Файл: Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие.pdf

і і ы м и с ч е т ч и к а м и. Кроме сцинтиллятора, в состав сцинтилляционного счетчика входят фотоумножители, преобразующие световые импульсы в электрические сигналы.

В последнее время сцинтилляционные счетчики очень широко используются в экспериментальной технике. К их достоинствам от­ носится надежность в работе, чувствительность, малое разрешаю­ щее время (наносекунды). Сцинтилляторы хорошо обрабатываются. Им может быть придана любая форма и почти любой размер: от ку­ бических миллиметров до кубометров.

§ 1. Сцинтилляторы

Важнейшей характеристикой сцинтиллирующего вещества яв­ ляется отношение энергии, преобразующейся в свет, к полной энер­ гии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Эта доля

сцинтилляторов, применяемых в экспериментальной технике, ле­ жит в пределах от долей процента до десятков процентов.

Высокая конверсионная эффективность сама по себе не обеспе­ чивает возможности применять вещество в качестве сцинтиллятора. Необходимо, чтобы свет мог выйти из него наружу. Большая часть веществ оказывается непрозрачной для собственного излучения. Это легко понять, если принять во внимание, что энергия фотонов всегда равна разности энергий некоторых энергетических уровней. Фотоны, испущенные при возвращении атомов из возбужденного состояния в основное, резонансным образом поглощаются в веще­ стве, вызывая переходы других атомов из основного состояния в воз­ бужденное. Качество сцинтиллятора определяется поэтому не фи­ зическим, а т е х н и ч е с к и м в ы х о д о м , под которым пони­ мают отношение энергии, уносимой фотонами, вышедшими из ве­ щества, к энергии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Технический выход (или техническая эффективность) зависит от формы и размеров образца, состояния его поверхности, количества поглощающих свет примесей и т. д.

Существует три типа сцинтилляторов, механизмы высвечивания в которых различны. Это органические сцинтилляторы, неоргани­ ческие кристаллы и газы. Наиболее широкое применение получили органические сцинтилляторы и неорганические кристаллы.

Органические сцинтилляторы. Рассмотрим процесс возникнове­ ния световой вспышки в органическом сцинтилляторе. Прежде всего обратимся к органическим кристаллам.

В таких кристаллах связи между молекулами слабы и электрон­ ные энергетические уровни практически не возмущены. Разность энергий колебательных уровней заметно меньше энергии первого возбужденного электронного'состояния. Поэтому процесс излучения

в кристалле мало отличается от процесса излучения отдельной молекулы.

На рис. 321 изображены основной уровень молекулы а и ее пер­ вое возбужденное состояние б. Над каждым из этих уровней распо­

за короткий промежуток времени переходит на нижнее состояние

молекул мало. Поэтому самопоглощение света сцинтилляций оказывается незначительным. Рис. 321 поясняет, что при испуска­ нии и при поглощении света молекулами возникает не одна ли­ ния испускания или поглощения, а целые области, как это изобра­ жено на рис. 322. Из рис. 321 ясно, что эти области частично пере­ крываются. Чем меньше область перекрытия спектров (она на рис. 322 заштрихована), тем прозрачнее сцинтиллятор для собствен­ ного излучения.

Органические кристаллы имеют сравнительно высокую кон­ версионную и техническую эффективность, но на практике приме­ няются редко, главным образом из-за сложности изготовления. Существенно шире применяются сцинтиллирующие растворы, со­

614 ПРИЛОЖЕНИЯ

стоящие из твердого (чаще всего пластмассы) или жидкого раство­ рителя и сцинтиллпрующей добавки. Такие сцинтилляторы имеют в два-три раза меньшую конверсионную эффективность, чем орга­ нические кристаллы. Однако благодаря простоте изготовления дат­ чиков любого размера и формы и короткому времени высвечивания сцинтиллирующие пластмассы практически нацело вытеснили органические кристаллы.

Сщштиллирующий раствор состоит из растворителя и сцинтиллирующей добавки, которая подбирается так, чтобы уровень пер­ вого возбужденного состояния сцинтиллятора был ниже уровня

Благодаря малой концентрации сцинтиллирующей добавки раствор оказывается практически прозрачным для собственного из­ лучения. При увеличении концентрации сцинтиллятора техниче­ ская эффективность вначале растет пропорционально концентрации. Такой рост происходит пока самопоглощение света сцинтиллятором мало.

При дальнейшем увеличении концентрации сцинтиллирующей добавки техническая эффективность выходит на плато, а затем начинает уменьшаться. Поэтому для каждой пары растворитель — сцинтиллятор существует своя оптимальная концентрация.

Неорганические сцинтилляторы. При комнатной температуре чистые неорганические кристаллы не сцинтиллируют.

Как известно, в непроводящих чистых неорганических кристал­ лах электроны в основном состоянии расположены в так называемой валентной зоне А (рис. 323). Проходя через кристалл, заряженная частица переводит часть электронов из основного в возбужденное состояние — в так называемую зону проводимости В. При диффу­ зии в зоне проводимости электрон может оказаться вблизи свобод­ ного уровня валентной зоны, или, как говорят, — «дырки». Если происходит рекомбинация электронов с «дыркой», то излучаются световые кванты с энергией, определяемой шириной С запрещенной зоны кристалла. Этой же-шириной определяется и спектр погло­