Detectoare de scintilație lichidă

Sir William Crookes

Scintilatoarele sunt substanțe speciale care au capacitatea de a emite lumină atunci când absoarbe radiații ionizante, cum ar fi, de exemplu, quanta gamma. Spre deosebire de, de exemplu, luminiscența, excitația se datorează ionizării și nu datorită acțiunii mecanice. Și în principiu blițul de lumină apare rapid, sub forma unei blitz instantanee pentru ochi. O altă caracteristică a scintilatorilor este aceea că cantitatea de fotoni emise pentru un anumit tip de radiație are o dependență apropiată de proporția de energia absorbită a radiației. Prin urmare, este posibilă separarea spectrului de energie al radiației de energia izbucnirilor.

Aceste trăsături ale scintilatoarelor au făcut posibilă utilizarea acestora ca bază pentru o clasă comună de detectoare în care o particulă provoacă scintilație, iar detectorul de lumină înregistrează flare însuși și energia sa.
Primii detectori de scintilație au apărut în 1903 datorită fizicianului englez Crookes. El a arătat că, dacă luăm în calcul un ecran de sulfură de zinc iradiat cu particule alfa printr-o lupă într-o cameră întunecată, atunci se poate observa apariția unor blituri individuale de scurtă durată ale scintilațiilor de lumină. Sa constatat că fiecare dintre aceste scintilații este creată separat # 945; - particulă care lovește ecranul. Crooks a construit un dispozitiv simplu, numit spinneriscope Crookes, destinat pentru numărare # 945; - particule (aici, respectiv, detectorul de lumină a fost experimentatorul însuși). Cu ajutorul acestei tehnologii simple, a fost realizată experiența epocală a lui Rutherford în împrăștierea particulelor alfa pe nucleele de aur.
În prezent, fotomultiplicatoarele sunt folosite ca detectori de lumină - multiplicatori fotoelectrici și, de asemenea, recent, diode emise de lumină.

AVANTAJE ȘI DEZVANTAJE A SCINTILLATORILOR

Primul avantaj al scintilatorilor este prețul. Din punct de vedere tehnologic, detectoarele de scintilație sunt destul de simple și, ca rezultat, sunt ieftine. Acest lucru le permite să fie utilizate oriunde este nevoie de un număr mare de detectoare, decât de calitatea lor (de exemplu, după cum se va vorbi mai târziu în detectoarele de neutrino și în diferite calorimetre). În al doilea rând, acești detectoare ne permit să determinăm energia pierdută de o particulă într-o deschidere într-un mediu de scintilator. Nu măsoară impulsul și nu se coordonează (deoarece fotomultiplicatorii sunt foarte sensibili la câmpurile magnetice și electrice necesare pentru această măsurare). Fracțiunea din energia particulei detectate, transformată în energia unui blitz de lumină, se numește ieșirea luminii. De exemplu, randamentul de lumină al antracenului este de aproximativ 0,05, ceea ce înseamnă aproximativ 1 foton la 50 eV pentru particule de energie înaltă. Ieșirea de lumină NaI utilizată frecvent este de aproximativ 0,1 sau 1 foton la 25 eV. Producția de lumină a acestui scintilator este comparată cu puterea luminii antracenului, care este utilizată ca standard.
Cu toate acestea, un dezavantaj este acela că această Scintilatorii energie foarte determinat suficient inexacte (în comparație cu contoarele proporționale și detectoarele în stare solidă). Aceasta afectează doar o mulțime de factori: natura statistică a scintilație, proasta funcționare a PMT, precum și caracteristicile specifice ale scintilatorul asociate cu persistența (fluorescent după scintilații, care este dificil de a determina energia următoarei particule și este asociată cu luminiscență, dar în diferite materiale de natura sa este diferită ), precum și cu tipul de spectru al scintilatorului. Acest lucru conduce la faptul că scintilatoarele nu pot fi folosite ca detectori de precizie.
Scintilatorii au un timp mort de ordinul microsecundelor sau zeci de nanosecunde. Acest lucru poate fi atribuit mai degrabă avantajelor unui scintilator, deoarece, ca detector de centru, camerele de ionizare și multe alte detectoare au un timp mort mai lung.
Dezavantajele scintilatorilor sunt, de asemenea, dificultatea de a opera o parte din ele. Atât de mulți scintilatori sunt hidroscopici, și prin umezire (sau absorbția de vapori de apă din aer), acestea încetează să strălucească. Altele necesită o temperatură scăzută. Cu toate acestea, aceasta este o problemă pentru majoritatea detectoarelor și doar în acest sens detectorii de scintilator sunt mai puțin capricioși decât alții, care necesită adesea o temperatură scăzută și un vid înalt.
De asemenea, determinarea energiei particulelor într-un scintilator împiedică particulele diferite să-și piardă energia în moduri diferite și să aibă o ieșire diferită a luminii. Așa-numitul factor de stingere reflectă cât de puțin fotoni vor produce particule grele în comparație cu plămânii.

TIPURI DE SCINTILLATOR

MECANISMUL DE SCINTILARE

În general, mecanismul de scintilații constă în faptul că excitația creată de particulele zburătoare ajunge mai întâi la un anumit mediu non-radiant și abia apoi ajunge într-un anumit centru radiant. În general, poate fi absorbită și de materialul de scindare injectat, care re-emite lumina la lungimea de undă pe care fotomultiplicatorul o adoptă mai bine. În cristalele anorganice, transferul de excitație a atomilor de zăbrele este asigurat de un mecanism de gaură-particule, iar centrele radiante sunt impurități în cristal. În scintilatoarele organice, nu nivelurile zonale ale întregii substanțe sunt excitate, dar nivelurile moleculare ale atomilor individuali, iar transferul este efectuat prin re-emisie. Să analizăm acest lucru în detaliu.






În scintilații organici, sub influența radiației detectate, molecula trece într-o stare electronică excitată. Este, de asemenea, posibilă ionizarea și disocierea moleculelor (aceasta duce la îmbătrânirea scintilatorului).

Randamentul luminii al dependenței de concentrația substanței scintilative

Ca rezultat al recombinării a moleculei ionizat, de obicei este format într-o stare excitată. Inițial, molecula excitat poate fi la un nivel ridicat de excitație într-un timp scurt si emite un foton de mare energie. Acest foton este absorbit de o altă moleculă în care o parte din energia de excitație a moleculei poate fi utilizată până la mișcarea termică și foton emis ulterior, va avea deja o energie mai mică decât anterior. Și așa va fi până când toată energia reradierii va intra în energia termică. Dar în scintilatori există câteva mici (de ordinul a câtorva procente) de adăugare a unei alte substanțe, astfel încât să poată fi excitată de fotonul re-emis de substanța principală și apoi să emită o altă frecvență. Scintilatorul strălucește datorită lui. Particularitatea constă în faptul că, atunci când o cantitate mică de randamentul materialului scânteietoare este scăzut, datorită faptului că vor exista șanse mici de excitație moleculelor sale, iar pentru mare va fi mic, datorită faptului că radiația va fi reabsorbite și energia va intra în mișcarea termică.
De asemenea, scintilații organici radiază în principal în domeniul ultra-violet. Pentru a face scintilatorul luminos în gama optică, o substanță specială este introdusă, după cum sa spus, un scrambler care absoarbe radiațiile ultraviolete și reradiată la lungimea de undă necesară. De exemplu, se utilizează oxazolil benzen - POPOR.

DIAGRAMUL PRINCIPAL AL ​​DETECTORULUI

În principiu, detectorul este alcătuit din două părți: un container cu un scintilator și un detector de lumină. Containerul trebuie înconjurat de oglinzi bine reflectate. Fotomultiplicatorul trebuie să fie în mod necesar protejat de câmpurile magnetice, la care este sensibil. Ar trebui să fie localizat astfel încât citirile să nu depindă de locul exact în care a apărut blițul în rezervor. De asemenea, întreaga structură ar trebui să fie umbrite din surse de lumină străine.

CARACTERISTICILE SCINTILATORILOR LICHIDE

Scintilatoarele lichide sunt soluții ale unei substanțe scintilative în unele lichide organice. Caracteristicile lor, cum ar fi scintilatoarele organice, sunt un timp mic care clipește (de ordinul zecilor de nanosecunde) și o eficiență scăzută, chiar și în comparație cu cristalele organice. Mecanismul de excitație este descris mai sus pentru toate scintilatoarele organice.
Acești scintilatori, datorită faptului că este lichid, au sfere unice de aplicare. Mai întâi, în scintilația lichidă, aditivii sensibili la un anumit tip de radiație pot fi introduși fără probleme. De exemplu, la neutroni (în acest scop, se introduc izotopii care sunt fissionabili în urma reacției cu neutronul). În al doilea rând, scintilatoarele de lichide pot fi făcute din orice volum. Ele pot fi literalmente turnate în recipiente gigantice pentru a detecta în mod fiabil particulele care sunt slab reactive cu materia (de exemplu, neutrinii). În mod similar, ele pot fi realizate în orice formă pe care experimentul o cere. Pentru a face acest lucru, capacitatea de scintilație a fotomultiplicatorului trebuie să fie localizată corespunzător în orice capacitate necesară volumului și formei.
Astfel, scintilațiile lichide sunt calitativ diferite de celelalte. În timp ce scintilatoarele solide sunt deja gata și mai des decât foarte mari (cu excepția celor din plastic), detectorii, puteți aduna literalmente de la un detector de scintilație lichid pentru o anumită sarcină.
Diferite particule sunt înregistrate în ssyntiltulyah lichid diferit. Electronii sunt înregistrați în mod fiabil în orice detector de scintilație. Particularitatea scintilatoarelor organice și lichide, printre altele, este că ei detectează mai bine electronii cu consum redus de energie și cei mai slabi de energie. Ionii, protonii și particulele alfa nu sunt înregistrate perfect. În primul rând, din cauza efectelor puternice de ionizare, și în al doilea rând, din cauza masei mari. Aceasta conduce, în primul rând, la o scădere a producției de lumină la energii joase și, în al doilea rând, la faptul că spectrul de particule ușoare și grele este diferit. În particulele grele, scârțâitul este, de obicei, mai puternic la scintilație.
Neutronii nu interacționează electromagnetic cu materia. Prin urmare, pentru a le înregistra, este necesar ca neutronul să interacționeze cu protonul. Prin ele însele, detectoarele organice pot înregistra neutronii rapizi, grație hidrogenului din compoziția lor. Pentru a înregistra neutronii lenți, de exemplu, este posibil să introduceți 6 Li sau 10 B. Acești izotopi au o secțiune transversală ridicată a unui neutron lent. Cu un scintilator de lichid acest lucru se face fără dificultate.
În cele din urmă, quanta gamma necesită o greutate atomică mare, care nu este prezentă în scintilația lichidă, sau un volum mare de ceea ce este. Și pentru a înregistra neutrinii, ei nu au deloc concurenți, deoarece aici, în primul rând, volumul materiei este important.

EXEMPLE DE SCINTILLATORI LICHIDE

Un exemplu sunt amestecurile cum ar fi o soluție de p-terfenil (C18H14) în xilen (C6H4 (CH3) 2) cu adăugarea codului POPOP. Acest lucru este folosit adesea scintilator anterior. La o concentrație de p-terfinil 5 g / l, densitatea sa: 0,86 g / cm3. Luminozitatea maximă este la 350 nm. Timp de aprindere: 2 ns. Luminozitatea relativă la NaJ: 0,25, față de antracen, respectiv: 0,5. Alți solvenți utilizați frecvent sunt: ​​toluen, fenil-ciclo-oxan și PXE (feniloxililetan). Substanțe scintilative: difeniloxazol (PPO) și detrafenilbutadienă (PBD).

Acum, există mai multe tipuri de scintilatori și de multe ori producătorul le numește propriul nume. Cu toate acestea, o caracteristică a scintilațiilor lichide este că experimenterul poate amesteca substanța dorită pentru detector cu ingredientele achiziționate. Faceți același lucru cu cristalele, evident că nu funcționați.

SCURTAREA SCINTILĂRII LICHIDE

DETECTOARE NEUTRINICE

Poate că una dintre cele mai interesante aplicații ale scintilațiilor lichide este utilizarea lor ca detectoare de neutrino. Linia de jos este că neutrinul interacționează prost cu materia. Are nevoie de un volum mare de detector pentru o înregistrare fiabilă. Cu toate acestea, în acest caz, problema constă în înregistrarea reală a interacțiunii în sine. Una dintre soluții este utilizarea unor detectori giganți de scintilație lichidă. În acest caz, produsele de reacție pot fi ușor urmărite prin scintilații și prin compararea rezultatelor multor PMT este posibil să se determine locul de reacție.

Un astfel de detector este un KamLAND celebru (Kamioka lichid scintilator Anti-Neutrino Detector) - acesta este un detector de neutrini mare pe insula Honshu din Japonia. 12 instituții din SUA și Japonia participă la experiment. Acest detector a fost primul care a primit dovezi convingătoare despre oscilațiile neutrinilor.
Ideea experimentului a fost de a compara rezultatul măsurărilor fluxului antineutrino cu KamLAND și fluxul antineutrino calculat cu precizie din reactoarele Coreei și Japoniei. Detectorul principal de instalare cuprinde o kilotone de scintilator lichid în sfera de nailon transparent, cu un diametru de 13 m (Trebuie să spun că acum există mai multe proiecte la scară largă cu 18-Tew kilotone scintillator). Scintilatorul constă dintr-o soluție de una până la patru pseudocumene în dodecan cu un mic aditiv de difeniloxazol, care îmbunătățește caracteristicile de scintilație. Pe suprafața interioară a sferei de oțel sunt 1879 fotomultiplicatori de două tipuri (diametru 17 și 20 inci). Momentul de funcționare a fiecărui PMT este urmărită la termen de aproximativ 3,5 ns, care permite nu numai pentru a măsura energia evenimentului, dar, de asemenea, pentru a restabili poziția de flash-uri de scintilație. Rezultatul acestui experiment a fost înregistrarea 150 zile 54 antineutrini, în timp ce numărul estimat a fost 86. Prezența deficitului în antineutrino fluxului indică existența unor oscilații antineutrino, adică, tranziția antineutrinelor electronice la antineutrinos de alte tipuri, muonic sau tau.

CONCLUZIE

Scintilatoarele lichide sunt un instrument unic, ieftin și convenabil pentru înregistrarea tuturor tipurilor de particule. Domeniile de aplicare de mai sus demonstrează clar că nu înlocuiesc scintilatoarele lichide. Și în experimentele de detectare a neutrinilor, acești detectoare par a avea un viitor mare.

Articole similare

• Sticla lichida pentru impermeabilizare, dezavantaje, pret

• Cum funcționează sticla lichidă pentru a curăța vasele

• Detector de milionar recenzii program

Trimiteți-le prietenilor: