Курсовая: Сцинтилляционные счетчики - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Сцинтилляционные счетчики

Банк рефератов / Физика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 293 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Оглавление. Методы регистра ции ядерных излучений. Визуальный метод сцинтилляций * Сцинтилляционный счетчик. * Принцип работы . * Основные характеристики. * Виды процессов люминесценции (высвечивания) фосфора. * Основные свойства сцинтилляторов. * Высокая эффект ивность регистрации g -лучей и нейтронов. * Высокая разрешающая способность по времени. * Возможность изготовления сцинтилляторов очень больших геометрически х размеров. * Возможность введения в состав сцинтилляторов веществ, с которыми с боль шим сечением взаимодействуют нейтроны. * Возможность энергетического анализа регистрируемого излучения. * Виды сцинтиллят оров. * Органические к ристаллические сцинтилляторы. * Неорганические сцинтилляторы. * Пластмассовые сцинтилляторы. * Жидкие органические сцинтилляторы. * Газовые сцинтилляторы. * Светопреобразователи. * Фотоэлектронны е умножители. * Фотокатод. Осн овные характеристики. * Диноды. * Конструкции сци нтилляционных счетчиков * Питание ФЭУ. * Помехи в фотоумножителях и их ликвидация. * Использование светопроводов. * Упаковывание сцинтилляторов. * Использование с цинтилляторов. * Люминесцентна я камера. * Измерение времен жизни возбужденных состояний ядер. * Экспериментальное обнаружение нейтрино. * Регистрация осколков деления. * Гамма-дефектоскопия. * Методы регистрации ядерных излучений. Визуальный метод сцинтилляций Метод регистрации заряженных частиц с помощью подсчета вспышек света, возникающих при поп адании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS) считается одним из пер вых методов регистрации ядерных излучений. Этот метод заключается в следующем. Сцинтилляциями вспышками называют отдельные кратковременные вспышки света, которые можно заметить, наблюдая через увеличительное секло за по верхностью экрана из сернистого цинка, облучаемого a -частицами. Отдельн ой a -частицей, попадающей на экран создаётся каждая из этих сцентилляций. Эти явления впервые были обнаружены ещё в 1903 г. Круксом и другими. Для возможности подсчёта a -частиц Крукс изо брёл прибор, названный спинтарископом Крукса. В дальнейшем визуальный метод сцинтилляций был использован в основном для регистрации a -частиц и протонов с энергией в несколько миллионов эле ктронвольт регистрировать не удалось. Так как отдельные быстрые электр оны вызывают очень слабые сцинтилляции, их зарегистрировать не удалось. То, что гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь об щее свечение, позволило регистрировать a -частицы в присутствии сильного g -излучения. Лишь когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало одновре менно достаточно большое число электронов, при облучении электронами с ернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки. Метод сцинтилляций является субъективным, и результаты в той или иной ме ре зависят от индивидуальных качеств экспериментатора, но он позволяет регистрировать очень небольшое число частиц в единицу времени. Наилучш ие условия для счета сцинтилляций получаются тогда, когда их число лежит между 20 и 40 в минуту. С помощью визуального метода сцинтилляций Резерфорд регистрировал a -ча стицы при их рассеянии на атомах, эти опыты привели Резерфорда к открыти ю ядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, вы биваемые из ядер азота при бомбардировке их a -частицами, т.е. первое искус ственное расщепление ядра. Таким образом, несмотря на недостатки, визуал ьный метод сцинтилляций сыграл огромную роль в развитии ядерной и атомн ой физики и имел большое значение вплоть до тридцатых годов, до тех пор, по ка появление новых методов регистрации ядерных излучений не исследова телей заставило на некоторое время забыть его. В конце сороковых годов XX века сцинтилляционный метод регистрации возро дился на новой основе. К этому времени были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабые вспышки света . Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можно увелич ить скорость счета в 10 8 и даже более раз по с равнению с визуальным методом, а также можно регистрировать и анализиро вать по энергии как заряженные частицы, так и нейтроны и g -лучи. Сцинти лляционный счетчик. Сочетание сцинтил лятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), источника электрич еского питания ФЭУ и радиотехнической аппаратуры, обеспечивающей усил ение и регистрацию импульсов ФЭУ, называют сцинтилляционным счетчиком. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптичес кую систему (светопровод). В качестве в сцети лляционных счётчиках используются: · жид кие органические сцинтилляторы, · твердые пластмассовые сцинтилляторы, · органические кристаллы, · газовые сцинтилляторы. Принцип работы. Рассмотрим принци п работы сцинтилляционного счетчика. Попадая в сцинтиллятор, заряженная частица производит ионизацию и возб уждение его молекул. Через очень короткое время (10 -6 — 10 -9 сек ) эти молекулы переходят в стабильное состояние, исп уская фотоны - возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая часть фо тонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны, которы е под действием приложенного к ФЭУ напряжения, фокусируются и направляю тся на первый электрод (динод) электронного умножителя. В результате вто ричной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивае тся, и на выходе ФЭУ появляется импульс напряжения, который усиливается и регистрируется радиотехнической аппаратурой. Свойствами как сцинтиллятора и ФЭУ определяются амплитуда и длительно сть импульса на выходе. Основны е характеристики. 1. Спе ктральный состав излучения. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в н ем возникает некоторое число фотонов с той или иной энергией, часть кото рых будет поглощена в объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут ис пущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процесс ов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора. 2. Све товой выход. Световым выходом или конверси онной эффективностью сцинтиллятора c называется отношение энергии све товой вспышки , выходящей наружу, к величин е энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе, где — среднее число фотонов, выходящих наружу, — средняя энергия фотонов. Каждый сцинтил лятор испускает не моноэнергетические кванты, а сплошной спектр, характ ерный для данного сцинтиллятора. 3. Дли тельность сцинтилляций. Необходимо, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллят ора, совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характе ристикой ФЭУ. Степень перекрытия внешнего с пектра сцинтилляции со спектральной характеристикой . данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования где — внешний спектр сцинтилл ятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора. 4) Сцинтилляционная эффективность. При сравнении сцин тилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводят понятие сцинтилляционной э ффективности, которая учитывает число фотонов, испускаемых сцинтиллят ором на единицу поглощенной энергии и чувствительность данного ФЭУ к эт им фотонам и определяется следующим выражением: На практике сцинтилляционную эффективность данного сцинтиллятора опр еделяют путем сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтилля тора, принятого за эталон. 5) Интенсивность сци нтилляции. Интенсивность сци нтилляции изменяется со временем по экспоненциальному закону где I 0 — максимальное значение интенсивности сцинтилляции; t 0 — постоянная времени затухания, определяемая как время, в течени е которого интенсивность сцинтилляции уменьшается в е раз. Число фотонов света n, испущенных за время t после попадания регистрируемой частицы, в ыражается формулой где — полное число фотонов, испущенных в процессе сцинтилляции. Виды пр оцессов люминесценции (высвечивания) фосфора. Процессы люминесц енции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции (высвечива ние происходит непосредственно во время возбуждения или в течение пром ежутка времени порядка 10 -8 сек, интервал 10 -8 сек выбра н потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужде нном состоянии для так называемых разрешенных переходов) и фосфоресцен ции (люминесценции, которая продолжается значительное время после прек ращения возбуждения). При рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении возника ет Фосфоресценция кристаллофосфоров. В некоторых кристаллах возможно затягивание послесвечения за счет того, что электроны и дырки захватыва ются “ловушками”, из которых они могут освободиться, лишь получив дополн ительную необходимую энергию. Отсюда очевидна зависимость длительност и фосфоресценции от температуры. В случае сложных органических молекул фосфоресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии, ве роятность перехода из которого в основное состояние может быть малой. И в этом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфор есценции от температуры. Длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флу оресценции существенно зависит от него. Так при возбуждении кристалла a - частицами выход флуоресценции почти на порядок меньше, чем при фотовозб уждении. Основные свойства сцинтилляторов. Высокая эффективность регистрации g -лучей и ней тронов. Для регистрации g -к ванта или нейтрона необходимо, чтобы они прореагировали с веществом дет ектора; при этом возникшая вторичная заряженная частица должна быть зар егистрирована детектором. Очевидно, что чем больше находится вещества н а пути g -лучей или нейтронов, тем большей будет вероятность их поглощения , тем большей будет эффективность их регистрации. В настоящее время при и спользовании больших сцинтилляторов добиваются эффективности регист рации g -лучей в несколько десятков процентов. Эффективность регистрации нейтронов сцинтилляторами со специально введенными веществами ( 10 В, 6 Li и др.) также на много превышает эффективность регистрации их с помощью газоразрядных счетчиков. Высокая разрешающая способность по времени. Длительность имп ульса в зависимости от используемых сцинтилляторов простирается от 10 -6 до 10 -9 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем у счетчиков с самосто ятельным разрядом, что позволяет осуществлять намного большие скорост и счета. Другой важной временной характеристикой сцинтилляционных сче тчиков является малая величина запаздывания импульса после прохождени я регистрируемой частицы через фосфор (10 -9 — 10 -8 сек). Это позволяет исп ользовать схемы совпадений с малым разрешающим временем (<10 -8 сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений. Возможн ость изготовления сцинтилляторов очень больших геометрических размер ов. Это означает возмо жность регистрации и энергетического анализа частиц очень больших эне ргий (космические лучи), а также частиц, слабо взаимодействующих с вещест вом (нейтрино). Возможн ость введения в состав сцинтилляторов веществ, с которыми с большим сече нием взаимодействуют нейтроны. Для регистрации ме дленных нейтронов используют фосфоры LiJ(Tl), LiF, LiBr. При взаимодействии медленн ых нейтронов с 6 Li идет реакция 6 Li(n, a ) 3 Н, в которой выдел яется энергия в 4,8 Мэв. Возможн ость энергетического анализа регистрируемого излучения. В самом деле, для ле гких заряженных частиц (электроны) интенсивность вспышки в сцинтиллято ре пропорциональна энергии, потерянной частицей в этом сцинтилляторе. С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным ан ализаторам, можно изучать спектры электронов и g -лучей. Несколько хуже об стоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц ( a -частицы и др .), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях п ропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдае тся не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях эне ргии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц. Это иллюстрируется графиками на рис.1 и 2. Виды сцинтилляторов. Органические кристаллические сцинтилляторы. Для регистрации яд ерных излучений наибольшее распространение получили следующие органи ческие кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладает достат очно большим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3• 10 -8 сек). Но при регистрации тяжелых заряженных частиц линейная зависимость интенсивности сцинтилляции на блюдается лишь при довольно больших энергиях частиц. Стильбен хотя и обл адает несколько меньшим световым выходом, чем антрацен, но зато длительн ость сцинтилляции у него значительно меньше (7• 10 -9 сек), чем у антрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного и злучения. Так как по сравнению с силами, действующими в неорганических кристаллах молекулярные силы связи в органических кристаллах малы, взаимодейству ющие молекулы практически не возмущают энергетические электронные уро вни друг у друга и процесс люминесценции органического кристалла являе тся процессом, характерным для отдельных молекул. В основном электронном состоянии молекула имеет несколько колебательн ых уровней. Под воздействием регистрируемого излучения молекула перех одит в возбужденное электронное состояние, которому также соответству ет несколько колебательных уровней. Также возможны ионизация и диссоци ация молекул. В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, как правило, образуется в возбужденном состоянии. Первоначально возбужден ная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через ко роткое время (~10 -11 сек) испуск ает фотон высокой энергии, который поглощается другой молекулой, причем часть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на те пловое движение и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже мен ьшей энергией по сравнению с предыдущим. После нескольких циклов испуск ания и поглощения образуются молекулы, находящиеся на первом возбужден ном уровне, которые испускают фотоны, энергия которых может оказаться уж е недостаточной для возбуждения других молекул и, таким образом, кристал л будет прозрачным для возникающего излучения. На рис. 2 приведены графики зависимости светового выхода c (в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2 , дейтонов 3 и a -частиц 4 . Рис. 2. Зависимост ь светового выхода антрацена от энергии для различных частиц. Благодаря тому, что большая часть энергии возбуждения расходуется на тепловое движение, св етовой выход (конверсионная эффективность) кристалла сравнительно нев елик и составляет несколько процентов. Неорганические сцинтилляторы. Неорганические сц интилляторы - кристаллы неорганических солей. Практическое применение в сцинтилляционной технике имею т главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов. Представим процесс возникновения сцинтилляции при помощ и зонной теории твердого тела. В невзаимодействующем с другими отдельном атоме, электро ны находятся на вполне определенных дискретных энергетических уровнях . В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях, и их взаимодейст вие достаточно сильно. Благодаря этому взаимодействию уровни внешних э лектронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от др уга запрещенными зонами. Валентная зона является самой внешней разреше нной зоной, заполненной электронами. Выше ее располагается свободная зо на — зона проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости нахо дится запрещенная зона, энергетическая ширина которой составляет неск олько электронвольт. В случае, если в кристалле имеются какие-либо дефекты, нару шения решетки или примесные атомы, возможно появление энергетических э лектронных уровней, расположенных в запрещенной зоне. Электроны могут п ереходить из валентной зоны в зону проводимости при внешнем воздействи и, например при прохождении через кристалл быстрой заряженной частицы, т огда в валентной зоне останутся свободные места, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и называемые дырка ми. Мы описали процесс возбуждения кристалла. Путем обратного перехода электронов из зоны проводимост и в валентную зону, происходит рекомендация электронов и дырок, возбужде ние снимается. Во многих кристаллах переход электрона из зоны проводимо сти в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанные центры обусловл иваются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переход е электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом крис талле мала и поэтому световой выход для него много больше, чем для чистог о, беспримесного кристалла. Для увеличения светового выхода неорганических сцинтилл яторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых акти ваторами. Так, например, в кристалл йодистого натрия в качестве активато ра вводится таллий. Сцинтиллятор, построенный на основе кристалла NaJ(Tl), обладае т большим световым выходом и имеет значильтельные преимущества по срав нению с газонаполненными счетчиками: большую эффективность регистраци и g -лучей (с большими кристаллами эффективность регистрации может дости гать десятков процентов), малую длительность сцинтилляции (2,5 • 10 -7 сек) и линейную связь между амплитудой импульса и в еличиной энергии, потерянной заряженной частицей. Световой выход сцинтиллятора зависит от удельных потерь энергии заряженной частицы . Рис. 1. Зависимост ь светового выхода кристалла NaJ (T1) от энергии частиц. Значительные нарушения крист аллической решетки сцинтиллятора, возможные при очень больших величин ах , приводят к возникновению локальных центров тушения. Это может приве сти к относительному уменьшению светового выхода. Экспериментальные ф акты свидетельствуют о том, что для тяжелых частиц выход нелинеен, а лине йная зависимость начинает проявляться только с энергии в несколько мил лионов электронвольт. На рис. 1 приведены кривые зависимости c от Е: кривая 1 для электронов, кривая 2 для a частиц. Кроме указанных щелочно-галоидных сцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы: ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO 4 , CdWO 4 и др. Пластма ссовые сцинтилляторы. Пластмассовые сци нтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих орган ических соединений в подходящем прозрачном веществе (растворы антраце на или стильбена в полистироле, или плексигласе). Концентрации растворен ного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько дес ятых долей процента или несколько процентов, поэтому, так как растворите ля много больше, чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регис трируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворит еля. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам сцинтиллят ора. Раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излуче ния сцинтиллятора, так как концентрация сцинтиллятора мала. Наибольшим световым выходом обладают пластмассовые сцинтилляторы, при готовленные растворением антрацена в полистироле. Хорошими свойствами обладает также раствор стильбена в полистироле. Спектр испускания растворителя должен быть более жестким, чем спектр по глощения растворенного вещества или совпадать с ним. Экспериментальные факты показывают, что энергия возбуждения растворит еля передается молекулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма, т. е . молекулы растворителя испускают фотоны, которые затем поглощаются мол екулами растворенного вещества. По сравнению с органическими кристаллическими сцинтилляторами пластм ассовые сцинтилляторы имеют значительные преимущества: · воз можность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме; · возможность введения в сцинтил лятор смесителей спектра для достижения лучшего согласования его спек тра люминесценции со спектральной характеристикой фотокатода; · возможность изготовления сцинтиллято ров очень больших размеров; · возможность введения в сцинтил лятор различных веществ, необходимых в специальных экспериментах (напр имер, при исследовании нейтронов); Жидкие органические сцинтилляторы. Жидкие органическ ие сцинтилляторы - это растворы органических сцинтиллирующих веществ в некоторых жидких органических растворителях. Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах аналогичен механизму, происходящему в твердых р астворах— сцинтилляторах. Из жидких веществ наиболее подходящими растворителями оказались ксило л, толуол и фенилциклогексан, а сцинтиллирующими веществами р-терфенил, дифенилоксазол и тетрафенилбутадиен. Изготовленный при растворении р- терфенила в ксилоле при концентрации растворенного вещества 5 г/л сцинтиллятор обладает наибольшим световым выхо дом . Основные достоинства жидких сцинтилляторов: · мал ая длительность вспышки ( ~3• 10 -9 сек). · возможность изготовлен ия больших объемов; · возможность введения в сцинтиллятор в еществ, необходимых в специальных экспериментах; Газовые сцинтилляторы. Появление сцинтил ляций наблюдалось при прохождении заряженных частиц через различные г азы. Газовые сцинтилляторы обладают малой чувствительностью к g -излучен ию. Наибольшим световым - выходом обладают тяжелые благородные газы (ксе нон и криптон), а также смесь ксенона и гелия. Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход, даже больший, чем у чистого ксенона (рис. 3). Ни чтожно малые примеси других газов резко уменьшают интенсивность сцинт илляций в благородных газах. Рис. 3. Зависимость светового выхода газового сцинтиллятора от соотношения смеси гелия и ксенона. Длительность вспы шек в благородных газах мала (10 -9 -10 -8 сек), а интенсивность вспышек в шир оком диапазоне пропорциональна потерянной энергии регистрируемых час тиц и не зависит от их массы и заряда. Светопрео бразователи. Для приведения в со ответствие со спектральной чувствительностью ФЭУ используются светоп реобразователи, потому что основная часть спектра люминесценции лежит в области далекого ультрафиолета. Светопреобразватели должны обладать высоким коэффициентом конверсии, оптической прозрачностью в тонких сл оях, низкой упругостью насыщенных паров, а также механической и химическ ой устойчивостью. В качестве материалов для светопреобразователей в ос новном используются различные органические соединения, например: дифе нилстильбен (эффективность преобразования около 1), P 1 p’ -кватерфенил (~1), антрацен (0,34) и др. Светопреобразователь наносится тонким слоем на фотокатод ФЭУ. Важн ым параметром светопреобразователя является его время высвечивания. В этом отношении органические преобразователи являются вполне удовлетв орительными (10 -9 сек или неск олько единиц на 10 -9 сек). Для у величения светосбора внутренние стенки камеры сцинтиллятора обычно по крываются светоотражателями (MgO, эмаль на основе окиси титана, фторопласт , окись алюминия и др.). Фотоэл ектронные умножители. Фотокатод, фокусир ующая система, умножительная система (диноды), анод (коллектор)- основные э лементы ФЭУ. Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне, откаче нном до высокого вакуума ( 10 -6 мм рт.ст.). Фотокат од. Основные характеристики. Фотокатод обычно р асполагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ для целей спектрометрии ядерных излучений. В качестве материала фот окатода выбирается вещество достаточно чувствительное к свету, испуск аемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно- цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых л ежит при l = 3900 ё 4200 А, что соответствует, максимум ам спектров люминесценции многих сцинтилляторов. Рис. 4. Принципиальная схема ФЭУ. Свойства фотокато да характеризуются также интегральной чувствительностью, представляю щей собой отношение фототока (мка) к падающ ему на фотокатод световому потоку (лм). Квантовый выход катода, т. е. вероятность вырывания фотоэл ектрона фотоном, попавшим на фотокатод также является одной из его харак теристик. Величина e может достигать 10-20%. Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Толщ ина этого слоя имеет значение. С одной стороны, для большого поглощения с вета она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэле ктроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым, поэтому подбирает ся оптимальная толщина фотокатода. Также важно обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей п лощади. В сцинтилляционной g -спектрометрии часто необходимо использовать твер дые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру, поэ тому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов. Фотокатоды в отечественных ФЭУ делаются с диаметром от нескольких сант иметров до 15 ё 20 см. фотоэлектр оны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножите льный электрод. Для этого используется система электростатических лин з, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения х ороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую с истему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временны м разбросом. Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умножения М. Если значение s для всех динодов одинаково (при полн ом сборе электронов на динодах), а число динодов равно n, то A и B постоянные, u – энергия электронов. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиления М' , который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току , выходящему из катода М' = СМ, где С<1 — коэффициент сбора электронов, характеризующий эффек тивность сбора фотоэлектронов на первый динод. Очень важным является постоянство коэффициента усиления М' ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электр онов, выходящих из фото катода. Последнее обстоятельство позволяет испо льзовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектрометров ядерных и злучений. Диноды. Умножающие электр оды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффиц иент вторичной эмиссии которых больше единицы ( s >1). В отечественных ФЭУ ди ноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис. 4), либо в виде жа люзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и коль цеобразное расположение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодо в обладают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем дин одов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов. Сфокусированные на первый динод, фотоэлектроны выбивают из него вторич ные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько ра з больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д., от динода к диноду, число элект ронов увеличивается в s раз. При прохождении всей системы динодов поток э лектронов возрастает на 5— 7 порядков и попадает на анод — собирающий эл ектрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучени й обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздейст вием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случа ях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения. На рис.4 приведено схематическое устройство фотоэлектронного умножите ля. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяе тся к катоду и распределяется между всеми электродами. Разность потенци алов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектрон ов на первый умножающий электрод. Достаточно хорошим коэффициентом вторичной эмиссии является s = 5. Максим альное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энерг ии электронов 350 ё 400 эв, а для сп лавных эмиттеров — при 500 ё 550 эв. В первом случае s = 12 ё 14, во втором s =7 ё 10 . В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько мень ше. Констр укции сцинтилляционных счетчиков К конструкциям сци нтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования: · рав номерное распределение света по фотокатоду; · отсутствие влияния магнитных полей; · наилучший сбор света сцинтилляций на ф отокатоде; · затемнение от света посторонних источ ников; · стабильность коэффициента усиления Ф ЭУ. При использовании сцинтилляционных счетчиков всегда нео бходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает оптимально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе. Питание ФЭУ. Питание ФЭУ произв одится с помощью делителя напряжения, который позволяет подавать на каж дый электрод соответствующий потенциал. Отрицательный полюс источника питания подключается к фотокатоду и к одному из концов делителя. Положи тельный полюс и другой конец делителя заземляются. Сопротивления делит еля подбираются таким образом, чтобы был осуществлен оптимальный режим работы ФЭУ. Для большей стабильности ток через делитель должен на порядо к превышать электронные токи, идущие через ФЭУ. Рис. 6. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором. 1— жидкий сцинтиллятор; 2— ФЭУ; 3— светозащитный кожух. При работе сцинтил ляционного счетчика в импульсном режиме на выходе ФЭУ возникают коротк ие (~10 -8 сек) импульсы, амплиту да которых может составлять несколько единиц или несколько десятков во льт. При этом потенциалы на последних динодах могут испытывать резкие из менения, так как ток через делитель не успевает восполнить заряд, уносим ый с каскада электронами. Чтобы избежать таких колебаний потенциалов, не сколько последних сопротивлений делителя шунтируются емкостями. За сч ет подбора потенциалов на динодах создаются благоприятные условия для сбора электронов на этих динодах, т.е. осуществляется определенная элект роннооптическая система, соответствующая оптимальному режиму. В электроннооптической системе траектория электрона не зависит от про порционального изменения потенциалов на всех электродах, образующих д анную электроннооптическую систему. Так и в умножителе при изменении на пряжения питания изменяется лишь коэффициент усиления его, но электрон нооптические свойства остаются неизменными. При непропорциональном изменении потенциалов на динодах ФЭУ условия ф окусировки электронов на участке, где нарушена пропорциональность, изм еняются. Это обстоятельство и используется для самостабилизации коэфф ициента усиления ФЭУ. Для этой цели потенциал Рис. 7. Часть схемы делителя. одного из динодов п о отношению к потенциалу предыдущего динода задается постоянным, либо с помощью дополнительной батареи, либо с помощью дополнительно стабилиз ированного делителя. На рис.7 приведена часть схемы делителя, где между ди нодами D 5 и D 6 вк лючена дополнительная батарея ( U б = 90 в). Для получения на илучшего эффекта самостабилизации необходимо подобрать величину сопр отивления R'. Обычно R' больше R в 3— 4 раза. Помехи в фотоумножителях и их ликвидация. Даже при отсутстви и внешнего облучения в сцинтилляционных счетчиках возможно появление большого числа импульсов на выходе ФЭУ. Эти импульсы обычно имеют неболь шие амплитуды и носят название шумовых. Наибольшее число шумовых импульсов обусловливается появ лением термоэлектронов из фотокатода или даже из первых динодов. Для уме ньшения шумов ФЭУ часто используется его охлаждение. При регистрации из лучений, создающих большие по амплитуде импульсы, в регистрирующую схем у включается дискриминатор, не пропускающий шумовые импульсы. Рис. 5. Схема для подавления шумов ФЭУ. Рассмотрим следую щий пример: Для регистрации импульсов с амплитуд, сравнимой с шумовым и импульсами, рационально использовать один сцинтиллятор с двумя ФЭУ, вк люченными в схему совпадений (рис. 5). Тогда происходит временная селекция импульсов, возникши х от регистрируемой частицы - вспышка света, возникшая в сцинтилляторе о т регистрируемой частицы, попадет одновременно на фтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы, заставляющие сработать сх ему совпадений. Частица будет зарегистрирована. Шумовые же импульсы в ка ждом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чаще всего не будут зар егистрированы схемой совпадений. Такой способ позволяет уменьшать соб ственный фон ФЭУ на 2— 3 порядка. Число шумовых импульсов зависит от величины приложенног о напряжения, и ратёт с его ростом сначала довольно медленно, затем возра стание резко увеличивается. Причиной этого резкого возрастания фона яв ляется автоэлектронная эмиссия с острых краев электродов и возникнове ние обратной ионной связи между последними динодами и фотокатодом ФЭУ. Возникновение свечения как остаточного газа, так и констр уктивных материалов возможно в районе анода. Возникшее слабое свечение, а также обратная ионная связь обусловливают появление так называемых с опровождающих импульсов, отстоящих по времени от основных на 10 -8 ё 10 -7 сек. Использование светопроводов. Сцинтиллятор не мо жет быть помещен непосредственно на фотокатод ФЭУ в некоторых эксперим ентах, например при измерениях в вакууме, в магнитных полях, в сильных пол ях ионизирующих излучений, тогда для передачи света от сцинтиллятора на фотокатод используется светопровод. В качестве светопроводов применяю тся полированные стержни из прозрачных материалов — таких, как люсит, п лексиглас, полистирол, а также металлические или плексигласовые трубки, заполненные прозрачной жидкостью. Потери света в светопроводе зависят от его геометрических размеров и от материала. В некоторых эксперимента х необходимо использовать изогнутые светопроводы. Лучше применять све топроводы с большим радиусом кривизны. Светопроводы позволяют также со членять сцинтилляторы и ФЭУ разных диаметров. При этом используются кон усообразные светопроводы. Сочленение ФЭУ с жидким сцинтиллятором прои зводится либо через светопровод, либо непосредственным контактом с жид костью. На рис.6 приведен пример сочленения ФЭУ с жидким сцинтиллятором. В различных режимах работы на ФЭУ подается напряжение от 1000 до 2500 в. Так как коэффициент усиления ФЭУ очень резко зави сит от напряжения, то источник питающего тока должен быть хорошо стабили зирован. Кроме того, возможно осуществление самостабилизации. Упаковывание сцинтилляторов. Обычно сцинтиллят ор упаковывают в металлический контейнер, закрываемый с одного конца пл оским стеклом. Между контейнером и сцинтиллятором размещается слой мат ериала, отражающего свет и способствующего наиболее полному его выходу. Наибольшей отражательной способностью обладают окись магния (0,96), двуоки сь титана (0,95), гипс (0,85— 0,90), используется также алюминий (0,55— 0,85). На тщательную упаковку гигроскопичных сцинтилляторов до лжно быть обращено особое внимание. Так, например, наиболее часто исполь зуемый фосфор NaJ (Tl) очень гигроскопичен и при проникновении в него влаги же лтеет и теряет свои сцинтилляционные свойства. Пластмассовые сцинтилл яторы нет необходимости упаковывать в герметические контейнеры, но для увеличения светосбора можно окружить сцинтиллятор отражателем. Все тв ердые сцинтилляторы должны иметь на одном из торцов выходное окно, котор ое и сочленяется с фотокатодом ФЭУ. В месте сочленения могут быть значит ельные потери интенсивности света сцинтилляции. Для избежания этих пот ерь между сцинтиллятором и ФЭУ вводится канадский бальзам, минеральные или силиконовые масла и создается оптический контакт. Использование сцинтиллятор ов. Люминесцентная камера. Впервые фотографи рование следов ионизирующих частиц в люминесцирующих веществах с помо щью чувствительных электроннооптических преобразователей (ЭОП) было п роизведено в 1952 г. советскими физиками Завойским. Первые опыты были произ ведены при использовании кристалла CsJ (Tl). Этот метод регистрации частиц, названный люминесцентной камерой, имеет высокую разрешающую способность по времени. Сегодня для изготовления люминесцентной камеры использу ют пластмассовые сцинтилляторы в виде длинных тонких стерженьков (ните й), которые укладываются в виде стопки рядами так, что нити в двух соседних рядах расположены под прямым углом друг к другу. Этим обеспечивается во зможность стереоскопического наблюдения для воссоздания пространств енной траектории частиц. Изображения от каждой из двух групп взаимно пер пендикулярных нитей направляются на отдельные электроннооптические п реобразователи. Нити играют также роль светопроводов. Свет дают только т е нити, которые пересекает частица. Этот свет выходит через торцы соотве тствующих нитей, которые фотографируются. Изготовляются системы с диам етром отдельных нитей от 0,5 до 1,0 мм. Измерен ие времен жизни возбужденных состояний ядер. Изучение квантовых характеристик возбужденных состояни й ядер является одной из главных задач ядерной физики. Образующиеся при радиоактивном распаде или в различных ядерных реакциях ядра часто оказ ываются в возбужденном состоянии. Очень важной характеристикой возбуж денного состояния ядра является время его жизни t. Знание этой величины позволяет получать многие сведения о стру ктуре ядра. Атомные ядра могут находиться в возбужденном состоянии р азличные времена. Для измерения этих времен существуют различные метод ы. Очень удобными для измерения времен жизни уровней ядер от нескольких секунд до очень малых долей секунды оказались сцинтилляционные счетчи ки. Рассмотрим в качестве примера использования сцинтилляци онных счетчиков для измерения времени жизни возбуждённых состояний яд ер метод задержанных совпадений. Пусть ядро A (см. рис.10) путем b -распада превращается в ядро В в возбужденном состоянии, которое избыто к своей энергии отдает на последовательное испускание двух g -квантов ( g 1 , g 2 ). Требуется определить время жизни возбужденного состояния I . Препарат, содержащий изотоп A, устанавливается между двумя счетчиками с кристаллами NaJ(Tl) (рис.8). Импульсы, возникшие на выходе ФЭУ, пода ются на схему быстрых совпадений с разрешающим временем ~10 -8 — 10 -7 сек. Кроме того, импульсы подаются на линейные усилители и далее на ампл итудные анализаторы. Последние настраиваются таким образом, что они про пускают импульсы определенной амплитуды. Для нашей цели, т.е. для цели изм ерения времени жизни уровня I (см. рис. 10), ампл итудный анализатор AAI должен пропускать то лько импульсы, соответствующие энергии квантов g 1 а анализатор AAII — g 2 . Рис.8. Принципи альная схема для определения времени жизни возбужденных состояний ядер. Далее импульсы с ан ализаторов, а также с быстрой схемы совпадений подаются на медленную ( t ~10 -6 сёк) схему тройных совпаде ний. В эксперименте изучаются зависимость числа тройных совпадений от в еличины временной задержки импульса, включенной в первый канал схемы бы стрых совпадений. Обычно задержка импульса осуществляется с помощью та к называемой переменной линии задержки ЛЗ (рис.8). Линия задержки должна вк лючаться именно в тот канал, в котором регистрируется квант g 1 , так как он испускается раньше кванта g 2 . В результате эксперимента строится полулогарифм ический график зависимости числа тройных совпадений от времени задерж ки (рис.9), и уже по нему определяется время жизни возбужденного уровня I (так же, как это делается при определении перио да полураспада с помощью одиночного детектора). Используя сцинтилляционные счетчики с кристаллом NaJ(Tl) и ра ссмотренную схему быстро-медленных совпадений, можно измерять времена жизни 10 -7 — 10 -9 сек. Если же использовать более быстрые органически е сцинтилляторы, то можно измерять и меньшие времена жизни возбужденных состояний (до 10 -11 сек ) . Рис.9. Зависимост ь числа совпадений от величины задержки. Экспериментальное обнаружение нейтрино. Практически все св ойства нейтрино - самая загадочная из элементарных частиц -получены из к освенных данных. Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не в заимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сор та нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (антич астица) и нейтрино ( n -частица). При электронном распаде испускается элект рон (частица) и антинейтрино ( ` n -античастйца). Некоторые эксперименты позво ляют утверждать, что . Современная теория b -распада предполагает, что масс а нейтрино m n равна нулю. Спин нейтрино равен 1/2, магнитный момент <10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. Надежду на обнаружение антинейтрино вселило создание ядерных реакторо в, в которых образуется очень большое количество ядер с избытком нейтрон ов. Все нейтронноизбыточные ядра распадаются с испусканием электронов, а следовательно, и антинейтрино. Вблизи ядерного реактора мощностью в не сколько сотен тысяч киловатт поток антинейтрино составляет 10 13 см -2 · сек -1 — поток огромной плотности, и при выборе подходящего детектора антинейтрино можно было попытаться и х обнаружить. Такая попытка была осуществлена Рейнесом и Коуэном в 1954 г. Ав торы использовали следующую реакцию: n + p ® n + e + (1) этой реакции части цами-продуктами являются позитрон и нейтрон, которые могут быть зарегис трированы. Жидкий сцинтиллятор, объемом ~1 м 3 , с высоким содержанием водорода, н асыщенный кадмием служил детектором и одновременно водородной мишенью . Позитроны, возникающие в реакции (1), аннигилировали в два g -кванта с энерг ией 511 кэв каждый и обусловливали появление первой вспышки сцинтиллятора. Нейтрон в течение нескольких микросекун д замедлялся и захватывался кадмием. При этом захвате кадмием испускало сь несколько g -квантов с суммарной энергией около 9 Мэв. В результате в сцинтилляторе возникала вторая вспышка. Из мерялись запаздывающие совпадения двух импульсов. Для регистрации всп ышек жидкий сцинтиллятор окружался большим количеством ФЭУ. Скорость счета запаздывающих совпадений составляла три отсчета в час. Из этих данных было получено, что сечение реакции ( рис. 1) s = (1,1 ± 0,4) 10 -43 см 2 , что близко к расчетной величине. Сцинтилляционные счетчики очень больших размеров сегодн я используются во многих экспериментах, в частности в экспериментах по и змерению потоков g -излучений, испускаемых человеком и другими живыми ор ганизмами. Регистр ация осколков деления. Газовые сцинтилля ционные счетчики оказались очень удобными для регистрации осколков де ления оказались удобными. Очень важным свойством газового сцинтилляци онного счетчика является его низкая чувствительность к g -лучам, так как ч асто появление тяжелых заряженных частиц сопровождается интенсивным п отоком g -лучей. Эксперимент по изучению сечения деления происходит следующим образом: слой изучаемого элемента наносится на какую-то подложку и облучается по током нейтронов. Конечно, чем больше будет использоваться делящегося ве щества, тем больше будет происходить актов деления. Но так как обычно дел ящиеся вещества (например, трансурановые элементы) являются a -излучател ями, то использование их в значительных количествах становится затрудн ительным из-за большого фона от a -частиц. И если акты деления изучаются с п омощью импульсных ионизационных камер, то возможно наложение импульсо в от a -частиц на импульсы, возникшие от осколков деления. Только прибор, обладающий лучшим временным разрешением, позволит испол ьзовать большие количества делящегося вещества без наложения импульсо в друг на друга. В этом отношении газовые сцинтилляционные счетчики обла дают значительным преимуществом по сравнению с импульсными ионизацион ными камерами, так как длительность импульсов у последних на 2— 3 порядка больше, чем у газовых сцинтилляционных счетчиков. Амплитуды импульсов от осколков деления много больше, чем от a -частиц и по этому могут быть легко отделены с помощью амплитудного анализатора. Гамма-де фектоскопия. Все чаще в технике д ля обнаружения дефектов в трубах, рельсах и других больших металлически х блоках применяются ядерные излучения, обладающие большой проникающе й способностью. Для этих целей используется источник g -излучения и детектор g -лучей. Наил учшим детектором в этом случае является сцинтилляционный счетчик, обла дающий большой эффективностью регистрации. Такого вида эксперименты приводятся следующим образом. Источник излуч ения помещается в свинцовый контейнер, из которого через коллиматорное отверстие выходит узкий пучок g -лучей, освещающий трубу, с противоположн ой стороны которой устанавливается сцинтилляционный счетчик. Источник и счетчик помещаются на подвижный механизм, позволяющий передвигать их вдоль трубы, а также поворачивать около ее оси. Проходя через материал тр убы, пучок g -лучей будет частично поглощаться; если труба однородна, погло щение будет всюду одинаковым, и счетчик будет всегда регистрировать одн о и то же число (в среднем) g -квантов в единицу времени, если же в каком-то мес те трубы имеется раковина, то g -лучи в этом месте будут поглощаться меньше , скорость счета увеличится. Местоположение раковины будет обнаружено. Кроме перечисленных выше можно привести много примеров подобного испо льзования сцинтилляционных счетчиков. Литература: 1. Дж.Б иркс. Сцинтилляционные счетчики. М., ИЛ, 1955. 2. В.О.Вяземский, И.И. Ломоносов, В.А. Рузин. Сци нтилляционный метод в радиометрии. М.,Госатомиздат, 1961. 3. Ю.А. Егоров. Стинцилляционный метод спек трометрии гамма излучения и быстрых нейтронов. М., Атомиздат, 1963. 4. П.А. Тишкин. Эксперементальные методы яд ерной физики(детекторы ядерных излучений). Издательство Ленинградского Университета, 1970. 5 Г.С. Ландсберга. Элементарный учебник физики ( том 3).М., Наука , 1971
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Плохо, когда тебя все посылают, гораздо хуже, когда еще и требуют отчет о командировке.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, курсовая по физике "Сцинтилляционные счетчики", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru