Кіріспе
Иондаушы сәулеленуді өлшейтін құрал. Сцинтилляциялық санауыш – иондаушы сәулеленуді сцинтилляциялық материалға түсетін сәулеленудің қозу әсерін пайдаланып, одан туындайтын жарық импульстарын анықтау және өлшеуге арналған құрал. Ол сцинтиллятордан (түсетін сәулеленуге жауап ретінде фотондарды жасайтын), сезімтал фотодетектордан (әдетте фотокөбейтілгіш түтікше (ФКТ), зарядталған құрылғы (ЗҚҚ) камерасы немесе фотодиод), жарықты электр сигналына түрлендіретін және осы сигналды өңдейтін электроникадан тұрады. Сцинтилляциялық санауыштар радиациялық қорғау, радиоактивті материалдарды саралау және физикалық зерттеулерде кеңінен қолданылады, себебі оларды төмен құнмен, бірақ жақсы кванттық тиімділікпен жасауға болады, сондай-ақ түсетін сәулеленудің қарқындылығы мен энергиясын өлшеуге мүмкіндік береді.
A scintillation counter is an instrument for detecting and measuring ionizing radiation by using the excitation effect of incident radiation on a scintillating material, and detecting the resultant light pulses. It consists of a scintillator which generates photons in response to incident radiation, a sensitive photodetector (usually a photomultiplier tube (PMT), a charge coupled device (CCD) camera, or a photodiode), which converts the light to an electrical signal and electronics to process this signal. Scintillation counters are widely used in radiation protection, assay of radioactive materials and physics research because they can be made inexpensively yet with good quantum efficiency, and can measure both the intensity and the energy of incident radiation.
Тарих
Алғашқы электронды сцинтилляция санағышы 1944 жылы сэр Сэмюэл Курран Манхэттен жобасы аясында Калифорния университетінде (Беркли) жұмыс істеген кезде ойлап тапты. Уранның шағын мөлшерінен шығатын сәулеленуді өлшеу қажеттігі болды, ал оның инновациясы – Америка радио корпорациясы жасаған, жаңадан қолжетімді, жоғары сезімтал фотокөбейтуші түтіктердің бірін пайдаланып, сәулеленуге ұшыраған сцинтиллятордан шығатын жарық импульстарын дәл санау болды. Бұл Антуан Анри Беккерель және оның ішіндегідей бұрынғы зерттеушілердің жұмысына негізделген, ол 1896 жылы уран тұздарының фосфоресценциясын зерттеу барысында радиоактивтілікті ашқан. Бұрын сцинтилляция оқиғаларын көзбен, спинтарископ (қарапайым микроскоп) арқылы сцинтиллятордағы жарық импульстарын бақылап, еңбектеп анықтауға тура келген. Бірінші коммерциялық сұйық сцинтилляция санағышын Лайл Э. Паккард жасап, 1953 жылы Чикаго университетінің Аргонн қатерлі ісіктерді зерттеу ауруханасына сатты. Өндірістік модель, негізінен, in vivo және in vitro метаболизмді зерттеулерде қолданылатын тритий және көміртек-14 үшін арналған.
Операция
Иондаушы бөлшектер сцинтиллятор материалдарына енгенде, траектория бойында атомдар қозады. Зарядталған бөлшектер үшін траектория – бұл бөлшектің өзінің жолы. Гамма-сәулелері (зарядталмаған) үшін олардың энергиясы фотоэлектрлік эффект, Комптон шашырауы немесе жұптардың тууы арқылы энергетикалық электронға айналады. Сцинтиллятордағы атомдық деқозу химиясы көру спектрінің көк бөлігіне жақын көптеген төмен энергиялы фотондарды жасайды. Бұл сан иондаушы бөлшектің депонирленген энергиясына пропорционалды. Олар фотоэлектрлік эффекті арқылы әрбір келіп түскен фотон үшін ең көп дегенде бір электронды шығаратын фотокөбейтуші түтіктің фотокатодына бағытталуы мүмкін. Бұл топтағы бастапқы электрондар электростатикалық түрде үдетіліп, электрлік потенциал арқылы фокусқа келтіріледі, содан кейін түтіктің бірінші динодына шабуылдайды. Бір электронның динодқа шабуылы екінші динодқа үдетілетін бірнеше екінші электрондарды босатады. Әрбір келесі динодқа шабуыл одан әрі электрондарды босатады, сондықтан динодтың әрбір сатысында ток күшейткіш эффекті болады. Үдету өрісін қамтамасыз ету үшін әрбір сатыдағы потенциал алдыңғы сатыдан жоғары болады. Анодтағы нәтижелі шығыс сигналы – бұл сцинтиллятордағы бастапқы иондану оқиғасынан фотондардың әрбір тобы үшін өлшенетін импульс, ол бастапқы түсетін сәулеленудің энергиясы туралы ақпаратты сақтайды. Бұл сигнал энергия ақпаратын интегралдайтын заряд күшейткішіне берілгенде, сцинтилляторды қозатын бөлшектің энергиясына пропорционалды шығыс импульсі алынады. Бірлік уақыт ішіндегі мұндай импульстердің саны сәулеленудің қарқындылығы туралы да ақпарат береді. Кейбір қолданбаларда жеке импульстер саналмайды, керісінше, сәулелену қарқындылығын өлшеу үшін анодтағы орташа ток қолданылады. Сцинтиллятор сыртқы фотондар түсетін сәулеленудің иондану оқиғаларын басып кетпеуі үшін барлық қоршаған ортаның жарығынан қорғалған болуы керек. Бұл үшін алюминийленген миляр сияқты жұқа, мөлдір емес фольга жиі қолданылады, бірақ оның массасы өлшенетін түсетін сәулеленудің шамадан тыс әлсіреуін азайту үшін жеткілікті төмен болуы керек. Фотокөбейтуші түтік туралы мақалада түтіктің жұмыс істеуінің егжей-тегжейлі сипаттамасы берілген.
Анықтау материалдары
Сцинтиллятор мөлдір кристаллдан, әдетте фосфордан, пластиктен (көбінесе антрацен қамтитын) немесе органикалық сұйықтықтан (сұйық сцинтилляциялық санауға қараңыз) тұрады, ол иондаушы сәулеленуге түскен кезде люминесценция жасайды. Кристалл түріндегі цезий йодиді (CsI) протон және альфа бөлшектерін анықтау үшін сцинтиллятор ретінде қолданылады. Аз мөлшерде талий қосылған натрий йодиді (NaI) гамма сәулелерін анықтау үшін, ал мырыш сульфиді (ZnS) альфа бөлшектерін анықтау үшін кеңінен қолданылады. Мырыш сульфиді – Разерфордтың шашырату тәжірибесін жүргізу үшін қолданған материалы. Литий йодиді (LiI) нейтрон детекторларында қолданылады.
Гамма
Гамма сәулелерін анықтағыштың кванттық тиімділігі (көлем бірлігіне шаққанда) анықтағыштағы электрондардың тығыздығына байланысты. Натрий йодиді және висмут германаты сияқты кейбір сцинтилляциялық материалдар, құрамындағы кейбір элементтердің жоғары атомдық санының арқасында жоғары электрон тығыздығына жетеді. Дегенмен, жартылай өткізгіштерге негізделген, әсіресе гипертаза германийден жасалған анықтағыштар, сцинтилляторларға қарағанда жақсы ішкі энергия ажыратымдылығына ие және мүмкіндігі болған жағдайда гамма-сәулелік спектрометрия үшін осыларға басымдық беріледі.
Нейтрон
Нейтрондық детекторлардың жағдайында, сутегіге бай және нейтрондарды тиімді шашырататын сцинтилляциялық материалдарды қолдану арқылы жоғары тиімділікке қол жеткізіледі. Сұйық сцинтилляциялық санау машиналары бета-сәулеленуді сандық бағалаудың тиімді және практикалық тәсілі болып табылады.
Қолданбалар
Сцинтилляциялық есептегіштер радиацияны өлшеу үшін қолданылады, оның ішінде қолмен ұсталатын радиациялық зерттеу метрлері, персонал мен қоршаған ортаны радиоактивті ластанудан бақылау, медициналық бейнелеу, радиометриялық анализ, ядролық қауіпсіздік және ядролық объектілердің қауіпсіздігі сияқты түрлі салаларда қолданылады. Көлік кезінде ықтимал қауіпті гамма-сәуле шығаратын материалдарды анықтау үшін сцинтилляциялық есептегіштерді пайдаланатын бірнеше өнімдер нарыққа ұсынылды. Бұған жүк терминалдары, шекаралық қауіпсіздік, порттар, салмақ өлшеу станциялары, металл шығындарын қабылдау орындары және ядролық қалдықтардың ластануын бақылауға арналған сцинтилляциялық есептегіштер кіреді. Қауіпсіздік жағдайында, "кір заттар" немесе радиоактивті қалдықтардан туындаған төтенше жағдайларда жылдам әрекет ету үшін пикап жүк көліктері мен тікұшақтарға орнатылған сцинтилляциялық есептегіштердің түрлері де бар. Сондай-ақ, қолмен ұсталатын құрылғылар да кеңінен қолданылады.
Қолмен ұсталатын құрылғыны таңдау бойынша нұсқаулар
Ұлыбританияда Денсаулық және қауіпсіздік жөніндегі атқарушы орган (HSE) нақты қолданыс үшін дұрыс радиация өлшеу құралын таңдау бойынша пайдаланушыға арналған нұсқаулық жариялады. Бұл барлық радиациялық құралдар технологияларын қамтиды және сцинтилляциялық детекторларды қолдану туралы салыстырмалы анықтама ретінде пайдалы болады.
Альфа және бета ластануы
Радиоактивті ластануды бақылауға арналған мониторлар, аумақтық немесе жеке тексерулер үшін, бақыланатын беттерді тиімді және жылдам қамтуды қамтамасыз ету үшін үлкен анықтау аймағын қажет етеді. Осы мақсатқа үлкен терезесі және интеграцияланған фотокөбейтуші түтікшесі бар жұқа сцинтиллятор өте ыңғайлы. Олар персонал мен қоршаған ортаның радиоактивті ластануын бақылау саласында кеңінен қолданылады. Детекторлар қолданылуына қарай бір немесе екі сцинтилляциялық материалмен жабдықталады. "Жалғыз фосфорлы" детекторлар альфа немесе бета сәулесін анықтау үшін, ал "қос фосфорлы" детекторлар оларды екеуін де анықтау үшін қолданылады. Мырыш сульфиді сияқты сцинтиллятор альфа бөлшектерін анықтау үшін, ал пластикалық сцинтилляторлар бета бөлшектерін анықтау үшін қолданылады. Пайда болған сцинтилляция энергиясын ажырату арқасында альфа және бета сәулесінің мөлшерін бір детектормен бөлек өлшеуге болады. Бұл техника қолмен ұсталатын және бекітілген бақылау құралдарында қолданылады, және мұндай құралдар газ пропорционалды детекторымен салыстырғанда салыстырмалы түрде арзан.
Гамма
Гамма сәулеленуінің деңгейін өлшеу үшін сцинтилляциялық материалдар пайдаланылады, бірақ ластануды анықтау үшін басқа құрылым қолданылады, себебі жұқа терезе қажет емес.
Спектрометр ретінде
Сцинтилляторлар көбінесе жоғары энергиялы сәулеленудің бір фотонын төмен энергиялы фотондардың көп санына айналдырады, мұнда кіріс энергиясының мегаэлектронвольтына шамамен тұрақты фотондар саны тиесілі болады. Рентген сәулесінен немесе гамма-фотоннан туындаған фотондардың санын (жарықтың қарқындылығын) өлшеу арқылы бастапқы фотонның энергиясын анықтау мүмкін. Спектрометрге сәйкес сцинтиллятор кристаллы, фотокөбейтуші түтік және фотокөбейтуші түтік шығарған импульстардың биіктігін өлшейтін схема кіреді. Импульстар саналып, биіктігі бойынша сұрыпталады, бұл түсетін сәулеленудің энергия спектрін шамамен көрсететін, кейбір қосымша артефактілермен бірге, сцинтиллятордың жарқырау қарқындылығының x-y графигін құрайды. Монохроматикалық гамма сәулеленуі өзінің энергиясында фотопик тудырады. Детектор төменгі энергияда Комптон шашырауынан туындаған жауапты, фотопиктен 0,511 және 1,022 МэВ төмен екі кішірек қашып кету шыңдарын (бір немесе екі жойылған фотон қашып кеткенде электрон-позитрон жұптарының пайда болуына байланысты) және кері шашырау шыңын көрсетеді. Егер екі немесе одан көп фотон детекторға дерлік бір уақытта (деректерді жинау тізбегінің уақыт шешімі шегінде) түсетін болса, жоғары энергияларды өлшеуге болады, олар екі немесе одан көп фотопиктердің қосындысына дейінгі энергиялармен жиынтық шыңдар түрінде пайда болады.