Введение
Счетчик сцинтилляции – это прибор для обнаружения и измерения ионизирующего излучения, основанный на использовании эффекта возбуждения сцинтиллирующего материала под воздействием падающего излучения и регистрации возникающих световых импульсов. Он состоит из сцинтиллятора, генерирующего фотоны в ответ на падающее излучение, чувствительного фотодетектора (обычно фотоумножительной трубки (ФЭТ), камеры с зарядовой связью (CCD) или фотодиода), преобразующего свет в электрический сигнал, и электроники для обработки этого сигнала. Сцинтилляционные счетчики широко применяются в радиационной защите, анализе радиоактивных веществ и физических исследованиях благодаря их относительно низкой стоимости, хорошей квантовой эффективности и возможности измерения как интенсивности, так и энергии падающего излучения.
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.
История
Первый электронный счетчик сцинтилляции был изобретен в 1944 году сэром Сэмюэлем Курраном во время работы над Манхэттенским проектом в Калифорнийском университете в Беркли. Возникла необходимость измерять излучение от небольших количеств урана, и его инновацией стало использование одной из недавно появившихся высокочувствительных фотоэлектронных умножителей, произведенных Radio Corporation of America, для точного подсчета вспышек света от сцинтиллятора, облучаемого радиацией. Это стало развитием работ более ранних исследователей, таких как Антуан Анри Беккерель, который открыл радиоактивность, изучая фосфоресценцию солей урана в 1896 году. Ранее сцинтилляционные события приходилось кропотливо обнаруживать визуально, используя спиннтарископ (простой микроскоп) для наблюдения за световыми вспышками в сцинтилляторе. Первый коммерческий жидкостный сцинтилляционный счетчик был создан Лайлом Э. Паккардом и продан в Аргоннскую больницу онкологических исследований при Чикагском университете в 1953 году. Производственная модель была специально разработана для трития и углерода-14, которые использовались в метаболических исследованиях in vivo и in vitro.
Операция
Когда ионизирующая частица проникает в материал сцинтиллятора, атомы возбуждаются вдоль своего следа. Для заряженных частиц следом является путь самой частицы. Для гамма-лучей (не имеющих заряда) их энергия преобразуется в энергичный электрон посредством фотоэффекта, рассеяния Комптона или образования электронно-позитронной пары. Химические процессы девозбуждения атомов в сцинтилляторе приводят к возникновению множества фотонов низкой энергии, обычно в синей области видимого спектра. Их количество пропорционально энергии, переданной ионизирующей частицей. Эти фотоны направляются на фотокатод фотоумножительной трубки, которая, благодаря фотоэффекту, испускает не более одного электрона на каждый поступивший фотон. Эта группа первичных электронов электростатически ускоряется и фокусируется электрическим потенциалом, чтобы достичь первого динода трубки. Удар одного электрона о динод высвобождает несколько вторичных электронов, которые, в свою очередь, ускоряются и ударяют о второй динод. Каждый последующий удар о динод высвобождает еще больше электронов, обеспечивая эффект усиления тока на каждом каскаде. Каждый каскад имеет более высокий потенциал, чем предыдущий, для создания ускоряющего поля. Результирующий выходной сигнал на аноде представляет собой измеримый импульс для каждой группы фотонов от исходного ионизирующего события в сцинтилляторе, достигших фотокатода, и несет информацию об энергии первоначального падающего излучения. При подаче на усилитель заряда, который интегрирует информацию об энергии, получается выходной импульс, пропорциональный энергии частицы, возбудившей сцинтиллятор. Число таких импульсов в единицу времени также дает информацию об интенсивности излучения. В некоторых приложениях отдельные импульсы не подсчитываются, а используется только средний ток на аноде как мера интенсивности излучения. Сцинтиллятор необходимо экранировать от окружающего света, чтобы внешние фотоны не маскировали ионизационные события, вызванные падающим излучением. Для этого часто используется тонкая непрозрачная фольга, например, алюминизированный майлар, однако ее масса должна быть достаточно мала, чтобы минимизировать излишнее ослабление измеряемого падающего излучения. Подробное описание работы фотоумножительной трубки приведено в соответствующей статье.
Материалы для обнаружения
Сцинтиллятор состоит из прозрачного кристалла, обычно фосфора, пластика (обычно содержащего антрацен) или органической жидкости (см. счет с помощью жидкой сцинтилляции), который флуоресцирует под воздействием ионизирующего излучения. Йодид цезия (CsI) в кристаллической форме используется в качестве сцинтиллятора для детектирования протонов и альфа-частиц. Йодид натрия (NaI), содержащий небольшое количество таллия, используется в качестве сцинтиллятора для детектирования гамма-волн, а сульфид цинка (ZnS) широко применяется в качестве детектора альфа-частиц. Именно сульфид цинка использовал Резерфорд для проведения своего эксперимента по рассеянию. Йодид лития (LiI) используется в нейтронных детекторах.
Гамма
Квантовая эффективность детектора гамма-лучей (на единицу объема) зависит от плотности электронов в детекторе, а некоторые сцинтилляционные материалы, такие как йодид натрия и германат висмута, достигают высокой плотности электронов благодаря высокому атомному номеру некоторых входящих в их состав элементов. Однако детекторы на основе полупроводников, особенно гиперчистый германий, обладают лучшим собственным энергетическим разрешением, чем сцинтилляторы, и предпочтительны, когда это возможно, для гамма-спектрометрии.
Нейтрон
В случае нейтронных детекторов, высокая эффективность достигается благодаря использованию богатых водородом сцинтилляционных материалов, эффективно рассеивающих нейтроны. Жидкостные сцинтилляционные счетчики являются эффективным и практичным способом количественной оценки бета-излучения.
Приложения
Сцинтилляционные счетчики используются для измерения радиации в самых разных областях, включая портативные приборы радиационного контроля, мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения, медицинскую визуализацию, радиометрический анализ, обеспечение ядерной безопасности и безопасность ядерных объектов. На рынок выведено несколько изделий, использующих сцинтилляционные счетчики для обнаружения потенциально опасных гамма-излучающих материалов при транспортировке. К ним относятся сцинтилляционные счетчики, предназначенные для грузовых терминалов, пограничного контроля, портов, пунктов взвешивания транспортных средств, пунктов приема металлолома и контроля загрязнения радиоактивных отходов. Существуют варианты сцинтилляционных счетчиков, монтируемых на грузовиках и вертолетах для оперативного реагирования в случае угрозы, связанной с "грязными бомбами" или радиоактивными отходами. Также широко используются портативные приборы.
Руководство по выбору для ручного использования
В Соединенном Королевстве Исполнительное агентство по охране здоровья и безопасности (HSE) опубликовало руководство для пользователей по выбору подходящего прибора для измерения радиации в зависимости от конкретной задачи. Руководство охватывает все технологии радиационного контроля и представляет собой полезное сравнительное пособие по применению сцинтилляционных детекторов.
Альфа- и бета-загрязнение
Мониторы радиоактивного загрязнения для контроля территорий или персонального обследования требуют большой площади обнаружения для обеспечения эффективного и быстрого охвата контролируемых поверхностей. Для этого идеально подходит тонкий сцинтиллятор с большой площадью окна и встроенной фотоэлектронной лампой (ФЭЛ). Они широко применяются в области мониторинга радиоактивного загрязнения персонала и окружающей среды. Детекторы могут быть изготовлены с одним или двумя сцинтилляционными материалами, в зависимости от области применения. "Однофосфорные" детекторы используются для регистрации альфа- или бета-частиц, а "двухфосфорные" – для регистрации обоих типов частиц. Для обнаружения альфа-частиц используется, например, сцинтиллятор на основе сульфида цинка, а для бета-частиц – пластиковые сцинтилляторы. Энергии, возникающие при сцинтилляции, могут быть разделены, что позволяет измерять количество альфа- и бета-частиц отдельно одним и тем же детектором. Эта техника применяется как в портативном, так и в стационарном измерительном оборудовании, и такие приборы относительно недороги по сравнению с газовыми пропорциональными счетчиками.
Гамма
Для измерения дозы гамма-излучения в окружающей среде используются сцинтилляционные материалы, однако для обнаружения загрязнений применяется другая конструкция, так как тонкое окно не требуется.
Как спектрометр
Сцинтилляторы часто преобразуют один фотон высокоэнергетического излучения в большое количество фотонов с более низкой энергией, при этом число фотонов на мегаэлектронвольт входной энергии остаётся относительно постоянным. Измеряя интенсивность вспышки (число фотонов, создаваемых рентгеновским или гамма-квантом), можно определить энергию исходного фотона. Спектрометр состоит из подходящего кристалла сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и схемы для измерения амплитуды импульсов, генерируемых фотоумножителем. Импульсы подсчитываются и сортируются по амплитуде, формируя график зависимости яркости вспышки сцинтиллятора от числа вспышек, который аппроксимирует энергетический спектр падающего излучения с некоторыми дополнительными артефактами. Монохроматическое гамма-излучение создает фотопик на своей энергии. Детектор также демонстрирует отклик на более низких энергиях, обусловленный комптоновским рассеянием, два меньших пика избежания на энергиях 0,511 и 1,022 МэВ ниже фотопика, возникающие при создании электронно-позитронных пар, когда один или оба фотона аннигиляции покидают детектор, и пик обратного рассеяния. Более высокие энергии могут быть измерены, когда два или более фотона попадают в детектор почти одновременно (наложение импульсов в пределах временного разрешения системы сбора данных), проявляясь в виде суммарных пиков с энергиями, равными сумме энергий двух или более фотопиков.