Большая Советская Энциклопедия (СЦ) - [6]

Сцинтилляционный спектрометр

Сцинтилляцио'нный спектро'метр, прибор для измерения характеристик ядерных излучений и элементарных частиц (интенсивности излучения, энергии частиц, времени жизни нестабильных ядер и частиц), основным элементом которого является сцинтилляционный счётчик. Возможность измерения энергии С. с. связана с зависимостью интенсивности свечения (светового выхода) сцинтиллятора от энергии, потерянной в нём частицей. Для сильно ионизующих частиц (a-частиц, осколков деления ядер) и частиц малых энергий (e £ 1Мэв) наилучшими спектрометрическими характеристиками обладает кристалл NaI, активированный Tl [NaI (Tl)], который имеет линейную зависимость светового выхода от энергии частицы для электронов с энергией e £ 1 кэв и для протонов с энергией e £ 0,4 Мэв, а также инертные газы.

  Для исследования g-квантов и электронов высоких энергий NaI (Tl) в качестве сцинтиллятора также является наиболее подходящим, так как он обладает высокими плотностью (3,67 г/см³) и эффективным атомным номером. Высокий световой выход и хорошая прозрачность позволяют получить в С. с. хорошую разрешающую способность по энергии. При толщине кристалла 50 см разрешающая способность De даётся формулой

.

Для электронов и g-квантов с энергией e ~ 1 Гэв De достигает 1%.

  В физике высоких энергий для измерения энергии налетающей частицы e~ 10—100 Гэв иногда используются гигантские секционированные С. с. полного поглощения, в которых масса сцинтиллятора достигает десятков и сотен тонн. Измерение полной выделенной энергии в ядерном каскаде позволяет определить энергию налетающей частицы с точностью, достигающей ± 10%.

  Благодаря высокой эффективности регистрации различных частиц и излучений, а также быстродействию, С. с. нашёл широкое применение в ядерной спектроскопии и спектроскопии частиц высоких энергий. В области малых энергий (£ 1 Мэв) С. с. уступают в энергетическом разрешении пропорциональным счётчикам и полупроводниковым детекторам.

  Лит. см. при ст. Сцинтилляционный счётчик.

  В. С. Кафтанов.

Сцинтилляционный счётчик

Сцинтилляцио'нный счётчик, прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, g-квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (a-частиц, осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики в начале 20 в. (см. Спинтарископ). Позднее С. с. был полностью вытеснен ионизационными камерами и пропорциональными счётчиками. Его возвращение в ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки.

  Принцип действия С. с. состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны (см. Люминесценция). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны (см. Фотоэлектронная эмиссия), в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется (см. рис.). Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, g-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и g-квантов с атомами сцинтиллятора.

  В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили пластики, которые легко изготовляются, механически обрабатываются и дают интенсивное свечение. Важной характеристикой сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию (конверсионная эффективность h). Наибольшими значениями hобладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, активированный Tl [NaI (Tl)], антрацен и ZnS. Др. важной характеристикой является время высвечивания t, которое определяется временем жизни на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется экспоненциально:

, где I₀— начальная интенсивность. Для большинства сцинтилляторов t лежит в интервале 10^–9 — 10^–5 сек. Короткими временами свечения обладают пластики (табл. 1). Чем меньше t, тем более быстродействующим может быть сделан С. с.

  Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения. Для регистрации медленных нейтронов в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются водородсодержащие сцинтилляторы (см. Нейтронные детекторы). Для спектрометрии g-квантов и электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером (см. Гамма-излучение).

  С. с. изготавливают со сцинтилляторами разных размеров — объёмом от 1—2