Общие характеристики сцинтилляторов

ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ПРИНЦИП МЕТОДА. При прохождении через материальную среду частицы, обладающие электрическим зарядом, испытывают большое количество неупругих соударений с молекулами и атомами среды, приводящих к так называемым ионизационным потерям энергии. Неупругие соударения могут сопровождаться как ионизацией, так и возбуждением молекул или атомов среды. Независимо от особенностей ионизационного процесса, характерных для газа, жидкости или твердого тела, кинетическая энергия, потерянная частицей в веществе, в конечном счете переходит в энергию теплового движения. В промежуточных же стадиях: при переходах возбужденных молекул или атомов в основное состояние, при рекомбинации электрических зарядов и т. п.- в веществе возникают кванты света различных длин волн, присущих данному веществу. В подавляющем большинстве случаев эти световые кванты поглощаются в этом же веществе, в непосредственной близости от места их образования, а энергия возбужденных ими молекул или атомов рано или поздно снимается путем теплового тушения. В некоторых веществах, однако, наблюдается заметный сдвиг спектров испускания и поглощения света. Поскольку спектр поглощения сдвинут относительно спектра испускания в сторону меньших длин волн, возникает возможность выхода из вещества хотя бы некоторой части квантов света, отвечающих длинноволновому краю спектра испускания. В этом случае, прохождение ионизирующей частицы через вещество будет сопровождаться световой вспышкой, которая и может быть использована для регистрации частицы.

Способность некоторых веществ, светиться, под действием ионизирующих излучений, была замечена еще в начале прошлого века.

В опытах по изучению природы альфа-частиц было обнаружено, что на экране из сернистого цинка в местах попадания альфа-частиц возникают довольно яркие вспышки света, хорошо видимые в темной комнате под микроскопом. Такие вспышки получили название сцинтилляций. Визуальное наблюдение сцинтилляционных вспышек от альфа-частиц было использовано и в исторических опытах Резерфорда по исследованию структуры атомов.

Широкое применение сцинтилляционный метод исследования излучений нашел, однако, лишь после того, как были изобретены и усовершенствованы фотоэлектронные умножители, позволяющие регистрировать весьма малые по длительности и очень слабые по интенсивности вспышки света. Таким образом, современный сцинтилляционный счетчик состоит, в принципе, из сцинтиллятора - вещества, способного испускать видимое или ультрафиолетовое излучение под действием заряженных частиц, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в котором энергия этих световых вспышек через посредство фотоэффекта преобразуется в импульсы электрического тока. В настоящее время, благодаря целому ряду преимуществ по сравнению с другими методами регистрации излучений, сцинтилляционный метод является одним из наиболее распространенных не только в экспериментальной ядерной физике и в физике защиты от излучений, но и в радиометрии и спектрометрии всех видов ионизирующих излучений.

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Процесс люминесценции может осуществляться, в принципе, двумя путями. В тех случаях, когда переходы из возбужденных энергетических состояний в основное разрешены, испускание света происходит в соответствии со средним временем жизни данного возбужденного состояния по обычным статистическим законам. Такого рода высвечивание называют флуоресценцией. Если же переход из возбужденного состояния в основное по каким-либо причинам запрещен, возникает метастабильное состояние, среднее время жизни которого может оказаться много больше времени жизни для обычного возбужденного состояния. В этом случае для того, чтобы испустить квант света, возбужденная система (в простейшем случае молекула или атом) должна предварительно перейти в более высокое энергетическое состояние, переход из которого в основное разрешен.

Необходимая для этого небольшая дополнительная энергия может быть приобретена возбужденной системой за счет флуктуации энергии теплового движения.

Процесс люминесценции такого рода принято называть фосфоресценцией.

Хотя в веществах, сцинтиллирующих под действием ионизирующих частиц, имеет место, как правило, флуоресценция, эти вещества часто называют фосфорами.

Следует отметить, что в некоторых сцинтилляторах вклад фосфоресценции составляет заметную долю от полной интенсивности световой вспышки.