s vícekanálovým analyzátorem je známý jako γ ray spektrometr. Tento spektrometr je kalibrován pomocí γ paprsků známé energie. Šířka plného energetického vrcholu v polovině výšky se nazývá plná šířka v polovině maxima (FWHM).

energetické rozlišení spektrometru je definováno jako poměr FWHM k energii γ paprsků odpovídající plnému energetickému vrcholu.

že to, energetické rozlišení spektrometru = Δ E / Ey

typicky Δ E / Ey =20% při Ey = 100 k eV.

když jsou energie γ paprsků velmi blízko u sebe, scintilační čítač je nedokáže oddělit. v takových případech se používá polovodičový čítač.

použité typy scintilačních čítačů

1. jodid sodný.
2. Sulfid Zinečnatý.
3. ČSL.
4. antracen a Stilben.
5. plastové a kapalné Scintilátory.
6. plyny.

jodid sodný (aktivovaný thalliem)

Toto je nejčastěji používaný scintilátor při studiu γ paprsků. Ve srovnání s GM čítačem je účinnost detekce γ-paprsků velmi velká. Má jednu nevýhodu, je hygroskopický, a proto musí být utěsněn v hliníkové plechovce s odrážejícími nebo difúzními stěnami.

sulfid zinečnatý

je široce používán pro detekci těch částic, které mají krátké vzdálenosti. Nemůže být použit v tlustých vrstvách, protože se rychle stává neprůhledným vůči vlastnímu záření.

Csl

to není hygroskopické,a proto je výhodné před jodidem sodným.

Anthracen a Stilben

Jedná se o organické fosfory, které mají rychlejší dobu rozpadu než anorganické fosfory. U těžkých částic mají velmi nízkou účinnost. Jsou užitečné pro detekci β-částic. Anthracen poskytuje nejvyšší výtěžek fotonů asi 15 na každých 1000 eV.

plastové a kapalné Scintilátory

v těchto scintilátorech se energie excitace přenáší z rozpouštědla na rozpuštěnou látku. To pak znovu vydává záření v rozsahu vlnových délek, pro které je rozpouštědlo průhledné. Ty se používají v Čítačových dalekohledech, které se obecně používají ve fyzice vysokých energií.

plyny

pro počítání těžkých nabitých částic v přítomnosti γ-záření se používá Xenon, který emituje záření v ultrafialové oblasti.

vysoká účinnost detekce, krátká doba řešení, linearita v odezvě v širokém rozsahu energie dopadajícího záření jsou některé z výhod scintilačního čítače, díky nimž je tento přístroj lepší než konvenční G. M. čítač.

nejvýraznější vlastností scintilačního čítače nad proporcionálním čítačem jsou jeho extrémně krátké pulzy a vyšší rozlišení.

aplikace scintilačního čítače

• je nejúčinnější pro počítání γ-paprsků.
• díky své velké velikosti a vysoce průhlednému fosforu vykazuje velmi vysokou účinnost.
• vzhledem k tomu, že výška pulsu je úměrná energii dopadajícího záření, používá se pro vyšetřování distribuce energie jaderného záření.
• je schopen rychlého počítání, protože mrtvý čas a čas řešení jsou řádově 10-19 sec. oproti 10-5 sec.v počítadle G. M.