В.Б. Лукьянов - Радиоактивные индикаторы в химии (1133872), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Энергия образования ионов (энергия ионизации) во многих полупроводниках невелика. Так, в германии и кремнии она составляет, соответственно, 3,5 и 2,8 эВ, что примерно в 10раз ниже, чем энергия ионизации в газе. Поэтому при полном поглощении излучения в полупроводниковом детекторе образуется значительно большее число носителей заряда, чем в газе, и ток, возникающий под действием приложенного напряжения, в полупроводниковом детекторе значительно выше, чем в газовом (при прочихравных условиях). Это обстоятельство особенно важно при определении энергии ядерного излучения. Носители заряда (электроны и дырки), возникающие в полупроводнике под действием излучения, обладают высокой подвижностью (во много раз превосходящей подвижность ионов в газе).
Поэтому время полного собирания носителей заряда в полупроводниковых детекторах очень мало (составляет около10~7 с), а их разрешающее время намного ниже, чем газовых детекторов. Таким образом, полупроводниковые детекторы можно использовать для регистрации высоких скоростей счета. Немаловажное доэтоинство полупроводниковых детекторов состоит в том, что они значительно компактнее газовых.
Связано это с тем, что пробеги ядерныхчастиц в твердом теле много короче, чем в газе.Для регистрации ядерных излучений применяют полупроводникис п—/?-переходом, т. е. содержащие слой, в котором соприкасаетсяполупроводник с электронным типом проводимости (/г-полупроводник)и полупроводник с дырочным типом проводимости (р-полупроводник).Отметим, что обычно в полупроводниковом материале п- и /7-проводимость обеспечивают за счет введения различных примесных атомов,являющихся, соответственно, донорами и акцепторами электронов.Под действием разности потенциалов, приложенной к электродам полупроводникового детектора, электроды и дырки, возникающие привзаимодействии излучения с рабочим материалом детектора, движутсячерез п—/7-переход к соответствующим электродам, и в цепи яозникаетэлектрический ток (этот ток отвечает току насыщения ионизационного детектора).
Прохождение тока через сопротивление R приводитк формированию импульса напряжения, который далее усиливаюти регистрируют.Смысл использования граничного слоя, отвечающего п—р-переходу,состоит в том, что он препятствует самопроизвольной диффузии электронов в р-зону, а дырок — в /г-зону полупроводника. Однако в каждом полупроводниковом детекторе через п —/^-переход протекает такназываемый темновой ток? появление которого связано с тепловымиколебаниями атомов.
Темновой ток вносит большой вклад в «шум»74полупроводникового детектора. Для того чтобы понизить темновойток, детектор охлаждают до низкой температуры (обычно — до температуры кипения жидкого азота). Охлаждение полупроводниковогодетектора необходимо и для того, чтобы замедлить диффузию примесных атомов, приводящую к «размазыванию» границы п—р-перехода и ухудшению рабочих характеристик детектора. Необходимостьохлаждения многих полупроводниковых детекторов является их существенным недостатком.
К тому же стоимость этих детекторов намного выше, чем рассмотренных в предыдущих разделах ионизационных газовых камер и счетчиков, и поэтому они применяются только для целей спектрометрии ядерных излучений (см. §5 этой главы).§ 3. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ1. Принципы конструкции регистрирующейсо сцинтилляционными детекторамиаппаратурыВ основе работы сцинтилляционного детектора лежит способностьнекоторых материалов — сцинтилляторов — преобразовывать энергию ядерных излучений в фотоны — кванты видимого или ультрафиолетового светового излучения.
Отдельная вспышка света, вызванная прохождением через сцинтиллятор ядерной частицы или -у-кванта,получила название сцинтилляции.В сцинтилляционных детекторах для подсчета сцинтилляций используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Использование ФЭУдает возможность провести регистрацию отдельных световых импульсов, вызванных прохождением через сцинтиллятор а- и ^-частицыили ^-кванта, в результате чего сцинтилляционные детекторы можноиспользовать в регистрирующих системах дифференциального типа.Детектор излучения в этом случае называют сцинтилляционным счетчиком. Блок-схема регистрирующего прибора со сцинтилляционнымсчетчиком дана на рис. 37.Кванты света (фотоны), возникающие в материале сцинтиллятора 1,попадают на фотокатод ФЭУ 4.
Для увеличения доли света, пере1 234Рис. 37. Блок-схема регистрирующего прибора со сцинтилляционным счетчиком:d\di — диноды; RA — анодная нагрузка; R\, . . . , Rb — сопротивленияделителя напряжения75даваемой от мест возникновения фотонов в сцинтилляторе к фотокатоду, сцинтиллятор окружают отражателем 2, изготовленным, например, из а-оксида алюминия. Для передачи фотонов от сцинтилляторана фотокатод в ряде случаев используют светопровод 5, выполненный,наирилхер, из плексигласа. Наличие светопровода обеспечивает болееравномерное распределение фотонов по всей площади фотокатода, чтоулучшает стабильность работы детектора. Роль фотокатода 4 выполняет полупрозрачный слой фоточувствительного вещества, нанесенныйс внутренней стороны на торец стеклянного баллона ФЭУ.
Внутрибаллона поддерживается высокий вакуум. Фотокатод должен бытьхорошим эмиттером электроноз. Таким свойством обладает сурьмянистый цезий Cs3Sb; его и используют обычно в качестве фоточувствительного вещества.Внутри ФЭУ между фотокатодом и анодом 5 расположены диноды di, d2, ds, ..., также покрытые слоем вещества с малой работойвыхода электронов.
Фотокатод, как правило, несет отрицательныйпотенциал относительно земли. Диноды и анод имеют положительныепотенциалы относительно фотокатода, причем потенциал каждогопоследующего динода в направлении от фотокатода к аноду болееположителен, чем потенциал предыдущего. Система динодов обеспечивает первичное усиление электрического импульса, который образуется в ФЭУ под действием вспышки света, возникающего в сцинтилляторе. Дальнейшее усиление импульса происходит в усилителе 6.Блок-схема регистрирующего прибора со сцинтилляционным счетчиком может включать дискриминатор 7.
Дискриминатор пропускаетчерез себя электрические импульсы, амплитуда которых соответствует порогу дискриминации, т. е. больше (или меньше) определенногонапряжения, установленного на этом приборе. Порог дискриминацииможно варьировать при помощи соответствующего переключателя.Прошедшие через дискриминатор импульсы попадают на электронныйблок регистрации <§. Источником высоковольтного постоянного напряжения, необходимого для работы ФЭУ, служит блок питания 9.2. Механизм регистрацииСзетозыг импульсы возникают в сцинтилляторе только под действием заряженных частиц. При регистрации ^-квантов возникновениесветового импульса обусловлено электронами, образующимися всцинтилляторе по механизму фотоэффекта (фотоэлектроны), комптоновского рассеяния (комптон-электроны) и образования пар электронпозитрон (см. гл.
1, § 2, 4).При движении через сцинтиллятор заряженная частица расходуетэнергию на ионизацию и возбуждение молекул и атомов окружающейсреды. Энергия ионизации и возбуждения далее частично превращаетсяв тестовую, а при наличии в кристаллической решетке дефектов (собственных или примесных) частично высвечивается в виде квантовэлектромагнитного излучения (фотонов). Для повышения дефектностисцинтилляционных кристаллов в них обычно вводят специальные добавки — активаторы.76Процесс испускания поглощенной веществом энергии путем эмиссии фотонов называется люминесценцией. Сцинтиллятор как детекторизлучения тем лучше, чем большую эффективность преобразованияэнергии ядерных частиц в фотоны он обеспечивает.
Для сцинтилляторов, обычно используемых в сцинтилляционных счетчиках, доля поглощенной энергии, преобразованной в световую, составляет от 0,2до 30%.Сцинтилляторы различаются между собой по длительности периода высвечивания фотонов.
Чем меньше длительность высвечивания,тем меньше разрешающее время сцинтилляционного счетчика. У обычно используемых сцинтилляторов время высвечивания составляетот 10~5 до "lO~9 с.Материал сцинтиллятора должен быть прозрачен к собственномуизлучению. Обычно не удается полностью избежать поглощения собственного светового излученияв сцинтилляторе (реабсорбции).Наличие реабсорбции ограничивает максимальные размеры любогосцинтиллятора. Если сцинтиллятор мало прозрачен и сильно поглощает возникающие в нем фотоны, то его можно использовать тольков виде тонкой пленки и применять для регистрации а-частиц, имеющих небольшой пробег.
Таковы, например, сцинтилляторы на основеZnS.Наконец, спектральный состав света, выходящего из сцинтиллятора, должен по возможности ближе соответствовать спектральнойхарактеристике фотокатода ФЭУ, так как фотоэмиссия электроновс катода происходит только под действием фотонов определеннойэнергии.При регистрации с помощью сцинтилляционного счетчика а- и |3частиц число фотонов в каждом световом импульсе прямо пропорционально энергии, которую частица израсходовала в детекторе. Такимобразом, если полный пробег частиц уложился в сцинтилляторе, тосветовой импульс будет прямо пропорционален полной энергии частиц. В случае у-квантов число фотонов, составляющих отдельнуюсцинтилляцию, пропорционально энергии фото- и комптоновскихэлектронов при условии, что пробег электронов полностью уложилсяв сцинтилляторе. Максимальная энергия фото- и комптоновскихквантовэлектронов пропорциональна энергии 7 > вызывающих появление этих электронов, поэтому при регистрации -у-квантов некоторые (самые большие) световые импульсы пропорциональны начальной энергии регистрируемого излучения.Тот факт, что в сцинтилляторах интенсивность отдельного светового импульса пропорциональна энергии ядерной частицы или у-кванта, позволяет широко использовать такие детекторы в приборах, предназначенных для определения энергии радиоактивных излучений(в ядерной спектроскопии).Под действием светового импульса, образующегося в сцинтилляторе, происходит эмиссия электронов с фотокатода ФЭУ и возникаетпервичный электронный импульс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
