Eficiența conversiei fizice a scintilatorului (sau puterea de ieșire) este raportul dintre energia flarei de lumină Es și energia particulei încărcate En, absorbită în volumul scintilatorului:
unde Nφ este numărul total de fotoni formați în volumul scintilatorului printr-o particulă încărcată; h nсv este energia medie a unui foton de scintilație.
Eficiența de conversie mai mare de scintilator, cu atât mai mare proporția de energie particule încărcate este convertită în lumină intermitentă, astfel încât, în consecință, o mai mare amplitudinea semnalului la unul și același detector de energie pierdută.
Eficiența de conversie a scintilatorului servește ca măsură a proprietăților sale spectrometrice. Scintilatorii pot fi comparați cantitativ unul cu altul în ceea ce privește eficiența conversiei. În acest caz, eficiența conversiei NaI (Tl) este considerată convențional ca unitate. Astfel, eficiența relativă de conversie a CsI (Tl) este
Energia medie este ωφ. consumată de o particulă încărcată pentru a forma un foton de scintilație este determinată de relație
Valorile lui h ∇cv și ωф pentru unele tipuri de scintilații sunt prezentate în Tabelul 1. Împreună cu conceptul de eficiență a conversiei fizice, se introduce valoarea eficienței de conversie tehnică:
unde f este un coeficient care ia în considerare fracțiunea de fotoni care au lovit fotomultiplicatorul fotomultiplicatorului din numărul total de fotoni Nf. formată de particulă în scintilator. Având în vedere raporturile înregistrate, amplitudinea impulsului la ieșirea fotomultiplicatorului, exprimată în termeni de număr de electroni, este:
unde M este câștigul fotomultiplicatorului; - randamentul cuantic al catodului fotomultiplicator, care este egală cu probabilitatea fotonului extrage un electron din fotocatod. Presupunând că toți coeficienții din formula (4) de legătură cu amplitudinea energiei absorbite nu este dependentă de energia și particulele din pierderile energetice specifice de ionizare, amplitudinea pulsului la ieșirea PMT este proporțională cu energia absorbită. Cu alte cuvinte, detectorul de scintilație are proprietatea proporționalității.
Cu toate acestea, se pare că eficiența de conversie fizică, strict vorbind, nu este constantă și depinde de energia de ionizare specifică a pierderii de particule. De exemplu, într-un cristal NaI (Tl), amplitudinea semnalului de electroni aproximativ de două ori amplitudinea particulelor alfa ale aceleiași energii. Dependența de semnalul coeficientului pierderilor de energie de ionizare caracterizat (vezi. Tabelul. 1). Acest raport reprezintă raportul eficienței conversiei fizice sub iradiere scintilatorul cu particule alfa și electroni, sau aceeași energie, care este același în acest caz, raportul dintre amplitudinile semnalelor la ieșire fotomultiplicator:
Astfel, detectorul de scintilație este proporțional cu particulele de același tip, iar coeficientul de proporționalitate depinde de tipul particulelor care trebuie detectate.
Timpul de intermitere a scintilatorului este denumit de obicei timpul în care intensitatea luminiscenței este dnf / dt. și anume Numărul de fotoni într-o bliț de scintilație pe unitate de timp scade cu un factor de e. Dacă, de exemplu, numărul total de fotoni într-un flare este Nf. iar intensitatea flarei scade exponențial, atunci
Eficacitatea de detecție a radiațiilor este înțeleasă ca probabilitatea cu care o particulă poate fi detectată de către un detector, adică acesta este raportul dintre numărul de particule înregistrate și numărul de particule capturate în scintilator:
η
Unul dintre principalele avantaje ale detectoarelor de scintilație în fața altor tipuri de detectoare este eficiența ridicată a detectării emisiilor neutre (quanta gamma și neutroni). După cum se știe, interacțiunea acestei radiații cu materia conduce la formarea particulelor încărcate, care sunt apoi detectate de către detector. Astfel, eficiența înregistrării quanților gamma și a neutronilor va fi determinată de probabilitatea interacțiunii lor cu materialul detectorului. Pentru quanta gamma, eficiența înregistrării în geometria unui fascicul îngust poate fi estimată ca:
unde este coeficientul de absorbție liniară totală al quanta gamma; x este grosimea scintilatorului. Valoarea eficienței înregistrării depinde de numărul atomic efectiv al absorbantului
Clasificarea scintilatoarelor poate fi efectuată pe diverse motive. Cea mai clar distinctă după caracteristicile sale sunt două mari grupuri: organice și anorganice.
Scintilatorii organici sunt caracterizați prin numere atomice relativ mici (
6) și densitate scăzută (
1 ÷ 2 g / cm3). Scintilatorii organici au o rezoluție de timp bună (10 -9 - 10 -7 s). Eficacitatea detecției de raze gama de către astfel de scintilatori este mică, astfel încât acestea sunt utilizate cel mai adesea pentru a detecta particulele încărcate. Scintilații organici includ cristale organice, soluții lichide și solide de substanțe scintilative în monomeri și polimeri, precum și gaze organice.
Scintilatoarele anorganice se caracterizează prin numere atomice mari (
25 50) și înaltă densitate (
4 g / cm3). Eficiența detectării radiației gamma de către astfel de detectori este ridicată. Rezoluția temporală este mai slabă comparativ cu scintilatorii organici (
Prin Scintilatorii anorganici includ halogenuri alcaline, sulfura de zinc și oxid de Scintilatorii și Scintilatorii pe bază de gaze nobile (lichide, solide și gazoase).
Într-un experiment fizic, detectorii de scintilație sunt utilizați cel mai adesea pentru spectrometria radiațiilor ionizante, în special a radiației gamma. Spectrometria cu raze gama se realizează prin măsurarea energiei electronilor secundari produsi de interacțiunea quanta gamma cu materialul scintilator.
După cum se știe, quanta-ul gamma, care trece printr-o substanță, interacționează cu acesta datorită unuia dintre cele trei procese: efectul fotoelectric, efectul Compton și formarea de perechi. Probabilitatea acestor procese depinde esențial atât de energia quanta gamma, cât și de proprietățile substanței cu care interacționează aceste quanta gamma.
În procesul de efect de fotografie al energiei gamma cuantic Eγ trage de atomi unul din interior (K. L. M. ...) cheltuielile electroni astfel energie egală cu energia de legătură a electronului corespunzătoare (CE, EL, EM, ...), care se ridică la câteva zeci de keV. Energia rămasă este transformată în energia cinetică a fotoelectronului, EFe:
În dispersia Compton, un quantum gamma transferă un electron al unui atom doar o parte din energia sa. În acest caz, energia Compton electron Eka este legată de energia gamma cuantică Е de relația:
unde θ este unghiul de emisie al quantului gamma împrăștiat în raport cu direcția de mișcare a quantului gamma primar; m0c2 = 0.511 MeV este masa de odihnă a electronului.
In procesul unei perechi sunt două particule - electroni și pozitroni, care, pentru formarea de energie trebuie consumate 2 m0c2 = 1,022 MeV. Energia rămasă din raze gamma este transformată în energie cinetică a electronilor și pozitroni, și, de asemenea, transmise readucere nucleului sau ricosare electroni, care, în procesul de formare poate să apară perechea.
Fig.2 exemplar prezintă distribuția amplitudinilor impulsurilor electronilor secundari într-un tip de detector cu scintilație NaI (Tl) la înregistrarea fotonilor în acesta monoenergetic cu o energie de 0,5 MeV.
Vârful din regiunea 1, care este numit de obicei vârful de absorbție maxim, se datorează două procese de interacțiune a quanta gamma cu materialul scintilator.
Fig.2. Distribuția pulsurilor prin amplitudini în detecția quanta gamma cu Eγ = 0,5 MeV
În primul rând, evenimentele legate de absorbția de quanta gamma datorită efectului fotoelectric se încadrează în regiunea vârfului. Este cunoscut faptul că efectul fotoelectric este însoțit de radiația caracteristică care apar la tranzițiile electronilor pentru vacante în cochiliile de electroni de atomi (K. L. M, ...), sau formarea de electroni Auger în transferul de energie atom excitat la unul dintre electronii cochiliei exterioare.
Energia cinetică a electronilor Auger este practic egală cu energia de legare a electronului format în efectul fotoelectric.
Radiația caracteristică, la rândul său, este cel mai probabil absorbită în volumul scintilatorului datorită efectului fotoelectric la cochilii de electroni mai mari.
Astfel, indiferent în ce atom și orice coajă de electroni în scintilator pentru a absorbi gamma cuantică efect fotoelectric rezultă energia totală a electronilor secundari este egal Eγ energie gamma cuantice.
Al doilea proces, ceea ce contribuie la vârf de absorbție totală, este așa-numita multiple imprastierea Compton, ca rezultat al Compton-împrăștiată gamma-efect cuanta pierde complet energia în scintilatorul datorită scattering multiple și efectul fotoelectric ulterioare. În acest caz, energia totală a electronilor secundari este de asemenea egală cu energia quantumului gamma.
Prin urmare, este posibilă determinarea directă a energiei gamma-cuantice de la vârful absorbției totale.
Regiunea spectrului continuu situată în partea stângă a vârfului maxim de absorbție este asociată cu împrăștierea Comptoni a quantei gamma în volumul scintilatorului.
Se vede din (9) că energia maximă a electronilor Compton este întotdeauna mai mică decât energia unui quantum gamma și este egală cu:
În acest sens, este posibil să se elaboreze în principiu vârful absorbției totale, poziția maximului corespunzând energiei quantumului gamma.
Adesea, partea cu energie scăzută a distribuției Compton emit un vârf larg datorită împrăștierii de raze gamma la unghiuri apropiate de 180 ◦ din ferestrele fotomultiplicatori, pereții carcasei de protecție și a recipientului de sticlă fereastră, care este ambalat în scintilator. Acest vârf este numit vârf retrodifuzie (regiunea 2 din figura 2).
Trebuie remarcat faptul că forma distribuției reale a amplitudinii în partea Compton a spectrului este de obicei foarte diferită de cea calculată. Distribuția energetică calculată a electronilor Compton poate fi obținută din formula Klein-Nishina-Tamm [1, p.43-44]. În figura 2, pentru comparație, linia punctată arată distribuția calculată a electronilor Compton pentru E = 0,5 MeV.
Regiunea 3 a spectrului din figura 2 este asociată cu înregistrarea impulsurilor de zgomot PMU având o amplitudine mică.
Amplitudinile puls tip de distribuție în timpul înregistrării cuante de raze gamma depinde în mare măsură detector cu scintilație de tip scintilator (anorganic sau organic), dimensiunile sale geometrice, precum și condițiile de iradiere. De exemplu, într-un cristal de dimensiuni mari datorită multiple împrăștierii Compton se observă o inhibare semnificativă a continuumului electronilor Compton, și o creștere corespunzătoare a intensității vârfului corespunzător totale gamma cuanta de energie de absorbție.
Precizia de măsurare a compoziției spectrale a radiației ionizante și capacitatea de a separa liniile electrice de înregistrare spațiate strâns este determinată de rezoluția energetică a detectorului de scintilație. Rezoluția energetică relativă a detectorului de scintilație δ este egală cu
La înregistrarea unui detector cu scintilație de raze gamma la energii de până la 2 MeV 1,5 ÷ dependență de rezoluția energetică relativă a energiei fotonice poate fi descrisă destul de exact de relația
Valoarea B depinde în mod esențial de calitatea fabricării fotomultiplicatorul, în special cu privire la modul fotocatodul aceleași proprietăți în puncte diferite, ca o colectare eficientă a electronilor de pe primul dynode, este calitatea și uniformitatea colecției luminii în scintilator, contactul optic cu fotomultiplicatorul etc. C1 Valoarea este determinată în principal de numărul de fotoni de scintilație generate și pierderile lor în scintilator, fotocatodul, în timpul colectării primului dynode al fotomultiplicatorul. Pentru cele mai bune cu detector de scintilație NaI cristal (Tl) valoarea C1 poate ajunge la 1,510 -3 MeV, iar valoarea B 2
2, 10-4. Cu astfel de valori de C1 și B2, rezoluția relativă a energiei δ pentru quanta gamma cu o energie de 1 MeV este aproximativ egală cu 4,5%.
În regiunea energiilor gamma-cuante mari, emisia din cristal devine semnificativă, adică scintilatorul în afara suprafeței cristalului depășește limitele scintillatorului. Aceasta duce la apariția unor impulsuri cu amplitudini mai mici și o deteriorare a rezoluției energetice.
Atunci când se utilizează scintilatori organici, care de obicei au un număr mic atomic mediu (
6), fotopicul este practic absent, deoarece secțiunea transversală a efectului fotoelectric pentru quanta gamma depinde de Z. ca
Trimiteți-le prietenilor: