"Detektor laži" Na prvem kanalu se je pojavila nova oddaja z voditeljem Andrejem Malahovim "Detektor laži". To je še en ameriški projekt oddaje, od katerih so bili mnogi nedavno uporabljeni na naši televiziji. Vsi taki projekti rešujejo en problem - privabiti oba

Detektor laži

Detektor laži Detektor laži običajno imenujemo poligraf - naprava, ki beleži podatke o fiziološkem stanju človeka: utrip, krvni tlak, frekvenca in globina dihanja, galvanski odziv kože (znoj na koži), mišice.

laboratorij 3

PREUČEVANJE PRINCIPA DELOVANJA DETEKTORJA SCINTILACIJE

Cilj: preučiti osnove scintilacijske metode za detekcijo sevanja; preučiti napravo scintilacijskega detektorja in določiti učinkovitost registracije sevanja gama Cs-137.

NAPRAVA ZA DETEKTOR SCINTILACIJE

Uvod

Scintilacijska metoda registracije delcev je ena najstarejših metod registracije. Že leta 1919 je E. Rutherford s sodelavci v poskusih sipanja nabitih delcev na jedrih z vizualnim opazovanjem svetlobnih bliskov v ZnS(Ag) registriral a-delce. Vendar se je scintilacijska metoda za zaznavanje delcev močno razvila šele po izumu fotopomnoževalnikov, naprav, ki so zmožne zaznavati šibke svetlobne bliske.

Eden prvih fotopomnoževalcev je bil zgrajen v ZSSR v zgodnjih 40. letih prejšnjega stoletja. In od leta 1947 se je začel intenziven razvoj metode registracije scintilacije. Scintilacijski detektorji in spektrometri se zaradi visoke učinkovitosti uporabljajo v jedrski fiziki, biologiji, geologiji, medicini in drugih vejah znanosti in tehnologije.

Glavni elementi scintilacijskega detektorja so scintilator, fotopomnoževalec(PMT), optični sistem za artikulacijo scintilatorja in PMT.

Pri interakciji s snovjo scintilatorja nabiti delci izgubijo energijo, da vzbujajo in ionizirajo atome medija. Sevanje gama kot posredno ionizirajoče sevanje ne povzroča neposredne ionizacije in vzbujanja samo po sebi: atomi snovi scintilatorja ionizirajo in vzbudijo elektrone, ki nastanejo med interakcijo sevanja γ s snovjo scintilatorja. Sevanje, ki nastane ob odstranitvi vzbujanja atomov, zapusti medij v obliki svetlobnih utrinkov-scintilacij, v katerih je število fotonov odvisno tako od lastnosti in dimenzij scintilatorja kot od vrste delcev in prenesene energije. na scintilator s temi delci.

Za registracijo teh scintilacij se uporablja fotopomnoževalec, ki pretvarja svetlobne bliske v impulze električne napetosti, ki se dovajajo naprej v merilno enoto.

Glavne značilnosti scintilatorjev

Scintilatorje običajno imenujemo snovi, ki pod delovanjem ionizirajočega sevanja oddajajo fotone v vidnem ali ultravijoličnem delu spektra. Poleg tega, če obstaja velika verjetnost oddajanja fotonov s strani atomov in molekul v vzbujenih stanjih, mora biti verjetnost absorpcije teh oddanih fotonov s strani same scintilacijske snovi majhna: tj. emisijski spekter elektromagnetnega sevanja mora biti premaknjen glede na absorpcijski spekter.

Vse scintilacijske snovi lahko razdelimo v tri razrede: na osnovi različnih organskih spojin, anorganskih kristalov in plinov.

Od organskih spojin se najpogosteje uporabljajo tekoče in trdne raztopine aromatskih spojin ali monokristali antracena, stilbena, tolana itd.

Najpogostejši anorganski kristalni scintilatorji so s talijem aktivirani joditi alkalijskih kovin in s srebrom aktivirani cinkov sulfid: NaJ(Tl), CsJ(Tl), ZnS(Ag). Čisti neaktivirani kristali ne kažejo scintilacijskih lastnosti pri sobni temperaturi.

Z vidika registracije sevanja morajo vsi scintilatorji, tako organski kot anorganski, izpolnjevati določene zahteve, tako splošne kot posebne, zaradi narave detektiranih delcev.

Prvič, snov mora imeti visoko svetlobno močc, definirano kot razmerje med povprečnim številom fotonov, ki nastanejo v procesu ene scintilacije, in energijo, ki jo izgubi registrirani delec v scintilatorju:

Ker je število fotonov, ki izhajajo iz scintilatorja, praktičnega pomena, je priporočljivo uvesti koncept zunanje svetlobne moči:

kjer je izhodni koeficient fotona iz scintilatorja. Upoštevati je treba, da je zunanja svetlobna moč odvisna od velikosti premika emisijskega in absorpcijskega spektra, to je od prosojnosti scintilatorja glede na lastno sevanje, pa tudi od debeline scintilatorja, količine nečistoč, ki zmanjšujejo njegovo prosojnost, na stanje njegovih površin itd. V idealnih scintilatorjih, ki so absolutno prosojni za lastno sevanje =.

Poleg svetlobnega izhoda lahko uvedemo koncept izhodne energije x, ki izraža razmerje med energijo fotonov, ki nastanejo v procesu ene scintilacije, in energijo E, izgubljeni registrirani delec v scintilatorju:

x= ,

kjer je povprečna energija scintilacijskih fotonov.

Postopek poudarjanja scintilacije traja končen čas. Ker je čas vzpona scintilacije veliko krajši od časa upada (razpad scintilacije), potem lahko v vseh praktičnih primerih trajanje scintilacije kot celote označimo samo z eno časovno konstanto t upadanja procesa:

t vrednost – čas, v katerem jakost svetlobe J pade v e enkrat. Pri poskusih, kjer je potrebna visoka časovna ločljivost, izberemo scintilatorje z dovolj kratkim časom upadanja.

Uporabljeni scintilacijski anorganski kristali (NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Sn), LiJ(Tl), ZnS(Ag) ) ) sta značilna visoka svetlobna moč in čas žarenja (približno 10–4 – 10–7 s). Za organske kristale (stilben, antracen in drugi) je značilna manjša svetlobna moč kot za anorganske, poleg tega pa tudi krajši čas žarenja (približno 10–8–10–9 s). Od organskih scintilacijskih raztopin se običajno uporablja paraterfenil v ksilenu.

Procesi, ki potekajo v fotopomnoževalcih

in njihove glavne značilnosti

Svetlobni impulz, ki nastane v scintilatorju med prehodom ionizirajočega delca, se s pomočjo fotopomnoževalnika pretvori v električni impulz.

Fotopomnoževalec je fotocelica z večkratnim ojačanjem, ki temelji na pojavu sekundarne emisije elektronov. Sestavljen je iz fotokatode 4 , naprava za fokusiranje 5 , več dinodov 6 in anoda 8 (slika 1). Vse PMT elektrode so postavljene v posodo z visokim vakuumom. Fotokatoda je izdelana v obliki tanke prosojne plasti in se nahaja na notranji strani čelne stene steklene posode PMT. Za povečanje koeficienta sekundarne emisije so dinode prekrite s tanko plastjo snovi z nizko delovno funkcijo za elektrone.

Med delovanjem PMT se na vse njegove elektrode nanesejo določene potencialne razlike. Svetlobni kvanti, ki prodrejo skozi prozorno steklo, izvlečejo določeno število elektronov iz svetlobno občutljive plasti fotokatode. Fotoelektroni, ki izhajajo z različnimi hitrostmi in pod različnimi koti na površino katode, se pospešijo z električnim poljem v vakuumu in se zberejo na prvem dyno multiplikatorja s sistemom za fokusiranje.

Ko elektroni zadenejo prvo dinodo, pride do sekundarne emisije elektronov. Elektroni, izbiti iz prve dinode, se ponovno pospešijo v naslednji medelektrodni reži in, ko padejo na drugo dinodo, povzročijo sekundarno emisijo elektronov iz druge dinode. Za karakterizacijo emisije elektronov je uvedena količina, imenovana koeficient sekundarne emisije s, ki je število sekundarnih elektronov, ki jih izbije en primarni elektron. Opisani proces poteka zaporedno na vseh dinodah in odvisno od lastnosti in števila dinod lahko pri s > 1 število elektronov na zadnjih dinodah za več velikostnih redov preseže začetno število fotoelektronov. Elektroni iz zadnje dinode se zbirajo na anodi fotopomnoževalnika.

Fizikalni pojavi, na katerih temelji delovanje PMT - fotoelektrični učinek in sekundarna emisija elektronov - so statistične narave. Zato imajo parametri PMT tudi statistično naravo in ko govorimo o njih, bomo mislili na povprečne vrednosti teh parametrov.

Značilnosti fotokatode tvorijo skupino parametrov PMT. Med njimi so najpomembnejši kvantni izkoristek, spektralni odziv in integrirana občutljivost.

kvantni izhod fotokatoda e je verjetnost izvleka enega fotoelektrona s fotonom, ki zadene fotokatodo. To pomeni, da je svetloba, ki vpada na fotokatodo, blizu monokromatične. Kvantni izkoristek je odvisen od valovne dolžine vpadne svetlobe, materiala fotokatode in njene debeline. Številčno je običajno izražen v odstotkih.

Imenuje se odvisnost e od valovne dolžine l vpadne svetlobe spektralni odziv fotokatoda in je označena z e(l).

V praksi ni pomembno le število fotonov, ki jih odda scintilator, ampak tudi stopnja prekrivanja zunanjega optičnega spektra scintilacije s spektralno karakteristiko e(n) danega PMT, ki je določena s koeficientom ujemanja:

.

Integralna občutljivost Fotokatoda je razmerje med fototokom in svetlobnim tokom, ki vpada na fotokatodo, ko je fotokatoda osvetljena z virom bele svetlobe z določeno barvno temperaturo.

Zbiranje fotoelektronov na prvi dinodi je označeno z zbiralnim koeficientom l, ki lahko zavzame vrednosti od 0 do 100%.

Za multiplikatorski sistem PMT je značilno pridobi M. Slednji je definiran kot razmerje med trenutno vrednostjo na izhodu PMT in njegovo vrednostjo na vhodu množilnega sistema. Dobiček PMT je: kjer je a koeficient, ki določa delež elektronov, ki padejo iz ene dinode v drugo; – koeficient sekundarne emisije jaz th dinoda.

Upoštevati je treba, da koeficient sekundarne emisije s ni odvisen samo od materiala in stanja površine dinode, temveč tudi od energije primarnih elektronov, tj. od pospeševalne potencialne razlike, ki deluje na dve sosednji dinodi: s povečanjem energija elektronov, s najprej narašča, nato pa nad energijo 100 - 1000 eV (odvisno od materiala) pada. Fizično je to vedenje mogoče razložiti na naslednji način. Primarni elektroni, ki pridejo v material dinode, zaradi elastičnih in neelastičnih trkov prenesejo svojo energijo na številne elektrone medija. Večja kot je energija primarnega elektrona, več elektronov prenese svojo energijo. Toda večja kot je energija primarnega elektrona, globlje prodira in posledično globlje sekundarni elektroni pridobivajo energijo v materialu. Slednji lahko zapustijo material dinode le, če so nastali na globini, ki je manjša od njihove dolžine poti v danem materialu.

Pridobite odvisnost M na napajalno napetost je prikazano na sl. 2 (literaturni podatki).

riž. 2. Odvisnost pridobitve PMT

iz potencialne razlike med dinodami za število dinod n= 10 in σmax = 10

Pri visokih vrednostih trenutnih tokov, zaradi ali zelo velikega dobitka M, ali zelo visoka intenzivnost bliska, vpliva vpliv prostorskega naboja, ki popači polje v območju anode in zadnjih dinod (črtkana črta) . Pri nekaterih PMT je ta učinek opazen pri anodnih tokovih ~1 mA.

Produkt ojačenja PMT, zbiralnega koeficienta za prvo dinodo in integralne občutljivosti fotokatode se imenuje splošna občutljivost FEU.

Tudi če na fotokatodo PMT ne pade svetlobni tok, je na izhodu PMT še vedno opazen določen tok, imenovan temni tok. Razlog za to je termionska emisija s površine fotokatode in prvih dinod, emisija hladnega polja, radioaktivnost materiala, iz katerega je izdelan PMT, in številni drugi razlogi.

DELOVANJE DETEKTORJA SCINTILACIJE

Sestava scintilacijskega detektorja je sestavljena iz racionalne artikulacije scintilatorja in fotopomnoževalca, ki bi z najvišjim razmerjem amplitud impulzov, ki jih povzročata radioaktivni vir in temni tok, zagotovila najboljšo ločljivost detektorja tako po amplitudi kot po času. Scintilator, ki ima običajno obliko valja, je nameščen pred katodo fotopomnoževalnika (glej sliko 1). Ker je lomni količnik svetlobe za večino scintilatorjev precej velik, velik del svetlobe, ki nastane v scintilatorju, doživi popolni notranji odboj na njegovi površini. Zato za zagotovitev dobrega optičnega kontakta (in posledično za povečanje zbiranja svetlobe) med scintilator in fotokatodo vnesemo tanko plast snovi z nižjim lomnim količnikom (silikonsko ali vazelinovo olje).

Radioaktivno sevanje, ki pada na scintilator, povzroča v njem bliske - scintilacije. Svetlobni kvanti, ki padejo na fotokatodo PMT, izbijejo fotoelektrone, kar povzroči plaz. Ko plaz elektronov prispe do anode PMT, se na uporu izhodne obremenitve pojavi napetostni impulz.

Razlike potencialov med elektrodami se običajno nastavijo z delilnikom napetosti iz visokonapetostnega vira energije. S spreminjanjem napetosti, ki napaja delilnik, je mogoče spreminjati ojačanje PMT v širokem območju. Ko se napetost na delilniku PMT poveča, se ojačanje hitro poveča. Razlog za to je povečanje faktorja sekundarne emisije, pa tudi nekaj izboljšav pri ostrenju.

Pri merjenju števila delcev je zelo pomemben parameter, ki označuje verjetnost ustvarjanja električnega impulza na izhodu detektorja, ko delec vstopi v detektor. Ta možnost se imenuje učinkovitost registracija detektorja h, definirana kot razmerje med številom električnih impulzov, registriranih na izhodu detektorja na časovno enoto, in številom delcev, ki so v istem času zadeli detektor . Učinkovitost detekcije je odvisna od energije in vrste sevanja, ki ga proučujemo, ter velikosti in vrste detektorja. Glavna zahteva za scintilacijske detektorje, kot tudi za vse detektorje nasploh, je visoka učinkovitost detekcije. Kot je znano, sta preseka fotoelektričnega učinka in Comptonovega učinka tem višja, tem večja Z snovi.

Prednost scintilacijskih detektorjev je v tem, da so zaradi velike Z scintilatorjev je za red velikosti višja od učinkovitosti registracije plinskoelektričnih števcev. V literaturi je navedeno, da je v primeru γ-sevanja za kristale NaJ(Tl) majhnih velikosti približno 17%.

Ena glavnih zahtev za detektorje je majhna čas dovoljenja(določa minimalni časovni interval med dvema zaporednima delcema, ki ju lahko detektor zazna ločeno). V scintilacijskem detektorju pri uporabi anorganskih kristalov, katerih žarilni čas je razmeroma dolg in znaša desetinke mikrosekunde ali več, časovne lastnosti fotopomnoževalnika praktično ne igrajo nobene vloge in bo določen čas ločljivosti celotnega scintilacijskega detektorja. po času kristalnega sijaja . Pri delu z organskimi scintilatorji (še posebej s tekočimi in trdnimi raztopinami), kjer je razpadni čas zelo kratek, je čas ločljivosti fotopomnoževalnika lahko primerljiv z razpadnim časom scintilatorja in ga je treba upoštevati pri izračunu časovne ločljivosti. detektorja.

Prednost scintilacijskega detektorja je v tem, da je njegov čas ločljivosti za nekaj velikostnih redov krajši od časa ločljivosti detektorjev na praznjenju v plinu. Uporaba scintilacijskih detektorjev v naključnih vezjih visoke ločljivosti je odprla nove perspektive pri preučevanju različnih vrst sočasnih procesov.

Poleg tega je treba opozoriti, da ker koeficient sekundarne emisije ni odvisen od števila vpadnih elektronov, je PMT linearna naprava, tj. naboj na anodi je sorazmeren s številom primarnih fotoelektronov in v skladu s tem z intenzivnostjo svetlobnega bliska, ki je zadel katodo. In ker je običajno energija, ki jo izgubi delec v kristalu, sorazmerna z intenzivnostjo svetlobnega bliska, je amplituda impulza na izhodu PMT sorazmerna z izgubljeno energijo delca. To omogoča ustvarjanje različnih naprav za merjenje energije radioaktivnega sevanja na osnovi scintilacijskega detektorja, kar je z uporabo Geigerjevih števcev nemogoče. In šele ko so impulzi na izhodu PMT dovolj veliki, se lahko linearnost poruši, kot je navedeno zgoraj, zaradi izkrivljanja polja s prostorskim nabojem v območju anode in zadnjih dinod.

Pomembna točka pred začetkom meritev je pravilna izbira napajalne napetosti PMT . AT radiometrične meritve pri štetju impulzov se za te namene največkrat uporablja števna karakteristika , odvisnost hitrosti štetja impulzov na izhodu detektorja n od napajalne napetosti PMT U(slika 3).

Kot je razvidno iz sl. 3, z naraščajočo napajalno napetostjo U velikost n najprej narašča, nato pa postane konstantna . To je posledica dejstva, da pri nizkih vrednostih U Vrednost povečanja PMT M tudi malo. Zaradi tega je amplituda impulzov na izhodu PMT zanemarljiva in je lahko pod pragom občutljivosti snemalne naprave. V tem primeru impulzi ne bodo registrirani. Z naraščajočo napetostjo U dobiček se poveča M amplituda impulzov pa se toliko poveča, da lahko preseže prag občutljivosti snemalne naprave. V tem trenutku začne števec šteti impulze .

riž. 3. Značilnost štetja

Z nadaljnjim povečanjem Uše večji delež impulzov bo imel amplitudo, ki presega prag občutljivosti, kar bo povzročilo še večje povečanje hitrosti štetja n.

Nadaljnje povečanje napajalne napetosti lahko privede do dejstva, da se hitrost štetja impulzov zmanjša n bo postala skoraj konstantna in ne bo odvisna od velikosti U, saj amplitude skoraj vseh impulzov, ki prihajajo iz detektorja, presegajo prag občutljivosti in so skoraj vsi impulzi zabeleženi.

Pri zelo visokih napetostih U hitrost štetja n se lahko močno poveča zaradi dejstva, da postane tudi amplituda šumnih impulzov PMT zelo velika.

Označeno na sl. 3 planota regija, kjer je vrednost nšibko odvisna od napajalne napetosti U, ki se uporablja za izbiro napajalne napetosti; običajno je delovna napetost izbrana na sredini platoja.

Kriterij za optimalno delovno napetost v spektrometrični meritve je visoka energijska ločljivost. Znano je, da je energetska ločljivost detektorja tem večja, čim večji je dobiček PMT M, tj. večja je napajalna napetost U.

REGISTRACIJAg-KOLIČINE

DETEKTOR SCINTILACIJE

Pri delu s scintilacijskim detektorjem, ki je zasnovan za reševanje določenega fizikalnega problema, je treba upoštevati eno zelo pomembno specifično okoliščino: ker so lahko lastnosti sevanja, ki jih je treba registrirati, v enem ali drugem primeru zelo različne, je treba posebno pozornost nameniti racionalna izbira scintilatorja, specifične lastnosti, ki naj bi najbolje ustrezale nalogi. Posebnih zahtev za fotopomnoževalec običajno ni, povezanih s specifiko samega zapisovalnega sevanja.

Pri registraciji g-sevanja je izbira scintilatorja določena z zahtevo po visoki učinkovitosti, saj je g-sevanje prodorno sevanje. Za ozek vzporedni monoenergetski žarek g-kvanta, ki normalno vpada na scintilator debeline X, je učinkovitost detekcije η definirana kot razmerje med številom registriranih delcev in številom delcev, ki vpadejo na detektor:

kjer je t absorpcijski koeficient g-kvantov v scintilatorski snovi, odvisen od energije sevanja in povprečnega efektivnega naboja scintilatorske snovi Z.

Ko se vrednost t (in s tem η) poveča, se zmanjša; z naraščajočimi vrednostmi Z absorpcijski koeficient g-kvanta t (in posledično učinkovitost detekcije η ) raste. Zato se v scintilacijskih detektorjih za snemanje g-kvantov uporabljajo predvsem anorganski kristali z velikim atomskim številom Z .

EKSPERIMENTALNI DEL

Vrstni red poskusa

Na sl. 4 je diagram radioaktivnega razpada izotopa Cs-137, uporabljenega v tem laboratorijskem delu.

Slika 4. Shema radioaktivnega razpada izotopa Cs-137

Amplitudni spektri, izmerjeni med poskusom z uporabo izotopa Cs-137, imajo obliko, prikazano na sl. 5.

Če je način delovanja spektrometra izbran nepravilno, se lahko oblika teh spektrov močno popači, zato je pomembno, da skrbno izberete raven moči PMT. U, ojačanje ojačevalnika K, zgornji in spodnji prag diskriminatorja TLD in LLD.

Ko se napajalna napetost PMT spremeni U njegov faktor ojačenja se spremeni M. Posledično se spremeni amplituda izhodnega signala AMPAK in s tem položaj maksimuma celotnega absorpcijskega vrha. Zato je študija odvisnosti amplitude impulza na izhodu detektorja AMPAK vrednosti napajalne napetosti PMT se lahko zmanjša na preučevanje odvisnosti položaja maksimuma celotnega absorpcijskega vrha od vrednosti napajalne napetosti.

riž. 5. Amplitudni spekter impulzov na izhodu detektorja

Vklopite računalnik. Vklopite enoto spektrometra; odprite program Spectrum.

Po registraciji vstopite v način spektrometra in na njegovi plošči nastavite način delovanja.

Nastavite čas kopičenja spektra t= 150 s. Pokličite amplitudne spektre izhodnih impulzov pri različnih vrednostih napajalne napetosti PMT.

Zapišite spektre v datoteke.

Rezultati meritev bodo zapisani na disk D. Pot, kjer lahko najdete posnete podatke, je naslednja : Disk D® mapa "3 tečaj"® Podatkovna mapa® mapa "Študenti"® mapa z imeni učencev® število laboratorijskih vaj® delovna številka® spektralno število.

Obdelava rezultatov

Preučevanje odvisnosti amplitude

izhodni impulzi detektorja

na napajalno napetost PMT

Naloga 1. Vnesite podatkovne datoteke s spektri v Mathcad S 001–S 010. Dodelite ime vektorski spremenljivki, ki opisuje spekter, definirajte številko kanala kot spremenljivko z razponom k, ki se spreminjajo od 0 do 1023. Sestavite amplitudne spektre.

Naloga 2. Izberite vrhove skupne absorpcije v dobljenih spektrih; uporabite operacijo Trace, da naredite grobe ocene položaja maksimuma celotnega absorpcijskega vrha na lestvici amplitud, variance ter leve in desne meje vrha. Ocenite površino pod vrhom.

Naloga 3. Približajte vrh popolne absorpcije z Gaussovo funkcijo; poiščite natančne vrednosti številke kanala, ki ustreza položaju maksimuma skupnega absorpcijskega vrha.

Naloga 4. Konstruirajte odvisnost od napajalne napetosti PMT U(glej sliko 6); pojasni potek odvisnosti od velikosti napajalne napetosti. Primerjaj z literaturnimi podatki. Za nadaljnje delo izberite delovno napetost PMT.

riž. 6. Odvisnost položaja maksimuma celotnega absorpcijskega vrha k 0

na napajalno napetost U

Opredelitevučinkovitost zaznavanja detektorja sevanja γ

Naloga 5. Uporaba spektra, izmerjenega na primer na ravni moči PMT U= 550 V in ojačanje K= 1, izračunajte površino pod celotnim spektrom R in poiščite število impulzov, ki jih registrira detektor v 1 s: n = p/150.

Naloga 6. Ob poznavanju aktivnosti uporabljenega radioaktivnega izotopa Cs-137 določite učinkovitost detekcije γ-sevanja Cs-137:

kjer je število γ-kvantov, ki vpadejo na površino scintilatorja v 1 s;

Število 0,85 je uvedeno kot popravek za razpadno shemo (glej razpadno shemo, prikazano na sliki 5). – aktivnost radioaktivnega vira; = 120 kBq. Ω – relativni prostorski kot, pod katerim detektor obseva vir. Ta kot je odvisen od polmera scintilatorja s in na razdalji med izvorom in scintilatorjem h.

.

Ocenite dobljeni rezultat; primerjati z literaturnimi podatki.

Določanje fotodela in fotoučinkovitosti registracije

Naloga 7. Izberite vrh celotne absorpcije v amplitudnem spektru, uporabljenem v nalogi 5, izračunajte njegovo površino. Opredelite fotodel kot razmerje med površino pod fotopikom in površino pod celotnim spektrom R(kar pomeni R vzeti iz naloge 5).

Naloga 8. Določite foto učinkovitost registracije sevanja γ, kot zmnožek učinkovitosti registracije pomnoženo s foto delom:

.

TESTNA VPRAŠANJA

1. Razložite procese, ki se dogajajo v scintilatorju, in naštejte glavne parametre scintilatorja.

2. Na katerih dveh fizikalnih pojavih temelji delovanje fotopomnoževalnika?

3. Naštejte glavne parametre fotoelektričnih množiteljev.

4. Kakšna je učinkovitost zaznavanja detektorja? Od katerih parametrov detektorja in sevanja je odvisno? Kaj je fotodel in fotoučinkovitost?

5. Opišite značilnosti registracije γ-sevanja.

Prvi scintilacijski detektor, imenovan spintariskop, je bil zaslon, prevlečen s plastjo ZnS. Utrinke, ki so nastali ob udarcu nabitih delcev, so posneli z mikroskopom. Prav s takšnim detektorjem sta Geiger in Marsden leta 1909 izvedla poskus sipanja delcev alfa na atomih zlata, kar je vodilo do odkritja atomskega jedra. Od leta 1944 so svetlobne utripe iz scintilatorja posneli fotopomnoževalne cevi (PMT). Kasneje so v te namene začeli uporabljati tudi fotodiode.
Scintilator je lahko organski (kristali, plastika ali tekočine) ali anorganski (kristali ali stekla). Uporabljajo se tudi plinski scintilatorji. Kot organski scintilatorji se pogosto uporabljajo antracen (C 14 H 10), stilben (C 14 H 12), naftalen (C 10 H 8). Tekoči scintilatorji so splošno znani pod blagovnimi znamkami (npr. NE213). Plastični in tekoči scintilatorji so raztopine organskih fluorescenčnih snovi v prozornem topilu. Na primer trdna raztopina antracena v polistirenu ali tekoča raztopina p-terfenila v ksilenu. Koncentracija fluorescenčne snovi je običajno nizka, detektirani delec pa vzbuja predvsem molekule topila. Nato se energija vzbujanja prenese na molekule fluorescentne snovi. ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi 4 Ge 3 O 12 se uporabljajo kot anorganski kristalni scintilatorji,
LaBr 3 (Ce), PbWO 4 itd. Inertni plini (Xe, Kr, Ar, He) in N se uporabljajo kot plinski in tekoči scintilatorji.

Ker organski scintilatorji vzbujajo molekularne nivoje, ki sevajo v ultravijoličnem območju, se za uskladitev spektralne občutljivosti naprav za zaznavanje svetlobe (PMT in fotodiode) uporabljajo svetlobni pretvorniki, ki absorbirajo ultravijolično sevanje in ponovno oddajajo vidno svetlobo v območju 400 nm.
Svetlobna moč - del energije zaznanega delca, pretvorjen v energijo svetlobnega bliska. Svetlobna moč antracena je ~0,05 ali 1 foton na 50 eV za delce z visoko energijo. NaI ima svetlobno moč ~0,1 ali 1 foton na 25 eV. Običajno je primerjati svetlobno moč tega scintilatorja s svetlobno močjo antracena, ki se uporablja kot standard. Tipične svetlobne moči plastičnih scintilatorjev so 50-60 %.
Intenzivnost svetlobnega bliska je sorazmerna z izgubljeno energijo delca, zato lahko scintilacijski detektor uporabljamo kot spektrometer, torej instrument, ki določa energijo delca.
S pomočjo scintilacijskih števcev je možno meriti energijske spektre elektronov in γ -žarki. Za merjenje spektrov težkih nabitih delcev ( α -delci itd.) običajno uporabljajo CsI. V primerjavi z NaI je bistveno manj higroskopičen in ne potrebuje zaščitnega ovoja, v katerem nabiti delci izgubljajo energijo. Energijska ločljivost CsI je opazno slabša kot pri polprevodniških detektorjih, poleg tega se sorazmernost intenzivnosti bliskavice izgubljene energije v scintilatorjih ne opazi pri vseh energijah delcev in se manifestira le pri energijah, večjih od določene vrednosti. Nelinearna povezava med amplitudami impulzov in energijo delcev je različna za različne fosforje in za različne vrste delcev. CsI ​​​​se uporablja, kadar so potrebne meritve energij nabitih delcev precej visokih energij, energetska ločljivost pa ne igra pomembne vloge.
Scintilatorji iz svinčevega volframata (PbWO 4) so ​​našli uporabo v fiziki visokih energij. majhna dolžina sevanja (0,89 cm) in majhen Molièrov radij (2,19 cm) – polmer valja, znotraj katerega se absorbira 90 % elektromagnetne frekvence – omogoča, da je detektor s takim scintilatorjem kompakten z dobro prostorsko ločljivostjo. Zlasti je bil PbWO 4 uporabljen za močno razdeljen (17920 detekcijskih kanalov) kalorimeter, fotonski detektor PHOS detektorskega kompleksa ALICE na velikem hadronskem trkalniku.

riž. 3. PMT naprava

Fotoni, ki nastanejo v scintilatorju pod delovanjem nabitega delca, dosežejo fotopomnoževalec skozi svetlobni vodnik in skozi njegovo stekleno steno vstopijo v fotokatodo. Fotopomnoževalec je balon, znotraj katerega sta v vakuumu fotokatoda in sistem zaporednih dinod, ki so pod pozitivnim električnim potencialom, ki narašča od dinode do dinode. Zaradi fotoelektričnega učinka iz fotokatode odletijo elektroni, ki se nato, pospešeni v električnem polju, pošljejo v sistem dinod, kjer zaradi sekundarne (udarne) emisije elektronov tvorijo elektronski plaz. raste od dinode do dinode, ki pride do anode. Običajno je dobiček PMT (število elektronov, ki so dosegli anodo, ko je bil en elektron izbit iz fotokatode) 10 5 -10 6, vendar lahko doseže 10 9, kar omogoča pridobitev zlahka zaznavnega električnega impulza pri izhod PMT.
Energetska ločljivost scintilacijskih detektorjev ΔE/E običajno ni boljša od nekaj odstotkov. Časovna ločljivost je odvisna od trajanja svetlobnega bliska (časa luminiscence fosforja), od trajanja fronte svetlobnega bliska in tudi od števila fotoelektronov (od energije, ki jo pusti delec v scintilatorju) in spreminja znotraj 10 -6 -10 -11 s.
Velike količine scintilatorjev omogočajo ustvarjanje zelo visoko učinkovitih detektorjev za detekcijo delcev z majhnim presekom interakcije s snovjo.

Scintilator- profesionalni detektor sevanja.
Njegova osnova so nekatere snovi - imenujemo jih fosforji, ki reagirajo na ionizirajoče delce, ki prodrejo v njihovo debelino s kratkim bliskom svetlobe.
Tukaj je nekaj teh snovi: NaJ Tl (natrijev jodid, modificiran s talijem), KJ Tl, CaJ Tl, CsJ, LiJ Tl, CdWO 4 , CaWO 4 , ZnS Ag, CdS Ag.
Blisk fosforja se pretvori v električni impulz s fotoobčutljivo napravo v njegovi bližini. V tej vlogi se praviloma uporabljajo fotopomnoževalci (PMT).

Scintilacijski detektor, ki ni lavinska naprava, ima pred Geigerjevimi števci vrsto pomembnih prednosti:

• po amplitudi in trajanju bliska lahko presojamo vrsto in energijo delca, ki ga je ustvaril (zelo enostavno je npr. ločiti blisk, ki ga ustvari a-delec, od bliska, ki ga povzroči elektron).
• sposoben je razlikovati med impulzi, ki so ločeni z zelo majhnimi časovnimi intervali, to pomeni, da ima, kot pravijo, visoko ločljivost.
• fosforji so praviloma veliko bolj učinkoviti detektorji ionizirajočih delcev kot Geigerjevi števci enake prostornine.

Toda scintilator ni samo fosfor. Da bi fotodetektor lahko registriral čim več utrinkov fosforja, ga postavimo v neprozorno kovinsko posodo, katere notranja površina ima prevleko, ki dobro odbija svetlobo (običajno magnezij). Balon mora imeti zelo tanko "dno", ki čim manj oslabi ionizirajoče sevanje, ki prodira v fosfor, in prozorno izhodno okno, ki ga ščiti pred škodljivimi vplivi zunanjega okolja. Optične izgube, ki izhajajo iz odbojev znotraj balona in na prehodu fosfor-PMT, so zmanjšane na vse možne načine. Z drugimi besedami, sam scintilacijski detektor je optoelektronska naprava.

Scintilatorji z različnimi fosforji, velikimi in majhnimi po prostornini, z "okni" premera od 10...15 mm do 100 mm in več, naša industrija proizvaja že vrsto let. Če pa so nam Geigerjevi števci sčasoma postali dostopni (čeprav je bila njihova sprostitev v prosto prodajo ovirana še nekaj let po Černobilu), se to s scintilatorji ni zgodilo ...

Za radioamaterja so lahko zanimivi scintilacijski detektorji s tekočim fosforjem, ki jih je enostavno narediti sam. V tabeli. 1 je seznam snovi, ki po raztapljanju v ksilenu (koncentracija - nekaj gramov na liter) postanejo takšni fosforji.

Tabela 1
Relativna učinkovitost pretvorbe fosforja, raztopljenega v ksilenu (učinkovitost pretvorbe kristala antracena je vzeta kot enota)

Toda scintilacijski detektor tekočega fosforja ni izjemen le zaradi svoje preprostosti. Če na primer v to raztopino damo zrno, ki je sumljivo na α-kontaminacijo, se bodo v najtanjši plasti fosforja v stiku z njim pojavili svetlobni utrinki, ki jih lahko fotopomnoževalec zlahka registrira (α-sevanje s površine predmeta kompleksne konfiguracije z Geigerjevim števcem najverjetneje sploh ni mogoče zaznati).

Elektronski del dozimetrične naprave s scintilacijskim detektorjem za radioamaterja ne predstavlja posebnih težav, glej ........................... ...................