Сцинтилляционные счетчики и счетчики черенкова

Работа сцинтилляционных счетчиков основана на регистрации и измерении вспышек света, возникающих в результате прохождения ионизирующей частицы через некоторые вещества, называемые сцинтилляторами. Кванты света возникают при переходах возбужденных молекул или атомов в основное состояние, при рекомбинации электрических зарядов и в других процессах. Сцинтилляторами могут быть твердые, жидкие и газообразные вещества. Время высвечивания сцинтилляторов Тс сравнительно мало. Так, у широко применяемых неорганических сцинтилляторов оно равно: Т, с = 0,3*10^-6 с для NaI (Tl) и Т, с = 0,7*10^-6 с для CsI (Tl). Меньшее время высвечивания имеют органические сцинтилляторы; для стильбена Tс = 7*10^-9 с, для терфенила Т, с = 2,4*10^-9 с. При этом время нарастания световой вспышки у некоторых неорганических веществ составляет доли наносекунд. Время высвечивания благородных газов также лежит в наносекундной области.

Интенсивность световых вспышек, как правило, очень мала, и для их регистрации применяют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) с большим коэффициентом усиления либо фотодиоды, сигналы которых усиливаются линейным усилителем. Чувствительность сцинтилляционного счетчика можно характеризовать энергией, необходимой для создания одного фотоэлектрона. Она значительно ниже, чем у полупроводниковых и газоразрядных детекторов, и составляет для неорганических сцинтилляторов около 0,7 кэВ; для органических сцинтилляторов энергия примерно в 3 раза больше.

Сцинтилляционные детекторы находят широкое применение в ядерной экспериментальной физике и технике, за счет их хороших спектрометрических характеристик и, главное, из-за очень высоких временных параметров, лежащих в наносекундной и пикосекундной областях [16].

Временные характеристики и форма сигнала. При прохождении ионизирующей частицы в сцинтилляторе возникают фотоны, которые выбивают из ФЭУ электроны; они многократно умножаются в результате вторичной эмиссии с динодов и достигают анода. Если время высвечивания сцинтиллятора значительно больше времени протекания процессов в ФЭУ, то ток в его анодной цепи пропорционален интенсивности световой вспышки и повторяет его форму. Это наблюдается при работе с медленными сцинтилляторами (Тс = 10^-6 — 10^-7 с), когда ФЭУ можно представить безынерционным прибором. Если же работа ведется с быстрыми сцинтилляторами (Тс = 10^-8 — 10^-9 с), то скорость некоторых процессов в умножителе надо учитывать.

Время выхода электронов из фотокатода и вторичных электронов из динодов достаточно мало — не более 1 нс, и его можно не рассматривать. Суммарное время пролета между динодами для разных ФЭУ составляет 4—70 нс. При этом средний квадратичный разброс времени пролета составляет (0,2−1) нс, а время нарастания тока анода 0,5−3 нс. В результате сигнал на выходе ФЭУ задерживается относительно импульса света и его форма несколько изменяется.

Влияние параметров ФЭУ на выходной сигнал можно оценить, зная закон высвечивания сцинтиллятора, которому следует фотоэлектронная эмиссия. В общем случае число электронов, покидающих фотокатод, можно представить в виде:

n = N [ехр (- t/Тсп) — exp (- t/Tнар)]/(Tсп — Т нар) (1.1).

где N — полное число фотоэлектронов, вылетающих в результате сцинтилляции; Тнар и Тсп — постоянные, определяющие время нарастания и спада высвечивания, Тнар определяет время передачи энергии в веществе сцинтиллятора.

Например, в пластическом сцинтилляторе возникает задержка в начале процесса высвечивания, вызванная тем, что энергия должна перейти от растворителя к фосфору, а затем к сместителю спектра. Постоянная Тсп, как правило, больше Тнар; в неорганических сцинтилляторах вклад Тсп настолько велик, что Тнар можно пренебречь. Поэтому обычно сцинтилляционный процесс описывают одной или несколькими спадающими экспонентами, и изменение числа фотоэлектронов с катода можно приблизительно выразить в виде:

n = N*ехр (- t/Тcп)/Tсп (1.2).

После многократного умножения в цепи анода ФЭУ возникает импульс тока ia. Если предположить, что ФЭУ не вносит искажений в передачу сигнала сцинтилляции, то импульс тока можно записать в виде.

iа (t) = I ехр (- t/Tc) (1.3).

где I—амплитудное значение анодного тока; Тс — время высвечивания сцинтиллятора.

Реальный импульс тока на выходе ФЭУ задержан во времени относительно момента регистрации, и его форма несколько искажена. Последнее обстоятельство в основном вызвано тем, что отдельные электроны в ФЭУ проходят разные пути, а анодный ток меняется по вероятностному закону, определяемому геометрией электродов. Экспериментальные исследования показывают, что форма анодного тока, образованная одиночным фотоэлектроном, с некоторым приближением может быть аппроксимирована законом Гаусса. Этот вывод можно использовать для выяснения влияния параметров ФЭУ на передачу реального импульса сцинтилляции. Для этого определяется форма выходного импульса, при условии, что сцинтилляционный сигнал описывается выражением (1.3), а ФЭУ имеет разные времена пролета Тпр при постоянном размытии. Зависимость формы выходного импульса для различных отношений Тпр/Тс, построенная в предположении, что полное число электронов, эмитированных в результате сцинтилляции, во всех случаях одинаково. Из нее следует, что с уменьшением Тпр, определяемого ФЭУ, форма импульса тока улучшается. Заметим, что неискаженная передача переднего фронта импульса особенно важна для временных исследований.

Большинство сцинтилляторов имеют, помимо основного быстрого компонента высвечивания, несколько более медленных компонент, и спад импульса анодного тока умножителя можно представить в виде суммы нескольких экспонент с различными постоянными времени. В целом форма импульса тока определяется видом регистрируемого излучения. Различие в форме импульсов тока используется для идентификации частиц.

Отличительная особенность сцинтилляционных счетчиков — наличие шумовых импульсов, возникающих на выходе ФЭУ. Они образуются в результате умножения тепловых электронов, эмитируемых фотокатодом.

Помимо ФЭУ в сцинтилляционных и позиционных детекторах иногда применяют канальные электронные умножители (КЭУ) и микроканальные пластины (МКП). Умножители этого типа рассчитаны на непосредственную регистрацию частиц, поэтому в сцинтилляционном детекторе они дополняются фотокатодом.

Параметры счетчиков Черенкова. Для регистрации быстрых заряженных частиц используются черенковские счетчики, основанные на регистрации излучения Вавилова — Черенкова это излучение возникает в том случае, когда скорость частицы больше фазовой скорости света в некоторой среде. Детектор состоит из радиатора, заполненного газом, жидкостью или прозрачной пластмассой, являющейся средой, в которой возникает излучение, и ФЭУ, конвертирующего вспышки света в импульсы тока.

Отличительная особенность излучения Вавилова-Черенкова — очень малая его длительность, лежащая в субнаносекундном диапазоне. В зависимости от конструкции детектора, размеров радиатора, наличия фокусирующих устройств и их типа реальная длительность излучения составляет 10^-9 -10^-8 с. Естественно, что для регистрации столь кратковременных световых вспышек используются ФЭУ с высокими временными характеристиками.

Сцинтилляционные детекторы с фотодиодами. С появлением достаточно чувствительных фотодиодов с большой рабочей площадью на них иногда стали выполнять сцинтилляционные счетчики. Фотодиоды в отличие от ФЭУ не задерживают сигнал, при этом время нарастания сигнала достаточно мало — не превышает 15 нс. Их межэлектродная емкость такая же, как выходная емкость ФЭУ, т. е. около 10 пФ. Однако световая чувствительность фотодиодов низка, примерно 100 мкА/лм, в то время как у ФЭУ она составляет в зависимости от числа динодов 100−1000 А/лм.

Поэтому в сцинтилляционном детекторе к фотодиоду подключается линейный усилитель. В данном случае фотодиод как бы заменяет фотокатод, а усилитель — умножительную часть ФЭУ. Усилитель должен обладать высоким коэффициентом усиления, малыми шумами и обеспечивать передачу быстро нарастающих сигналов. Лучше всего для этих целей подходят усилители с обратной связью по заряду.

Исследование и сравнение сцинтилляционных детекторов с фотодиодами и с ФЭУ показывает, что при очень малых уровнях освещенности детекторы с фотодиодами имеют худшее отношение сигнала к шуму. Заметим, что возможно компромиссное решение, при котором вместо фотодиода применяется ФЭУ с малым числом динодов, подключенный к усилителю с необходимым коэффициентом усиления. В этом случае упрощается усилитель и для питания умножителя требуется источник с пониженным напряжением. Кроме того, из-за применения малодинодного ФЭУ повышается стабильность усилительного тракта всего умножителя, требуется источник с пониженным напряжением. Кроме того, изза применения малодинодного ФЭУ повышается стабильность усилительного тракта всего детектора [23].