Principio del contatore di scintillazione Costruzione e funzionamento

Cos’è la scintillazione

Il contatore di scintillazione è un dispositivo utilizzato per rilevare e misurare l’energia delle radiazioni.

Il contatore di scintillazione nella sua forma più semplice è stato introdotto per la prima volta da Rutherford e dal suo collega mentre studiava la luminanza eccitata in ZnS dalle particelle Alfa. Uno schermo rivestito con solfuro di zinco o platinocianuro di bario o tungstato di calcio quando esposto a particelle alfa produce scintillazioni che sono stati contati da un microscopio a bassa potenza.

Lo strumento così ideato fu chiamato Spintheriscope. Il processo di conteggio delle scintillazioni è un processo noioso. L’occhio limita il conteggio a circa 100 al minuto.

L’invenzione dei tubi fotomoltiplicatori e una migliore comprensione delle proprietà luminescenti delle sostanze organiche e inorganiche hanno rimosso questo inconveniente e il contatore di scintillazione è ora ampiamente utilizzato nello studio delle radiazioni nucleari.

Principio del contatore di scintillazione

Un semplice contatore di scintillazione è stato introdotto per la prima volta da Karan e Barca nel 1994. Gli impulsi prodotti vengono rilevati nei circuiti elettronici convenzionali dopo un’adeguata amplificazione. Gli impulsi prodotti da particelle alfa sono stati rilevati da ZnS, fosforo con un’efficienza del 100%.

Più tardi Kallman (1947) estese la sua applicazione β e γ ray detection utilizzando cristalli trasparenti di antracene e naftalene come mezzi fluorescenti. Hofstadter ha scoperto che Nal aveva una migliore efficienza e una maggiore intensità per il lavoro di conteggio dei raggi γ.

Costruzione del contatore di scintillazione

Il contatore di scintillazione completo è costituito da tre parti di base:

1. Il materiale scintillante o fosforo produce un piccolo lampo di luce quando una particella carica lo colpisce.
2. Il tubo fotomoltiplicatore rileva il flash di luce e produce un impulso elettrico.
3. Amplificatori e circuiti elettronici registrano e contano gli impulsi elettrici dal tubo fotomoltiplicatore.

Il lavoro del microscopio in un semplice scintillatore è sostituito da un tubo fotomoltiplicatore. Questo tubo ha molti dinodi di carte di elettroni a cui vengono applicati potenziali progressivamente più elevati come mostrato in figura.

I fotoelettroni sono accelerati nel campo elettrostatico tra il catodo e il primo dinodo, che è ad un potenziale positivo rispetto al catodo. Gli elettroni accelerati impartiscono energia sufficiente agli elettroni nel dinodo per espellere alcuni di essi.

Ci possono essere fino a 10 elettroni secondari per ogni elettrone che colpisce il dinodo. Questo processo di moltiplicazione continua fino a quando l’ultimo dinodo ottiene una valanga di elettroni che vengono finalmente raccolti dall’anodo.

La corrente di uscita o impulso all’anodo può essere più di un milione di volte maggiore della corrente originariamente emessa dal catodo.

Funzionamento del contatore di scintillazione

Lo schema a blocchi del contatore di scintillazione è mostrato in figura. S è una sorgente che emette radiazioni ionizzanti per produrre lampi di luce di breve durata nel fosforo posto davanti al fotocatodo di un tubo fotomoltiplicatore.

Il processo di moltiplicazione avviene per produrre una valanga di elettroni che vengono infine raccolti dall’anodo. Un grande impulso di diverse decine di millivolt viene prodotto in uscita.

Il preamplificatore amplifica questi Segnali e quindi vengono alimentati al discriminatore la cui funzione è quella di rimuovere gli impulsi a bassa energia e quindi vengono contati nello scalare. L’alimentazione ai vari stadi è fornita dall’alimentatore stabilizzato.

La produzione di un flash di scintillazione da parte delle particelle ionizzanti in ingresso e la successiva generazione di un impulso elettrico in un fotomoltiplicatore sono divisi in cinque eventi distinti.

1. La radiazione incidente viene prima assorbita nel materiale del fosforo e i suoi atomi o molecole sono eccitati.
2. Gli atomi eccitati o le molecole del materiale fluorescente del decadimento del fosforo e producono flash di luce di breve durata.
3. I fotoni emessi vengono trasmessi al fotocatodo del fotomoltiplicatore.
4. I fotoelettroni sono prodotti a causa dell’assorbimento di fotoni di luce.
5. La moltiplicazione degli elettroni avviene molto rapidamente e tutte queste operazioni avvengono in circa 10-8 secondi.

Gli impulsi elettrici prodotti dal tubo fotomoltiplicatore sono proporzionali all’energia dei fotoni incidenti. Così il contatore di scintillazione rileva la radiazione e misura l’energia della radiazione.

Un tipico spettro di raggi γ ottenuto con sorgente Cs137 è mostrato in figura.

Sappiamo che i γ-fotoni dei raggi interagiscono con la materia principalmente in tre modi:

1. Effetto fotoelettrico.
2. Effetto Compton.
3. Produzione di coppia (produzione di coppia positrone-elettrone).

L’effetto fotoelettrico e l’effetto Compton sono i più importanti per i raggi γ con energia fino a 2 MeV. Tuttavia, l’effetto fotoelettrico è effettivamente utilizzato perché quando γ ray incidente su un materiale, fotoelettrone viene emesso.

L’energia del fotoelettrone è uguale all’energia del raggio γ assorbito. Nell’effetto fotoelettrico, il raggio γ perde tutta la sua energia per l’elettrone. Pertanto, i raggi γ della stessa energia hanno prodotto fotoelettroni della stessa energia in un cristallo scintillante. L’impulso elettrico prodotto in un tubo fotomoltiplicatore è proporzionale all’energia dei raggi γ incidenti.

Un contatore di scintillazione accoppiato con un analizzatore multicanale è noto come spettrometro a raggi γ. Questo spettrometro è calibrato utilizzando raggi γ di energia nota. La larghezza del picco di energia completa a metà altezza è chiamata larghezza completa a metà massimo (FWHM).

La risoluzione energetica dello spettrometro è definita come il rapporto tra FWHM e l’energia dei raggi γ corrispondente al picco energetico completo.

Che, risoluzione energetica dello spettrometro = Δ E / Ey

Tipicamente, Δ E / Ey =20% a Ey = 100 k eV.

Quando le energie dei raggi γ sono molto vicine l’una all’altra, il contatore di scintillazione non è in grado di separarle. in In questi casi, viene utilizzato il contatore a semiconduttore.

Tipi di contatore di scintillazione utilizzati

1. Ioduro di sodio.
2. Solfuro di zinco.
3. Csl.
4. Antracene e Stilbene.
5. Scintillatori di plastica e liquidi.
6. Gas.

Ioduro di sodio (tallio attivato)

Questo è lo scintillatore più comunemente usato nello studio dei raggi γ. In un confronto del contatore GM, l’efficienza del rilevamento dei raggi γ è molto grande. Ha uno svantaggio, è igroscopico e quindi deve essere sigillato in una lattina di alluminio con pareti riflettenti o diffondenti.

Solfuro di zinco

È ampiamente utilizzato per la rilevazione di quelle particelle che hanno intervalli brevi. Non può essere utilizzato in strati spessi perché diventa rapidamente opaco alla propria radiazione.

Csl

Questo non è igroscopico ed è quindi preferito rispetto allo ioduro di sodio.

Antracene e Stilbene

Questi sono fosfori organici che hanno un tempo di decadimento più veloce dei fosfori inorganici. Per le particelle pesanti, queste hanno un’efficienza molto scarsa. Questi sono utili per la rilevazione della β-particella. Antracene dà più alta resa di fotoni circa 15 per ogni 1000 eV.

Scintillatori di plastica e liquidi

In questi scintillatori, l’energia di eccitazione viene trasferita dal solvente al soluto. Questo quindi riemette la radiazione in un intervallo di lunghezze d’onda per cui il solvente è trasparente. Questi sono utilizzati nei contro telescopi che sono generalmente utilizzati nella fisica delle alte energie.

Gas

Per il conteggio di particelle cariche pesanti in presenza di radiazioni γ, viene utilizzato lo xeno che emette radiazioni nella regione ultravioletta.

L’alta efficienza di rilevazione, il breve tempo di risoluzione, la linearità in risposta in una vasta gamma dell’energia di radiazione incidente sono alcuni dei vantaggi del contatore di scintillazione che rendono questo strumento superiore al G. M convenzionale. contatore.

La caratteristica più importante del contatore di scintillazione rispetto al contatore proporzionale è la sua durata estremamente breve impulsi e una maggiore risoluzione.

Applicazioni del contatore di scintillazione

• È più efficiente per il conteggio dei raggi γ.
• Con il suo fosforo di grandi dimensioni e altamente trasparente, visualizza un’efficienza molto elevata.
• Poiché l’altezza dell’impulso è proporzionale all’energia della radiazione incidente, viene utilizzata per lo studio della distribuzione di energia delle radiazioni nucleari.
• È capace di un tasso di conteggio veloce perché il tempo morto ed il tempo di risoluzione sono dell’ordine di 10-19 sec. contro 10-5 sec. nel contatore di GM.