家壁要約: シンチレーションカウンター。シンチレーションカウンター、装置、動作原理を簡単に説明

要約: シンチレーションカウンター。シンチレーションカウンター、装置、動作原理を簡単に説明

q動作原理シンチレーションカウンター

●シンチレータ

●光電子増倍管

q シンチレーションカウンターの設計

●シンチレーションカウンターの性質

●シンチレーションカウンターの使用例

q 参考文献

シンチレーションカウンター

荷電粒子が硫化亜鉛 (ZnS) スクリーンに衝突したときに発生するフラッシュを数えることによって粒子を検出する方法は、核放射線を検出するための最初の方法の 1 つです。

1903 年に戻って、クルックスらは、粒子を照射した硫化亜鉛のスクリーンを虫眼鏡を通して検査すると、暗い部屋、その後、個々の短期間の光のフラッシュ、つまりシンチレーションの出現に気づくことができます。これらのシンチレーションはそれぞれ、スクリーンに衝突する個別のα粒子によって生成されることが判明しました。クルックスは、α粒子を計数するために設計された、クルックス・スピンタリスコープと呼ばれる単純な装置を構築した。

その後、視覚シンチレーション法は主に数百万電子ボルトのエネルギーを持つα粒子と陽子を検出するために使用されました。高速電子は非常に弱いシンチレーションを引き起こすため、個々の高速電子を検出することはできませんでした。硫化亜鉛スクリーンに電子を照射すると、フラッシュが観察できる場合がありましたが、これは同じ硫化亜鉛結晶に同時に十分な光が当たった場合にのみ起こりました。大きな数電子。

ガンマ線は画面上にフラッシュを引き起こさず、全体的な輝きのみを生成します。これにより、強い g 線の存在下でも a 粒子を検出することが可能になります。

視覚シンチレーション法では、単位時間当たりの微量な粒子の検出が可能です。最高のコンディションシンチレーションを数える場合、シンチレーションの数が 1 分間に 20 ～ 40 回の場合に得られます。もちろん、シンチレーション法は主観的なものであり、結果は実験者の個人的な資質にある程度依存します。

視覚的シンチレーション法には欠点はありましたが、核物理学および原子物理学の発展において大きな役割を果たしました。ラザフォードはそれを利用して、原子上に散在するα粒子を記録しました。ラザフォードを原子核の発見に導いたのはこれらの実験でした。視覚的な方法により、α粒子、つまり窒素原子核が衝突したときに窒素原子核からノックアウトされる高速陽子を検出することが初めて可能になりました。初めての人工核分裂。

視覚シンチレーション法には、非常に重要 30年代になるまで、核放射線を記録する新しい方法の出現により、彼はしばらく忘れ去られることになった。シンチレーションレジストレーション法は、20 世紀の 40 年代後半に新たな基盤に基づいて復活しました。この時までに、非常に弱い光のフラッシュを検出できるようにする光電子増倍管 (PMT) が開発されていました。シンチレーションカウンターが開発され、これを使用することで計数率を10 8 倍、あるいはそれ以上に高めることができます。視覚的な方法、荷電粒子と中性子およびg線の両方のエネルギーを登録して分析することも可能です。

§ 1. シンチレーションカウンターの動作原理

シンチレーションカウンターは、シンチレーター（リン）と光電子増倍管（PMT）を組み合わせたものです。メーターキットにはソースも含まれています電源供給 PMT および PMT パルスの増幅と登録を行う無線機器。リンと光電子増倍管の組み合わせは、特別な光学システム (ライトガイド) を介して行われる場合があります。

シンチレーションカウンターの動作原理は次のとおりです。シンチレータに入射した荷電粒子は、その分子のイオン化と励起を引き起こします。短時間(10 -6 ～ 10 -9 秒) 安定状態になり、光子を放出します。閃光（シンチレーション）が発生します。光子の一部は光電子増倍管の光電陰極に衝突し、そこから光電子をノックアウトします。後者は、光電子増倍管に印加される電圧の影響下で集束され、電子増倍管の第 1 電極 (ダイノード) に向けられます。さらに、二次電子放出により電子の数が雪崩のように増加し、光電子増倍管の出力に電圧パルスが現れ、これが増幅されて無線機器に記録されます。

出力パルスの振幅と持続時間は、シンチレータと光電子増倍管の両方の特性によって決まります。

リンとしては以下のものが使用されます。

Ø 有機結晶、

Ø 液体有機シンチレーター、

Ø 硬質プラスチックシンチレーター、

Ø ガスシンチレーター。

シンチレータの主な特徴は、光出力、放射線のスペクトル組成、およびシンチレーション持続時間です。

荷電粒子がシンチレーターを通過すると、何らかのエネルギーを持つ一定数の光子がシンチレーター内に現れます。これらの光子の一部はシンチレーター自体の体積に吸収され、代わりにエネルギーがわずかに低い他の光子が放出されます。再吸収プロセスの結果、光子が出てきます。そのスペクトルは特定のシンチレーターの特徴です。

シンチレータの光出力または変換効率 c は、シンチレータ内で失われた荷電粒子のエネルギー値 E に対する、出てくるフラッシュ光のエネルギーの比であり、

ここで、は出てくる平均フォトン数、は平均フォトンエネルギーです。各シンチレータは単一エネルギー量子を放出するのではなく、このシンチレータの連続スペクトル特性を放出します。

シンチレータから出てくる光子のスペクトルが光電子増倍管のスペクトル特性と一致するか、少なくとも部分的に重なることが非常に重要です。

外部シンチレーションスペクトルとスペクトル特性の重なりの度合い。特定の光電子増倍管の値は、マッチング係数によって決定されます。

ここで、はシンチレータの外部スペクトル、またはシンチレータから出てくる光子のスペクトルです。実際には、PMT データと組み合わせたシンチレーターを比較する場合、シンチレーション効率の概念が導入されます。これは次の式で決定されます。

シンチレーション効率は、吸収されたエネルギーの単位当たりにシンチレーターによって放出される光子の数と、これらの光子に対する特定の光電子増倍管の感度の両方を考慮します。

通常、特定のシンチレータのシンチレーション効率は、標準として採用されたシンチレータのシンチレーション効率との比較によって決定されます。

シンチレーション強度は時間とともに指数関数的に変化します

ここで、I 0 はシンチレーション強度の最大値です。 t 0 は減衰時定数であり、シンチレーション強度が e 倍に減少する時間として定義されます。

検出された粒子に衝突してから時間 t の間に放出される光 n の光子の数は次の式で表されます。

どこ - 完全な数字シンチレーション中に放出される光子。

リンの発光（発光）の過程は、蛍光と燐光の２種類に分けられます。ルミネセンスが励起中に直接発生する場合、または 10 -8 秒程度の期間にわたって発生する場合、そのプロセスは蛍光と呼ばれます。 10 -8 秒の間隔が選択されたのは、それがいわゆる許容遷移の励起状態にある原子の寿命と大きさのオーダーで等しいためです。

蛍光のスペクトルと持続時間は励起の種類に依存しませんが、蛍光収量は励起の種類に大きく依存します。したがって、結晶がa粒子によって励起されると、蛍光収量は光励起時よりもほぼ1桁減少します。

燐光とは、励起の停止後もかなりの時間継続する発光を指します。しかし、蛍光と燐光の主な違いは残光の持続時間ではありません。結晶蛍光体の燐光は、励起中に生成された電子と正孔の再結合中に発生します。一部の結晶では、電子と正孔が「トラップ」に捕らえられ、追加の必要なエネルギーを受け取った後にのみ放出できるという事実により、残光が遅れることがあります。したがって、燐光の持続時間の温度依存性は明らかです。複雑な有機分子の場合、リン光は準安定状態に存在することに関連しており、基底状態に遷移する確率は低い可能性があります。この場合、燐光減衰率の温度依存性が観察されます。

§ 2. シンチレーター

無機シンチレーター。無機シンチレーターは無機塩の結晶です。実用シンチレーション技術では、それらは主にいくつかのアルカリ金属のハロゲン化物化合物です。

シンチレーションの発生過程は固体のバンド理論を用いて表現できます。他の原子と相互作用しない個々の原子では、電子は明確に定義された個別のエネルギーレベルに位置します。固体では原子は近い距離に位置しており、相互作用は非常に強いです。この相互作用のおかげで、外側の電子殻の準位が分裂し、バンドギャップによって互いに分離されたバンドを形成します。電子で満たされた最も外側の許容バンドは価電子帯です。その上にはフリーゾーン、つまり伝導ゾーンがあります。価電子帯と伝導帯の間にはバンドギャップがあり、そのエネルギー幅は数電子ボルトです。

結晶内に欠陥、格子乱れ、または不純物原子がある場合、バンドギャップ内に位置するエネルギー電子準位が現れる可能性があります。たとえば、外部の影響下では、高速荷電粒子が結晶を通過するときに、電子が価電子帯から伝導帯に移動する可能性があります。価電子帯には、単位電荷を持つ正に荷電した粒子の性質を持ち、正孔と呼ばれる自由空間が存在します。

説明されているプロセスは、結晶の励起プロセスです。励起は伝導帯から価電子帯への電子の逆遷移によって除去され、電子と正孔が推奨されます。多くの結晶では、伝導帯から価電子帯への電子の遷移は、中間の発光中心を介して起こり、そのレベルはバンドギャップ内にあります。これらの中心は、結晶内の欠陥または不純物原子の存在によって引き起こされます。電子が 2 つの段階に遷移するとき、バンドギャップよりも小さいエネルギーを持つ光子が放出されます。このような光子の場合、結晶自体で吸収される確率は小さいため、純粋な純粋な結晶よりも光出力がはるかに大きくなります。

実際には、無機シンチレーターの光出力を高めるために、活性剤と呼ばれる他の元素の特別な不純物が導入されます。例えば、タリウムは賦活剤としてヨウ化ナトリウム結晶に導入される。 NaJ(Tl) 結晶をベースとしたシンチレータは高い光出力を持っています。 NaJ(Tl) シンチレータには、ガス充填カウンターと比較して大きな利点があります。

g 線の登録効率が向上します (結晶が大きい場合、登録効率は数十パーセントに達する可能性があります)。

シンチレーションの持続時間は短い (2.5 10 -7 秒)。

パルスの振幅と荷電粒子によって失われるエネルギー量との間には線形関係があります。

最後のプロパティについては説明が必要です。シンチレータの光出力は、荷電粒子の特定のエネルギー損失にある程度依存します。

米。 1. 光出力の依存性

NaJ 結晶 (T1) の粒子エネルギー。

非常に大きな値では、シンチレータの結晶格子に重大な乱れが生じる可能性があり、局所的な消光中心の出現につながります。この状況により、光出力が相対的に低下する可能性があります。実際、実験事実は、重粒子の収量は非線形であり、数百万電子ボルトのエネルギーでのみ線形依存性が現れ始めることを示しています。図では、図 1 は c 対 E の曲線を示しています。曲線 1 は電子、曲線 2 は粒子です。

示されているアルカリハロゲン化物シンチレーターに加えて、ZnS (Tl)、CsJ (Tl)、CdS (Ag)、CaWO 4、CdWO 4 などの他の無機結晶が使用されることもあります。

有機結晶シンチレーター。有機結晶中の分子結合力は、無機結晶中に働く力に比べて小さい。したがって、相互作用する分子は実際には互いの電子エネルギーレベルを乱すことはなく、有機結晶の発光プロセスは個々の分子に特有のプロセスです。基底電子状態では、分子にはいくつかの振動レベルがあります。検出された放射線の影響下で、分子は励起電子状態になり、これもいくつかの振動レベルに対応します。分子のイオン化や解離も可能です。イオン化した分子は再結合の結果、通常は励起状態で形成されます。最初に励起された分子は次の位置にある可能性があります。高レベル励起し、短時間 (~10 -11 秒) 後に光子を放出します高エネルギー。この光子は別の分子によって吸収され、この分子の励起エネルギーの一部が熱運動に費やされる可能性があり、その後放出される光子は、前の光子と比較してエネルギーが少なくなります。放出と吸収の数サイクルの後、最初の励起準位にある分子が形成されます。それらは光子を放出しますが、そのエネルギーは他の分子を励起するのに十分ではない可能性があるため、結晶は結果として生じる放射線に対して透明になります。

米。 2. 光出力の依存性

さまざまな粒子のエネルギーからアントラセンを抽出します。

励起エネルギーの大部分が熱運動に費やされるため、結晶の光出力（変換効率）は比較的小さく、数パーセントに達します。

核放射線の記録には、アントラセン、スチルベン、ナフタレンの有機結晶が最も広く使用されています。アントラセンは、かなり高い光出力 (約 4%) と短い照射時間 (3 10 -8 秒) を持っています。しかし、重荷電粒子が検出される場合、シンチレーション強度の線形依存性は、かなり高い粒子エネルギーでのみ観察されます。

図では、図 2 は、電子 1、陽子 2、重陽子 3、α 粒子 4 のエネルギーに対する光出力 c (任意単位) の依存性を示すグラフです。

スチルベンはアントラセンよりもわずかに光出力が低いですが、そのシンチレーション持続時間はアントラセンよりも大幅に短い（7×10 -9 秒）ため、非常に強い放射線の記録が必要な実験でスチルベンを使用することが可能になります。

プラスチックシンチレーター。プラスチックシンチレーターは、適切な透明物質中に蛍光有機化合物が固溶したものです。たとえば、ポリスチレンまたはプレキシガラス中のアントラセンまたはスチルベンの溶液です。溶解している蛍光物質の濃度は通常、10分の数％から数％程度と低くなります。

溶解したシンチレーターよりもはるかに多くの溶媒が存在するため、当然のことながら、検出された粒子は主に溶媒分子を励起します。その後、励起エネルギーがシンチレーター分子に伝達されます。明らかに、溶媒の発光スペクトルは溶質の吸収スペクトルよりも硬いか、少なくとも一致している必要があります。実験事実は、溶媒の励起エネルギーが光子機構を通じてシンチレーター分子に伝達されることを示しています。つまり、溶媒分子は光子を放出し、その後、光子は溶質分子によって吸収されます。エネルギー伝達の別のメカニズムも可能です。シンチレータの濃度が低いため、溶液は結果として生じるシンチレータ放射線に対して実質的に透明であることがわかります。

プラスチックシンチレーターには、有機結晶シンチレーターに比べて次のような大きな利点があります。

Ø シンチレータ製造の可能性は非常に高い大きいサイズ;

Ø シンチレータにスペクトルミキサーを導入して、その発光スペクトルと光電陰極のスペクトル特性をより良く一致させる可能性。

Ø シンチレータへの導入の可能性さまざまな物質、特別な実験（中性子の研究など）で必要です。

Ø プラスチックシンチレータを真空中で使用できる可能性。

照射時間は短い (~3 10 -9 秒)。アントラセンをポリスチレンに溶解して製造されたプラスチックシンチレータは、最も高い光出力を持っています。良い物件スチルベンをポリスチレンに溶かした溶液にも効果があります。

液体有機シンチレーター。液体有機シンチレーターは、有機シンチレーション物質を液体有機溶媒に溶かした溶液です。

液体シンチレーターにおける蛍光のメカニズムは、固体シンチレーター溶液で発生するメカニズムと似ています。

最も適切な溶媒はキシレン、トルエンおよびフェニルシクロヘキサンであり、発光物質はp-テルフェニル、ジフェニルオキサゾールおよびテトラフェニルブタジエンであった。溶解して作られたシンチレーターにより最高の光出力が得られます。

溶質濃度 5 g/l のキシレン中の p-テルフェニル。

液体シンチレーターの主な利点:

Ø 大量生産の可能性。

Ø 特別な実験に必要な物質をシンチレーターに導入する可能性。

Ø 短いフラッシュ持続時間 (~3 10 -9 秒)。

ガスシンチレーター。荷電粒子がさまざまなガスを通過すると、その中でシンチレーションの出現が観察されました。重希ガス (キセノンとクリプトン) は最も高い光出力を持っています。キセノンとヘリウムの混合物も高い光出力を持っています。ヘリウム中に 10% のキセノンが含まれると、純粋なキセノンよりもさらに大きな光出力が得られます (図 3)。他のガスがわずかに混入すると、希ガスのシンチレーションの強度が急激に低下します。

米。 3. ガスの光出力の依存性

ヘリウムとキセノンの混合比に関するシンチレーター。

希ガス中でのフレアの継続時間は短く（10 -9 ～10 -8 秒）、広範囲のフレアの強度は検出された粒子の損失エネルギーに比例し、粒子のエネルギーには依存しないことが実験的に示されています。質量と電荷。ガスシンチレーターは g 線に対する感度が低いです。

発光スペクトルの主な部分は遠紫外領域にあるため、光電子増倍管のスペクトル感度を一致させるために光変換器が使用されます。後者は、高い変換係数、薄層での光透過性、低い飽和蒸気圧、および機械的および化学的安定性を備えていなければなりません。光変換器の材料として主に次のようなさまざまな有機化合物が使用されます。

ジフェニルスチルベン（変換効率約1）;

P 1 p'-クォーターフェニル (~1);

アントラセン(0.34)など

光コンバータは、光電子増倍管の光電陰極に薄層で塗布されます。光コンバータの重要なパラメータは、その照射時間です。この点において、有機コンバーターは非常に満足のいくものです (10 -9 秒、または 10 -9 秒あたり数ユニット)。集光性を高めるために、シンチレータチャンバーの内壁は通常、光反射体（MgO、酸化チタンベースのエナメル、フッ素樹脂、酸化アルミニウムなど）でコーティングされています。

§ 3. 光電子増倍管

PMT の主な要素は、光電陰極、集束システム、増倍システム (ダイノード)、陽極 (コレクタ) です。これらすべての要素はガラス瓶の中にあり、高真空 (10 -6 mm Hg) に排気されています。

核放射線分光分析の目的では、通常、光電陰極は光電子増倍管の平らな端の内面に配置されます。光電面の材料としては、シンチレータが発する光に対して十分に感度の高い物質が選択される。最も普及している得られたアンチモンセシウム光電陰極の最大スペクトル感度は l = 3900¸4200 A であり、これは多くのシンチレーターの発光スペクトルの最大値に相当します。

米。 4. 回路図 PMT。

光電陰極の特性の 1 つは、その量子収率、つまり光電陰極に当たる光子によって光電子が引き抜かれる確率です。 e の値は 10 ～ 20% に達する可能性があります。光電陰極の特性は、光電陰極に入射する光束 (lm) に対する光電流 (μA) の比である積分感度によっても特徴付けられます。

光電陰極は、薄い半透明層の形でガラスに適用されます。この層の厚さは重要です。一方では、光の吸収が大きい場合、それは重要であるに違いないが、他方では、非常に低いエネルギーを有する結果として生じる光電子は厚い層から出ることができず、実効的な量子収量が小さくなる可能性がある。だから選ばれるのです最適な厚さ光電陰極。光電陰極の感度が全領域にわたって同じになるように、光電陰極の厚さを均一にすることも重要です。シンチレーション g 線分光分析では、厚さと直径の両方で大きなサイズの固体シンチレーターを使用する必要があることがよくあります。したがって、大きな光電陰極直径を備えた光電子増倍管を製造する必要がある。家庭用光電子増倍管では、光電面の直径が数センチから15～20センチ程度の大きさで作られており、光電面から飛び出した光電子は第一増倍電極に集束する必要があります。この目的のために、一連の集束絞りである静電レンズのシステムが使用されます。光電子増倍管の良好なタイミング特性を得るには、電子が最小の時間広がりで最初のダイノードに落ちるような集束システムを作成することが重要です。図 4 は、光電子増倍管の概略設計を示しています。光電子増倍管に供給される高電圧は、その陰極でカソードに接続され、すべての電極間に分配されます。カソードとダイアフラム間の電位差により、光電子が最初の増倍電極上に確実に集束されます。増幅する電極はダイノードと呼ばれます。ダイネードは、二次放出係数が 1 (s>1) より大きい材料から作られます。家庭用光電子増倍管では、ダイノードはトラフ形状（図4）またはブラインド形状のいずれかで製造されます。どちらの場合も、ダイノードは一列に配置されます。ダイノードをリング状に配置することも可能です。リング型ダイノードシステムを備えた PMT は、より優れた時間特性を備えています。ダイノードの発光層は、アンチモンとセシウムの層、または特殊な合金の層です。アンチモンセシウムエミッタの場合、s の最大値は 350 ～ 400 eV の電子エネルギーで達成され、合金エミッタの場合は 500 ～ 550 eV で達成されます。最初のケースでは s= 12¸14、2 番目のケースでは s=7¸10 です。光電子増倍管の動作モードでは、s の値は若干小さくなります。かなり良好な二次排出係数は s= 5 です。

最初のダイノードに集束した光電子は、そこから二次電子をノックアウトします。最初のダイノードから出てくる電子の数は数倍さらに多くの数光電子。それらはすべて 2 番目のダイノードに送られ、そこで二次電子などもノックアウトされ、ダイノードからダイノードへと電子の数が s 倍に増加します。

ダイノードのシステム全体を通過すると、電子の流れは 5 ～ 7 桁増加し、光電子増倍管の収集電極であるアノードに到達します。光電子増倍管が電流モードで動作する場合、電流を増幅および測定するデバイスがアノード回路に含まれます。核放射線を記録する場合、通常、イオン化粒子によって生成されるパルスの数と、これらのパルスの振幅を測定する必要があります。このような場合、アノード回路に抵抗が接続され、そこで電圧パルスが発生します。

重要な特徴 PMT は増倍率 M です。すべてのダイノードの s の値が同じで (ダイノード上の電子が完全に収集されている)、ダイノードの数が n の場合、次のようになります。

s n = (Aue -Bu) n

A と B は定数、u は電子エネルギーです。増倍率 M は、カソードから出る電流に対する光電子増倍管の出力の電流の比率を特徴付けるゲイン係数 M" と等しくありません。

ここで C<1 - коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.

非常に重要なのは、光電子増倍管のゲイン M" が時間的にも、また光電陰極から出る電子の数が変化しても一定であることです。後者の状況により、核放射線の分光計としてシンチレーションカウンターを使用することが可能になります。

光電子増倍管の干渉について。シンチレーションカウンターでは、外部照射がない場合でも、PMT 出力に多数のパルスが現れることがあります。これらのパルスは通常、振幅が小さく、ノイズパルスと呼ばれます。最大数のノイズパルスは、光電陰極または最初のダイノードからの熱電子の出現によるものです。光電子増倍管のノイズを低減するには、その冷却がよく使用されます。大振幅パルスを生成する放射線を記録する場合、記録回路にはノイズパルスを通過させない弁別器が組み込まれています。

米。 5. PMTノイズを抑制する回路。

1. 振幅がノイズに匹敵するパルスを記録する場合、同時計数回路に含まれる 2 つの光電子増倍管を備えた 1 つのシンチレーターを使用するのが合理的です (図 5)。この場合、検出された粒子から生じるパルスの一時的な選択が発生します。実際、検出された粒子からシンチレータ内で発生するフラッシュ光は、両方の光電子増倍管の光電陰極に同時に当たり、パルスが同時に出力に現れ、一致回路が動作します。パーティクルが登録されます。各光電子増倍管のノイズパルスは互いに独立して発生し、ほとんどの場合、一致回路によって記録されません。この方法により、光電子増倍管の固有バックグラウンドを 2 ～ 3 桁減らすことができます。

ノイズパルスの数は、印加電圧の増加とともに増加しますが、最初は非常にゆっくりと増加し、その後急激に増加します。このバックグラウンドの急激な増加の理由は、電極の鋭いエッジからの電界放出と、最後のダイノードと光電子増倍管の光電陰極との間のフィードバックイオン結合の発生です。

電流密度が最も高いアノードの領域では、残留ガスと構造材料の両方のグローが発生する可能性があります。その結果として生じる弱い発光とイオンフィードバックにより、主パルスから 10 -8 ¸ 10 -7 秒離れた、いわゆる随伴パルスが発生します。

§ 4. シンチレーションカウンターの設計

シンチレーションカウンターの設計には次の要件が適用されます。

Ø 光電面でのシンチレーション光の最適な収集。

Ø 光電陰極に沿った光の均一な分布。

Ø 外部光源からの光による減光。

Ø 磁場の影響を受けません。

Ø PMT ゲインの安定性。

シンチレーションカウンターを使用する場合は、常に信号パルスの振幅とノイズパルスの振幅の比を最大にする必要があり、これによりシンチレータで発生するフラッシュの強度を最適に使用する必要があります。通常、シンチレータは、一端が平らなガラスで覆われた金属容器にパッケージされています。容器とシンチレーターの間には、光を反射し、光の最も完全な放出を促進する材料の層があります。酸化マグネシウム (0.96)、二酸化チタン (0.95)、石膏 (0.85 ～ 0.90) が最も反射率が高く、アルミニウムも使用されます (0.55 ～ 0.85)。

吸湿性シンチレータの慎重な梱包には特に注意を払う必要があります。たとえば、最も一般的に使用されるリン NaJ (Tl) は非常に吸湿性が高く、湿気が浸透すると黄色に変わり、シンチレーション特性を失います。

プラスチックシンチレーターは気密容器に梱包する必要はありませんが、光の収集を増やすために、シンチレーターを反射板で囲むことができます。すべての固体シンチレータは、PMT の光電陰極に接続される端の 1 つに出口窓を備えている必要があります。接合部ではシンチレーション光の強度が大幅に失われる可能性があります。これらの損失を回避するために、カナダのバルサム、鉱物油、またはシリコーンオイルがシンチレーターと PMT の間に導入され、光学接点が作成されます。

たとえば、真空中、磁場中、または電離放射線の強い場中で測定を行う場合など、一部の実験では、シンチレータを PMT の光電面に直接配置することができません。このような場合、ライトパイプを使用してシンチレータから光電陰極に光を伝達します。ルーサイト、プレキシガラス、ポリスチレンなどの透明な材料で作られた研磨されたロッド、および透明な液体で満たされた金属またはプレキシガラスのチューブがライトガイドとして使用されます。ライトガイドにおける光の損失は、その幾何学的寸法と材質によって異なります。実験によっては、湾曲したライトガイドの使用が必要になる場合があります。

曲率半径の大きなライトガイドを使用することをお勧めします。ライトガイドを使用すると、異なる直径のシンチレータや光電子増倍管を接続することもできます。この場合、円錐形のライトパイプが使用されます。 PMT は、ライトガイドを介して、または液体との直接接触によって液体シンチレーターと結合されます。図6に光電子増倍管と液体シンチレータの結合例を示します。さまざまな動作モードで、PMT には 1000 ～ 2500 V の電圧が供給されます。 PMT ゲインは電圧に非常に大きく依存するため、供給電流源は十分に安定化されている必要があります。また、自己安定化も可能です。

PMT は分圧器を使用して電力を供給され、対応する電位が各電極に印加されるようになります。電源の負極は光電陰極と分配器の一端に接続されます。正極と分配器の他端は接地されています。分圧器の抵抗は、PMT の最適な動作モードが達成されるように選択されます。安定性を高めるには、分圧器を流れる電流が PMT を流れる電子電流よりも 1 桁大きくなければなりません。

米。 6. 光電子増倍管と液体シンチレーターの接続。

1液体シンチレーター。

3灯保護ケース。

シンチレーションカウンタがパルスモードで動作する場合、短い (約 10 -8 秒) パルスが PMT 出力に現れ、その振幅は数単位または数十ボルトになることがあります。この場合、分圧器を流れる電流には電子によってカスケードから持ち去られた電荷を補充する時間がないため、最後のダイノードの電位が突然変化する可能性があります。このような電位変動を避けるために、分圧器の最後のいくつかの抵抗はコンデンサで分流されます。ダイノードの電位を選択することにより、これらのダイノードで電子を収集するための好ましい条件が作成されます。最適モードに対応した特定の電子光学系が実装されています。

電子光学系では、電子の軌道は、この電子光学系を構成するすべての電極の電位の比例変化には依存しません。同様に、乗算器では、電源電圧が変化すると、ゲインのみが変化しますが、電子光学特性は変化しません。

PMT ダイノードの電位が不均衡に変化すると、比例性が損なわれた領域に電子を集束させる条件が変化します。この状況は、光電子増倍管のゲインを自己安定化するために使用されます。この目的のために、潜在的な

米。 7. 分周回路の一部。

追加のバッテリーまたは追加の安定化分配器のいずれかを使用して、ダイノードの 1 つが前のダイノードの電位に関連して一定に設定されます。図 7 は分圧回路の一部を示しており、追加のバッテリーがダイノード D 5 と D 6 の間に接続されています (U b = 90 V)。最良の自己安定化効果を得るには、抵抗値 R" を選択する必要があります。通常、R" は R の 3 ～ 4 倍です。

§ 5. シンチレーションカウンターの特性

シンチレーションカウンターには次のような利点があります。

高い時間分解能。パルス持続時間は、使用するシンチレーターに応じて、10 -6 から 10 -9 秒の範囲になります。自己放電を備えたカウンタよりも数桁小さいため、はるかに高い計数率が可能になります。シンチレーションカウンターのもう 1 つの重要な時間特性は、検出された粒子がリンを通過した後のパルスのわずかな遅延 (10 -9 ～ 10 -8 秒) です。これにより、解決時間の短い一致スキームの使用が可能になります (<10 -8 сек) и, следовательно, производить измерения совпадений при много больших нагрузках по отдельным каналам при малом числе случайных совпадений.

g 線と中性子の位置合わせの高効率。 g量子または中性子を登録するには、それらが検出器物質と反応する必要があります。この場合、結果として生じる二次荷電粒子が検出器によって記録される必要があります。明らかに、g 線または中性子の経路に存在する物質が多ければ多いほど、それらの吸収の可能性が大きくなり、それらの登録の効率も高くなります。現在、大型のシンチレータを使用すると、数十パーセントのg線検出効率が達成されます。特別に導入された物質（10 V、6 Li など）を含むシンチレーターによる中性子の検出効率も、ガス放電カウンターを使用した中性子の検出効率をはるかに上回ります。

記録された放射線のエネルギー分析の可能性。実際、軽い荷電粒子 (電子) の場合、シンチレーター内のフラッシュの強度は、このシンチレーター内の粒子によって失われるエネルギーに比例します。

振幅分析装置に取り付けられたシンチレーションカウンターを使用すると、電子とg線のスペクトルを研究することができます。重荷電粒子 (a 粒子など) のスペクトルの研究では、シンチレーター内で高い比イオン化が生じるため、状況はさらに悪化します。これらの場合、失われたエネルギーのフラッシュの強度の比例関係は、すべての粒子エネルギーで観察されるわけではなく、特定の値より大きいエネルギー値でのみ現れます。パルス振幅と粒子エネルギーの間の非線形関係は、蛍光体や粒子の種類によって異なります。これを図 1 と 2 のグラフに示します。

非常に大きな幾何学的寸法のシンチレーターを製造する可能性。これは、非常に高いエネルギーの粒子（宇宙線）や、物質と弱く相互作用する粒子（ニュートリノ）の記録とエネルギー分析の可能性を意味します。

中性子が大きな断面積で相互作用する物質をシンチレーターに導入する可能性。遅い中性子を記録するには、蛍光体 LiJ(Tl)、LiF、LiBr が使用されます。遅い中性子が 6 Liと相互作用すると、反応 6 Li(n,a) 3 Hが起こり、4.8 MeVのエネルギーが放出されます。

§ 6. シンチレーションカウンターの使用例

原子核の励起状態の寿命を測定します。放射性崩壊中またはさまざまな核反応中、結果として生じる原子核は励起状態にあることがよくあります。原子核の励起状態の量子特性の研究は、原子核物理学の主要な課題の 1 つです。原子核の励起状態の非常に重要な特性は、その寿命 t です。この値を知ることで、原子核の構造について多くの情報を得ることができます。

原子核はさまざまな時間にわたって励起状態になることがあります。これらの時間を測定するにはさまざまな方法があります。シンチレーションカウンターは、数秒から数分の一秒までの核レベルの寿命を測定するのに非常に便利であることが証明されています。シンチレーションカウンターの使用例として、遅延同時計数法を考えます。原子核 A (図 10 を参照) が b 崩壊を通じて励起状態の原子核 B に変化するとします。原子核 B は、過剰なエネルギーを 2 つの g 量子 (g 1、g 2) の連続放出に放出します。励起状態 I の寿命を決定する必要があります。同位体 A を含む調製物を、NaJ(Tl) 結晶を備えた 2 つのカウンターの間に設置します (図 8)。 PMT 出力で生成されたパルスは、約 10 -8 ～ 10 -7 秒の分解能を持つ高速一致回路に供給されます。さらに、パルスは線形増幅器に供給され、次に振幅分析器に供給されます。後者は、特定の振幅のパルスを送信するように構成されています。私たちの目的のために、つまりレベル I の寿命を測定する目的 (図 10 を参照) では、振幅アナライザ AAI は量子 g 1 と AAII アナライザ - g 2 のエネルギーに対応するパルスのみを通過させる必要があります。

図8。決定するための模式図

原子核の励起状態の寿命。

次に、アナライザおよび高速一致回路からのパルスが低速 (t~10 -6 秒) トリプル一致回路に供給されます。この実験では、高速一致回路の最初のチャネルに含まれるパルスの時間遅延に対する三重一致の数の依存性を研究します。通常、パルスはいわゆる可変遅延線 LZ を使用して遅延されます (図 8)。

遅延線は、g 1 量子が g 2 量子より前に放出されるため、g 1 量子が検出されるチャネルに正確に接続する必要があります。実験の結果、三重同時計数の遅延時間依存性を表す片対数グラフが作成され（図9）、そこから励起準位の寿命Iが求められます（図9と同様）。単一の検出器を使用して半減期を決定するときに行われます)。

NaJ(Tl) 結晶を備えたシンチレーションカウンターと考慮された高速-低速同時時計スキームを使用すると、10 -7 ～10 -9 秒の寿命を測定することが可能です。より高速な有機シンチレーターを使用すると、より短い励起状態の寿命 (最大 10 -11 秒) を測定できます。

図9。遅延値に対する一致数の依存性。

ガンマ線探傷。優れた透過力を持つ核放射線は、パイプ、レール、その他の大きな金属ブロックの欠陥を検出する技術にますます使用されています。これらの目的のために、g 線源と g 線検出器が使用されます。この場合に最適な検出器は、登録効率が高いシンチレーションカウンターです。放射線源は鉛の容器に入れられ、そこから細い g 線ビームがコリメータの穴を通って出てきて、パイプを照明します。パイプの反対側にはシンチレーションカウンターが設置されています。ソースとカウンターは可動機構上に配置されており、パイプに沿って移動したり、その軸の周りを回転したりすることができます。 g 線のビームはパイプ素材を通過すると部分的に吸収されます。パイプが均質であれば、吸収はどこでも同じであり、カウンターは単位時間当たり常に同じ数の g 量子 (平均) を記録しますが、パイプのどこかにシェルがある場合、g - この場所での光線の吸収が少なくなり、計数速度が向上します。シンクの位置が明らかになります。シンチレーションカウンターのこのような使用例は数多くあります。

ニュートリノの実験的検出。ニュートリノは素粒子の中で最も謎に満ちています。ニュートリノのほぼすべての特性は間接的なデータから得られます。現代の b 崩壊理論では、ニュートリノの質量 m n がゼロであると仮定しています。いくつかの実験は次のことを示唆しています... ニュートリノのスピンは1/2、磁気モーメント<10 -9 магнетона Бора. Электрический заряд равен нулю. Нейтрино может преодолевать огромные толщи вещества, не взаимодействуя с ним. При радиоактивном распаде ядер испускаются два сорта нейтрино. Так, при позитронном распаде ядро испускает позитрон (античастица) и нейтрино (n-частица). При электронном распаде испускается электрон (частица) и антинейтрино (`n-античастйца).

過剰な中性子を含む非常に多数の原子核が形成される原子炉の作成により、反ニュートリノを検出する期待が高まっています。中性子が豊富なすべての原子核は電子の放出によって崩壊し、その結果、反ニュートリノが発生します。数十万キロワットの出力を持つ原子炉の近くでは、反ニュートリノ束は 10 13 cm -2 秒 -1 という膨大な密度の束であり、適切な反ニュートリノ検出器を選択することで反ニュートリノの検出を試みることができます。このような試みは 1954 年に Raines と Cowan によって行われました。著者らは次のような反応を示しました。

n + p ® n + e + (1)

この反応の生成粒子は陽電子と中性子であり、これらを登録することができます。

カドミウムで飽和された、水素含有量が高く、体積が約 1 m 3 の液体シンチレーターは、検出器として機能すると同時に、水素ターゲットとしても機能します。反応 (1) で発生した陽電子は、それぞれ 511 keV のエネルギーを持つ 2 つの g 量子に消滅し、最初のシンチレーターフラッシュの出現を引き起こしました。中性子は数マイクロ秒以内に減速し、カドミウムに捕獲されました。カドミウムによるこの捕獲中に、総エネルギー約 9 MeV のいくつかの g 量子が放出されました。その結果、シンチレータ内で２回目のフラッシュが発生した。 2 つのパルスの遅延同時発生が測定されました。フラッシュを記録するために、液体シンチレーターは多数の光電子増倍管で囲まれていました。

遅延一致の計数率は 1 時間あたり 3 回でした。これらのデータから、反応断面積 (図 1) s = (1.1 ± 0.4)10 -43 cm 2 であり、計算値に近いことがわかりました。

現在、非常に大型の液体シンチレーションカウンターが多くの実験、特に人間や他の生物から放出されるガンマ線束を測定する実験で使用されています。

核分裂フラグメントの登録。ガスシンチレーションカウンターは、核分裂フラグメントの記録に便利であることが証明されています。

通常、核分裂断面積を研究する実験は次のように行われます。研究対象の元素の層を基板に塗布し、中性子束を照射します。もちろん、使用される核分裂性物質が多ければ多いほど、より多くの核分裂現象が発生します。しかし、通常、核分裂性物質（たとえば、超ウラン元素）はα線放射体であるため、α線粒子からのバックグラウンドが大きいため、大量に使用することが困難になります。そして、パルス電離箱を使用して核分裂現象を研究すれば、核分裂破片から生じるパルスにα粒子からのパルスを重ね合わせることが可能です。より優れた時間分解能を備えたデバイスのみが、パルスを互いに重畳することなく大量の核分裂性物質の使用を可能にします。この点において、ガスシンチレーションカウンターは、パルス電離箱のパルス持続時間がガスシンチレーションカウンターよりも2～3桁長いため、パルス電離箱よりも大きな利点があります。核分裂破片からのパルスの振幅は、a 粒子からのパルスの振幅よりもはるかに大きいため、振幅分析器を使用して簡単に分離できます。

ガスシンチレーションカウンターの非常に重要な特性は、重荷電粒子の出現には強い g 線束が伴うことが多いため、g 線に対する感度が低いことです。

発光カメラ。 1952 年、ソ連の物理学者ザヴォイスキーらは、高感度の電子光変換器 (EOC) を使用して、発光物質内のイオン化粒子の痕跡を初めて撮影しました。この粒子検出方法は蛍光カメラと呼ばれ、高い時間分解能を持っています。最初の実験は CsJ(Tl) 結晶を使用して実行されました。

その後、細長いロッド (糸) の形をしたプラスチックシンチレーターが発光室を作るために使用されました。糸は、隣接する 2 つの列の糸が互いに直角に配置されるように列に積み重ねられます。これにより、粒子の空間軌跡を再構成するための立体観察の可能性が得られます。相互に垂直なフィラメントの 2 つのグループのそれぞれからの画像は、別々の電子光コンバーターに送信されます。糸は光ガイドの役割も果たします。光は、粒子が交差する糸によってのみ与えられます。この光は対応する糸の端から出て写真に撮られます。システムは、個々のねじの直径が 0.5 ～ 1.0 mm になるように製造されます。

文学：

1. J.バークス。シンチレーションカウンター。 M.、イリノイ州、1955 年。

2. V.O. ヴィャゼムスキー、I.I. ロモノーソフ、バージニア州ルジン。放射測定におけるシンチレーション法。 M.、ゴサトミズダット、1961 年。

3. ユアエゴロフ。ガンマ線のスティレーション法と高速中性子分光分析。 M.、アトミズダット、1963 年。

4.PA ティシュキン。核物理学の実験方法 (核放射線検出器)。

レニングラード大学出版社、1970 年。

5 GS ランズバーグ。物理学の初級教科書 (第 3 巻)、M. ナウカ、1971 年。

LiJ から、粉末混合物、たとえば 1 重量部の B2O3 と 5 重量部の ZnS が PMT ウィンドウに直接スプレーされます。シンチレーション分光計のブロック図も使用できます。 1 - シンチレータ、2 - 光電子増倍管、h - 高電圧源、4 - カソードフォロワ、d - リニアアンプ、6 - 振幅パルスアナライザ、7 - 記録装置。 ZnS が一時停止されました...

さらに電圧を増加すると、N はガイガー領域の終わりまで電圧がさらに増加しても一定に保たれます。もちろん、これは完全に機能するわけではありません。それどころか、個々の誤った分泌物の出現の結果として、プラトーは多かれ少なかれ顕著に滑らかに上昇します。比例領域で動作するメーターでは、ほぼ水平な特性のプラトーを得ることができます。に...

同位体を書くときは、常に同位体の質量数が線の上に最初に示され、次に化学元素の記号が表示されます。これらは逆に発音されます。つまり、最初に元素、次に同位体の質量です。放射性同位体で標識された化合物は、2 つのグループの物質に分類されます。まず、これらは 1 つの原子 (または複数) が同じ放射性同位体の原子で置き換えられた特定の化合物です。

シンチレーションカウンター (図 88) には 2 つの主要な要素があります。1 つはフラッシュ光からの核放射線に反応するシンチレーター、もう 1 つはこれらの弱い光フラッシュを電気インパルスに変換し、数百万の光を増幅する光電子増倍管 (PMT) です。何度も。

シンチレーター（蛍光体）は次のように機能します。シンチレーターに入ったガンマ量子はその原子と相互作用し（光電効果とコンプトン効果、電子陽電子対の形成）、それにより自由電荷（電子と陽電子）が発生します。これらの電荷は、量子のエネルギー全体 (光電効果) またはその一部 (コンプトン効果、ペア形成) のいずれかに転送されます。自由電荷のエネルギーは、シンチレータ原子のイオン化と励起に費やされます。励起状態から基底状態への遷移中に、シンチレーター原子は励起中に電磁振動（光子）、つまりルミネッセンスの形で受け取ったエネルギーを失います。

米。 88. シンチレーションカウンターの概略図。 1-シンチレーター（発光団）; 2 - 反射板。 3 - 光電子増倍管; 4 - 光電陰極; 5 - 集束ダイノード。 6ダイノード。 7-集電電極（アノード）。 8分圧器

核粒子またはガンマ線とシンチレーターとの相互作用の結果として生じる光の光子は、全方向に散乱し、シンチレーター結晶の厚さに部分的に吸収されます。この点において、光子の一部のみが光電子増倍管に到達し、シンチレータから出てくる光子のスペクトルの形状は、形成される光子のスペクトルの形状とは異なります。陰極に到達する光子の数を増やすために、光陰極と接触している壁を除くシンチレータの壁は光反射層で覆われています。

数多くのシンチレータの中で、最も一般的に使用されているのはヨウ化ナトリウム Na1 (T1) の単結晶であり、最も高い計数効率を特徴としています。それらの主な欠点は、吸湿性が高いことです。結晶に水分が入り込むと曇り、その結果、性能特性が低下します。光電子増倍管は、光電池と電子増幅器を組み合わせたデバイス (図 88 を参照) であり、その動作は二次電子放出現象に基づいています。シンチレータからの光子は光電子増倍管の光電陰極に落ちます。

光電陰極から逃げる電子は電場によって加速され、ダイアフラムを通って増倍器の第 1 電極 (ダイノード) に流れます。二次放出により、各落下電子はダイオードからいくつかの二次電子をノックアウトします。その数は電極間に印加される電位差によって異なります。これらの電子は、2 番目のダイノードの引力場にあるため、加速されて次のダイノードで二次電子放出を引き起こします。したがって、光電子増倍管の各ダイノード上の電子の数が突然増加します。この回路の最後の電極は陽極であり、電子の不要な二次放出を排除するために、グリッドの形で作られ、最後から 2 番目の電極に接続されたスクリーンで囲まれることがあります。ダイノードの数によって光電子増倍管の総ゲインが決まり、最新の光電子増倍管の範囲は 8 ～ 14 です。

シンチレーションカウンターの主な利点:

1) ガンマ線を含む高感度 (効率)。 2）高解像度。 3) 粒子をそのエネルギーによって区別し、それを測定する能力、つまり放射性放射線の分光測定を行う能力。したがって、比例計数管とガイガーミュラー計数管の長所を組み合わせたシンチレーション計数管は、より高い効率と分解能を備えています。

シンチレーションカウンターの欠点: 1) 周囲温度の変化に対する感度が高い。

2) 供給電圧の安定性に対する要件の増加。３）光電子増倍管のパラメータの大きなばらつき、および動作中の光電子増倍管の特性およびパラメータの変化。

装置さまざまな放射性研究方法 (NMM を除く) には多くの共通点があります。彼女 メイン機能- 中性子またはガンマ線の強度の測定、したがって、一般に同じ原理に基づくさまざまな研究方法のための電子回路が含まれています。

さまざまな方法の機器の主な違いは、プローブ、線源、フィルター、放射線検出器の設計に関連しています。あらゆる種類の放射線測定装置の共通機能である放射線強度の測定を考慮すると、この装置は通常、次のように呼ばれます。 ボアホール放射計。構造的には、すべての放射計は、物理ケーブルで接続されたダウンホール計器と地上制御パネルで構成されています。放射測定装置の測定部分の簡略化されたブロック図を図 54 に示します。個々のブロックの目的と設計を順番に検討してみましょう。

放射線検出器- 放射計の最も重要な要素。ダウンホール設備の放射線検出器として使用されます。 ガス排出または シンチレーションカウンター。 ガス排出計構造的には、それらは円筒形であり、その軸に沿って金属の糸が引き伸ばされ、アノードとして機能します（図55）。シリンダーの金属側面は陰極として機能します。陰極と陽極の間に定電圧が供給されます。この電圧は、さまざまなタイプのメーターで 300 ～ 400 V から 2 ～ 3 kV まで同じです。

ガンマ線を記録するカウンターには、不活性ガスと高分子有機化合物の蒸気またはハロゲンの混合物が充填されています。ガンマ線が陰極と相互作用すると、電子が陰極からノックアウトされます。対ガスが満たされた空間に電子が入ると、ガスがイオン化されます。つまり、ガス原子から電子が除去され、ガス原子が正に帯電したイオンに変わります。

これらの電子は、 主要な電場によって加速され、アノードに向かう途中で二次イオン化などが起こり、その結果電子の数が雪崩のように増加し、一次電子の数を何千倍、何十万倍も超えて放電が起こります。カウンターの中。比較的低い電圧では、電子の総数は一次電子の数に比例し、したがってカウンターによって記録される核粒子のエネルギーに比例します。このようなカウンターはと呼ばれます。比例。アノードとカソード間の高電圧では、電子の総数は一次電子の数と検出された粒子のエネルギーに依存しなくなります。これらはガイガー・ミュラー計数管と呼ばれます。

ガンマ線を登録するにはガイガーカウンターはボアホール放射計で使用されます。それらの利点は、比例カウンターよりも大きな出力信号 (最大数ボルト) であり、信号の増幅と地表への送信が簡素化されることです。

中性子はガスを電離しないカウンターの中。したがって、中性子を記録するように設計されたカウンターにはガスが充填されており、その分子には物質が含まれており、中性子が相互作用すると、イオン化を引き起こす高速荷電粒子が生成されます。このような物質は、フッ化ホウ素ガス BF 3 またはヘリウム 3 He の同位体の 1 つです。遅い中性子が 10 B 同位体の原子核に吸収されると、アルファ粒子が形成されます。したがって、熱および超熱中性子がホウ素化合物で満たされたカウンターに入射すると、アルファ粒子が現れ、カウンターのガス体積内で放電が発生し、その出力で電圧パルスが発生します。中性子が原子核 3 に捕獲されると、高速陽子は現れません。

中性子カウンター比例モードで動作するため、アルファ粒子や陽子からのインパルスよりも大きさがはるかに小さいガンマ量子からのインパルスを除外することができます。

シンチレーションカウンター光電子増倍管 (PMT) に結合されたシンチレーターで構成されます。ガンマ量子がシンチレーターに入ると、シンチレーターの原子が励起されます。励起された原子は EM 放射線を放出し、その一部は明るい領域にあります。シンチレータからの光量子は光電子増倍管の光電陰極に落ち、そこから電子を叩き出します。

光電子増倍管には、光電陰極に加えて、アノードと、アノードとカソードの間に配置された電極システム (ダイノード) が含まれています (図 - シンチレーションカウンターの概略図: 1 - シンチレーター、2 - ハウジング、3 - 反射板、4 -光子、5 - PMTハウジング、6 - 光電陰極、7 - 集束電極、8 - ダイノード、9 - 収集電極（アノード）、R 1 -R N - 分圧器）。ダイノードには、分圧器Ｒ１～ＲＮから正の（カソードに対して）電圧が供給され、アノードがカソードから離れるほど、その電位は高くなる。その結果、光が当たると光電陰極から放出される電子が加速され、最初のダイノードに衝突し、そこから二次電子がノックアウトされます。その後、これらの電子は、第 1 ダイノードと第 2 ダイノードの間に加えられた電位差の影響下で加速され、第 2 ダイノードに衝突し、そこから「三次」電子をノックアウトします。これは各ダイノードで発生し、その結果、電子の総数が指数関数的に増加します。光電子増倍管における全光束増幅は 106 倍以上に達することがあります。したがって、フラッシュ光が光電子増倍管の入力にある光電陰極に当たると、静電容量を介して電圧パルスが形成されます。とアンプの入力に供給されます。

荷電粒子（シンチレーター）の影響で発光する物質であり、 光電子増倍管 (FEU)。電離粒子 (a 粒子、核分裂片) の影響下での光のフラッシュ (シンチレーション) の視覚的観察は、20 世紀初頭の核物理学の主要な方法でした。（cm。 スピンタリスコープ ). 後で シンチレーションカウンター完全に取って代わられた 電離箱 そして 比例カウンタ. 彼が核物理学に戻ったのは 40 年代後半で、そのとき、非常に弱い光フラッシュを検出できる高利得の多段光電子増倍管がシンチレーションの記録に使用されていました。

動作原理 シンチレーションカウンターシンチレータを通過する荷電粒子は、原子や分子のイオン化とともに励起されます。非励起 (基底) 状態に戻ると、原子は光子を放出します (参照)。発光 ). PMT カソードに当たる光子は電子をノックアウトします (参照)。 光電子放出 ), その結果、電気パルスが光電子増倍管のアノードに現れ、さらに増幅されて記録されます（図を参照）。米。）。中性粒子 (中性子、ガンマ線) の検出は、中性子およびガンマ線とシンチレーター原子との相互作用中に形成される二次荷電粒子によって行われます。

シンチレータとしては様々な物質（固体、液体、気体）が使用されます。製造が容易で、機械的に加工され、強い輝きを放つプラスチックが普及しています。シンチレータの重要な特性は、検出された粒子のエネルギーが光エネルギーに変換される割合 (変換効率 h) です。結晶シンチレータの h 値は最も高く、、活性化、アントラセン、およびです。博士。重要な特性は発光時間 t で、これは励起準位の寿命によって決まります。粒子の通過後のグローの強度は指数関数的に変化します。 , どこ 0 - 初期の強度。ほとんどのシンチレータでは、t は 10 –9 ～ 10 –5 の範囲にあります。秒プラスチックの発光時間は短いです (表 1)。 tが小さいほど、より速く作成できます シンチレーションカウンター

光フラッシュが PMT によって記録されるためには、シンチレータの発光スペクトルが PMT の光電陰極の感度のスペクトル領域と一致し、シンチレータ材料がそれ自体の放射線に対して透明であることが必要です。登録用 遅い中性子 または B がシンチレーターに追加されます。高速中性子を検出するには、水素を含むシンチレーターが使用されます。 中性子検出器 ). g 量子および高エネルギー電子の分光測定には、高密度で有効原子番号が高い Nal () が使用されます (参照)。 ガンマ線 ).

シンチレーションカウンターさまざまなサイズのシンチレーターを使用して製造されています - 1 ～ 2 個の容量んん 3対1-2 メートル 3 . 放出された光を「失わない」ためには、光電子増倍管とシンチレーターが良好に接触している必要があります。で シンチレーションカウンター小さなシンチレータが光電子増倍管の光電面に直接接着されています。他のすべての側面は反射物質 (O 2 など) の層で覆われています。で シンチレーションカウンター大きいサイズの使用 ライトガイド (通常は研磨された有機ガラスで作られています)。

向けに設計された PMT シンチレーションカウンター、高い光電陰極効率 (最大 2.5%)、高利得 (10 8 -10 8)、短い電子収集時間 (~ 10 -8) を備えている必要があります。秒）今回の高い安定性を備えています。後者では時間分解能を達成できます シンチレーションカウンター£10 –9 秒光電子増倍管の高いゲインと低レベルの固有ノイズにより、光電陰極からノックアウトされた個々の電子を記録することが可能になります。 PMT アノードの信号は 100 に達する可能性があります V.

テーブル 1. - いくつかの固体および液体シンチレーターの特性、

シンチレーションカウンターに使用される

物質	密度、 g/cm3	点灯時間、t、 10 -9 秒		変換効率 h、% (電子の場合)
クリスタル
アントラセン 14 H 10	1,25	30	4450	4
スチルベン 14H12	1,16	6	4100	3
な()	3,67	250	4100	6
ZnS()	4,09	11	4500	10
csl()	4,5	700	5600	2
液体
解決 R-テルフェニルのキシレン溶液（5 g/l）にPOPPOP 1（0.1 g/l）を添加	0,86	2	3500	2
解決 R-テルフェニルのトルエン溶液（4 g/l）にPOPPOP（0.1 g/l）を添加	0,86	2,7	4300	2,5
プラスチック
ポリスチレンを添加したもの R-テルフェニル (0.9%) および a-O 2 (0.05 wt%)	1,06	2,2	4000	1,6
ポリビニルトルエン3.4%添加 R- テルフェニルおよび 0.1 wt% POPOP	1,1	3	4300	2

1 POPOR - 1,4-ジベンゼン。 2O-2-(1-ナフチル)-5-フェニルオキサゾール。

利点 シンチレーションカウンター：各種粒子の登録効率が高い（ほぼ100％）。パフォーマンス; さまざまなサイズと構成のシンチレーターを製造する能力。信頼性が高く、比較的低コストです。これらの特質のおかげで シンチレーションカウンター核物理学、素粒子物理学などで広く使用されています。 宇宙線, 産業（放射線監視）、 線量測定, 放射測定, 地質学、医学など短所 シンチレーションカウンター: 低エネルギー粒子に対する感度が低い (£1 ケブ), エネルギー分解能が低い（を参照） シンチレーション分光計 ).

低エネルギーの荷電粒子を研究するには (< 0,1 マヴ）および核分裂破片、ガスがシンチレーターとして使用されます（表 2）。ガスは、信号の大きさが広いエネルギー範囲の粒子エネルギー、作用速度、および圧力を変化させることによって阻止力を変化させる能力に線形に依存します。さらに、ソースをガスシンチレーターの容積内に導入することができます。ただし、ガスシンチレーターには、高いガス純度と石英窓を備えた特別な PMT が必要です (放出される光のかなりの部分は紫外領域にあります)。

テーブル 2. - 用途に使用されるいくつかのガスの特性

シンチレーションカウンター内のシンチレーター (740 の圧力で) んん

水銀美術。、エネルギーを持つ a 粒子の場合 4.7 マヴ)

ガス	点灯時間t、秒	スペクトルの最大値の波長、	変換効率n、%
3900	2

点灯: Birke J.、シンチレーションカウンター、トランス。英語から、M.、1955年。 Kalashnikova V.I.、Kozodaev M.S.、素粒子の検出器、著書：核物理学の実験方法、M.、1966。 Ritson D.、高エネルギー物理学の実験方法、トランス。英語、M.、1964 年より。

という言葉についての記事 シンチレーションカウンターソビエト大百科事典の「」は 24,381 回読まれました

要約: シンチレーションカウンター

q シンチレーションカウンターの動作原理

q シンチレーター

q 光電子増倍管

q シンチレーションカウンターの設計

q シンチレーションカウンターの性質

q シンチレーションカウンターの使用例

q 中古文献リスト

シンチレーションカウンター

荷電粒子が硫化亜鉛スクリーンに衝突したときに発生する光のフラッシュを数えることによって粒子を検出する方法 ( ZnS ）は、核放射線を記録するための最初の方法の 1 つです。

1903 年という早い時期に、クルックスらは、照射された硫化亜鉛のスクリーンを考慮すると、ある -粒子、暗い部屋で虫眼鏡を通して見ると、個々の短期間の光のフラッシュ、つまりシンチレーションの出現に気づくことができます。これらのシンチレーションはそれぞれ別個の物質によって生成されることが判明しました。ある - 粒子が画面に当たる。クルックスは、数を数えるために設計された、クルックス・スピンタリスコープと呼ばれる単純な装置を作りました。α粒子。

視覚シンチレーション方式はその後、主に記録に使用されるようになりました。ある - 数百万電子ボルトのエネルギーを持つ粒子と陽子。高速電子は非常に弱いシンチレーションを引き起こすため、個々の高速電子を検出することはできませんでした。硫化亜鉛スクリーンに電子を照射すると、フラッシュが観察されることがありましたが、これは十分な数の電子が同じ硫化亜鉛結晶に同時に衝突した場合にのみ起こりました。

ガンマ線は画面上にフラッシュを引き起こさず、全体的な輝きのみを生成します。これにより登録できるようになりますある - 強力な物質の存在下での粒子 g線。

視覚シンチレーション法では、単位時間当たりの微量な粒子の検出が可能です。シンチレーションの数をカウントするのに最適な条件は、シンチレーションの数が 1 分間あたり 20 ～ 40 の場合に得られます。もちろん、シンチレーション法は主観的なものであり、結果は実験者の個人的な資質にある程度依存します。

視覚的シンチレーション法には欠点はありましたが、核物理学および原子物理学の発展において大きな役割を果たしました。彼の助けを借りてラザフォードは記録したある - 原子上に散在する粒子。ラザフォードを原子核の発見に導いたのはこれらの実験でした。視覚的手法により、窒素原子核が衝突したときにそこから叩き出される高速陽子を検出することが初めて可能になったある -粒子、つまり初めての人工核分裂。

視覚シンチレーション法は 30 年代まで非常に重要でしたが、核放射線を記録するための新しい方法の出現により、しばらくの間忘れ去られていました。シンチレーションレジストレーション法は、20 世紀の 40 年代後半に新たな基盤に基づいて復活しました。この時までに、非常に弱い光のフラッシュを検出できるようにする光電子増倍管 (PMT) が開発されていました。シンチレーションカウンターが開発され、目視による方法と比較して計数率を10 8 倍以上高めることができ、荷電粒子と中性子の両方のエネルギーを記録して分析することもできます。 g線。

§ 1. シンチレーションカウンターの動作原理

シンチレーションカウンターは、シンチレーター（リン）と光電子増倍管（PMT）を組み合わせたものです。このカウンタには、光電子増倍管用の電源と、光電子増倍管パルスの増幅と登録を行う無線装置も含まれています。リンと光電子増倍管の組み合わせは、特別な光学システム (ライトガイド) を介して行われる場合があります。

シンチレーションカウンターの動作原理は次のとおりです。シンチレータに入射した荷電粒子は、その分子のイオン化と励起を引き起こし、非常に短い時間（10 -6 ）の後に、 - 10 -9 秒 ) 安定状態に遷移し、光子を放出します。閃光（シンチレーション）が発生します。光子の一部は光電子増倍管の光電陰極に衝突し、そこから光電子をノックアウトします。後者は、光電子増倍管に印加される電圧の影響下で集束され、電子増倍管の第 1 電極 (ダイノード) に向けられます。さらに、二次電子放出により電子の数が雪崩のように増加し、光電子増倍管の出力に電圧パルスが現れ、これが増幅されて無線機器に記録されます。

出力パルスの振幅と持続時間は、シンチレータと光電子増倍管の両方の特性によって決まります。

リンとしては以下のものが使用されます。

Ø 有機結晶、

Ø 液体有機シンチレーター,

Ø 硬質プラスチックシンチレーター,

Ø ガスシンチレーター。

シンチレータの主な特徴は、光出力、放射線のスペクトル組成、およびシンチレーション持続時間です。

光出力またはシンチレータ変換効率 c フラッシュエネルギー比と呼ばれる , エネルギー量が出てくる Eシンチレータ内で失われた荷電粒子、

どこ - 出てくる光子の平均数、 - 平均光子エネルギー。各シンチレータは単一エネルギー量子を放出するのではなく、このシンチレータの連続スペクトル特性を放出します。

シンチレータから出てくる光子のスペクトルが光電子増倍管のスペクトル特性と一致するか、少なくとも部分的に重なることが非常に重要です。

外部シンチレーションスペクトルとスペクトル特性の重なり具合. 特定の光電子増倍管の値は、マッチング係数によって決定されます。

どこ私 0 - シンチレーション強度の最大値。t 0 - 減衰時定数。シンチレーション強度が減少する時間として定義されます。 e一度。

光の光子の数n, 時間内に放出されるt検出された粒子に衝突した後、次の式で表されます。

ここで、はシンチレーションプロセス中に放出される光子の総数です。

リンの発光（発光）の過程は、蛍光と燐光の２種類に分けられます。ルミネッセンスが励起中または 10 -8 程度の時間中に直接発生する場合秒、このプロセスは蛍光と呼ばれます。インターバル 10 -8 秒いわゆる許容遷移の励起状態にある原子の寿命と大きさのオーダーが等しいため、この値が選択されました。

蛍光のスペクトルと持続時間は励起の種類に依存しませんが、蛍光収量は励起の種類に大きく依存します。それでクリスタルが興奮するとある -粒子の場合、蛍光収量は光励起の場合よりもほぼ一桁低くなります。

§ 2. シンチレーター

無機シンチレーター . 無機シンチレーターは無機塩の結晶です。シンチレーション技術における実際の用途は、主にいくつかのアルカリ金属のハロゲン化物です。

実際には、無機シンチレーターの光出力を高めるために、活性剤と呼ばれる他の元素の特別な不純物が導入されます。例えば、タリウムは賦活剤としてヨウ化ナトリウム結晶に導入される。結晶をベースにしたシンチレータ NaJ(Tl)、大きな光出力を持っています。シンチレーターナジ (Tl) には、ガス充填メーターと比較して大きな利点があります。

登録効率の向上 g - 光線（結晶が大きい場合、登録効率は数十パーセントに達する可能性があります）。

シンチレーションの持続時間は短い (2.5 10 -7 秒)。

パルスの振幅と荷電粒子によって失われるエネルギー量との間には線形関係があります。

最後のプロパティについては説明が必要です。シンチレータの光出力は、荷電粒子の特定のエネルギー損失にある程度依存します。 .

非常に大きな値では、シンチレータの結晶格子に重大な乱れが生じる可能性があり、局所的な消光中心の出現につながります。この状況により、光出力が相対的に低下する可能性があります。実際、実験事実は、重粒子の収量は非線形であり、数百万電子ボルトのエネルギーでのみ線形依存性が現れ始めることを示しています。図では、1は依存曲線を示しています cから E:曲線1 電子の場合、曲線 2 粒子の場合。

上記のアルカリハロゲン化物シンチレーターに加えて、他の無機結晶が使用されることもあります。ZnS (Tl)、CsJ (Tl)、CdS (Ag)、CaWO 4 、CdWO 4や。。など。

有機結晶シンチレーター。 有機結晶中の分子結合力は、無機結晶中に働く力に比べて小さい。したがって、相互作用する分子は実際には互いの電子エネルギーレベルを乱すことはなく、有機結晶の発光プロセスは個々の分子に特有のプロセスです。基底電子状態では、分子にはいくつかの振動レベルがあります。検出された放射線の影響下で、分子は励起電子状態になり、これもいくつかの振動レベルに対応します。分子のイオン化や解離も可能です。組み換えの結果イオン化した分子は、通常、励起状態で形成されます。最初に励起された分子は、短時間後に高い励起レベルになることがあります (~ 10 -11 秒)高エネルギーの光子を放出します。この光子は別の分子によって吸収され、この分子の励起エネルギーの一部は熱運動に費やされる可能性があり、その後放出される光子のエネルギーは、他の分子に比べて低くなります。前のものと一緒に。放出と吸収の数サイクルの後、最初の励起状態にある分子が形成されます。レベル; それらは光子を放出しますが、そのエネルギーは他の分子を励起するのに十分ではない可能性があるため、結晶は結果として生じる放射線に対して透明になります。

米。 2. 光出力依存性

さまざまな粒子のエネルギーからアントラセンを抽出します。

励起エネルギーの大部分が熱運動に費やされるため、結晶の光出力（変換効率）は比較的小さく、数パーセントに達します。

核放射線の記録には、アントラセン、スチルベン、ナフタレンの有機結晶が最も広く使用されています。アントラセンはかなり大きな光出力 (~4%) と短い照射時間 (3 1 0 -8 秒）。しかし、重荷電粒子が検出される場合、シンチレーション強度の線形依存性は、かなり高い粒子エネルギーでのみ観察されます。

図では、 2 グラフは光出力の依存性を示しています c （任意の単位で）電子エネルギーから 1 、プロトン 2 , デイトン3とα粒子4 .

スチルベンはアントラセンよりもわずかに光出力が低いですが、しかし、シンチレーションの持続時間ははるかに短い (7 10 -9) 秒)、アントラセンよりも優れているため、非常に強い放射線の記録が必要な実験での使用が可能になります。

プラスチックシンチレーター。 プラスチックシンチレーターは、適切な透明物質中に蛍光有機化合物が固溶したものです。たとえば、ポリスチレンまたはプレキシガラス中のアントラセンまたはスチルベンの溶液です。溶解している蛍光物質の濃度は通常、10分の数％から数％程度と低くなります。

プラスチックシンチレーターには、有機結晶シンチレーターに比べて次のような大きな利点があります。

Ø 非常に大きなサイズのシンチレーターを製造する能力。

Ø シンチレータにスペクトルミキサを導入して、その発光スペクトルを光電陰極のスペクトル特性とより良く一致させる可能性。

Ø 特別な実験（中性子の研究など）に必要なさまざまな物質をシンチレーターに導入する可能性。

Ø 真空中でプラスチックシンチレータを使用する可能性。

短い照射時間 (~3 10 -9 秒）。アントラセンをポリスチレンに溶解して製造されたプラスチックシンチレータは、最も高い光出力を持っています。スチルベンのポリスチレン溶液にも優れた特性があります。

液体有機シンチレーター。 液体有機シンチレーターは、有機シンチレーション物質を液体有機溶媒に溶かした溶液です。

液体シンチレーターにおける蛍光のメカニズムは、固体シンチレーター溶液で発生するメカニズムと似ています。

最も適切な溶媒はキシレン、トルエンおよびフェニルシクロヘキサンであり、発光物質はp-テルフェニル、ジフェニルオキサゾールおよびテトラフェニルブタジエンであった。最高の光出力はシンチレーターによって達成されます。解散時

溶質濃度 5 のキシレン中の p-テルフェニル グラム/リットル。

液体シンチレーターの主な利点:

Ø 大量生産の可能性。

Ø 特殊な用途に必要な物質をシンチレータに導入する可能性実験;

Ø 短いフラッシュ持続時間 (~3 10 -9 秒）。

ガスシンチレーター。 荷電粒子がさまざまなガスを通過すると、その中でシンチレーションの出現が観察されました。重希ガス (キセノンとクリプトン) は最も高い光出力を持っています。キセノンとヘリウムの混合物も高い光出力を持っています。ヘリウム中に 10% のキセノンが存在すると、純粋なキセノンよりもさらに大きな光出力が得られます (図 1)。 3). 他のガスがわずかに混入すると、希ガスのシンチレーションの強度が急激に低下します。

米。 3. ガスの光出力依存性

シンチレーターはヘリウムとキセノンの混合比によって決まります。

希ガスのフレアの持続時間は短い (10 -9 -10 -8 であることが実験的に示されています) 秒)、そして、広範囲にわたるフレアの強度は、検出された粒子の失われたエネルギーに比例し、粒子の質量や電荷には依存しません。ガスシンチレーターは感度が低いため、 g線。

ジフェニルスチルベン（変換効率約1）;

P1p'-クォーターフェニル (~1);

アントラセン(0.34)など

光コンバータは、光電子増倍管の光電陰極に薄層で塗布されます。光コンバータの重要なパラメータは、その照射時間です。この点において、有機コンバーターは非常に満足のいくものです (10 -9 秒または 10 -9 あたり数単位 秒）。集光性を高めるために、シンチレータチャンバの内壁は通常、光反射板で覆われています。(MgO、酸化チタン系エナメル、フッ素樹脂、酸化アルミニウム等）。

§ 3. 光電子増倍管

PMT の主な要素は、光電陰極、集束システム、増倍システム (ダイノード)、陽極 (コレクタ) です。これらすべての要素はガラスシリンダー内にあり、高真空 (10 -6 ) に排気されています。 mmHg）。

核放射線分光分析の目的では、通常、光電陰極は光電子増倍管の平らな端の内面に配置されます。光電面の材料としては、シンチレータが発する光に対して十分に感度の高い物質が選択される。最も広く使用されているのはアンチモンセシウム光電陰極で、その最大スペクトル感度は次のとおりです。 l = 3900¸ 4200 A、これは多くのシンチレーターの発光スペクトルの最大値に相当します。

米。 4. 光電子増倍管の概略図。

光電陰極の特性の 1 つは、その量子収率、つまり光電陰極に当たる光子によって光電子が引き抜かれる確率です。マグニチュード e 10〜20％に達する可能性があります。光電陰極の特性は、光電流の比である積分感度によっても特徴付けられます。 (mka)へ光電面に入射する光束 （笑）。

光電陰極は、薄い半透明層の形でガラスに適用されます。この層の厚さは重要です。一方では、光の吸収が大きい場合、それは重要であるに違いないが、他方では、非常に低いエネルギーを有する結果として生じる光電子は厚い層から出ることができず、実効的な量子収量が小さくなる可能性がある。したがって、光電面の最適な厚さが選択されます。光電陰極の感度が全領域にわたって同じになるように、光電陰極の厚さを均一にすることも重要です。シンチレーション中 g -分光測定では、厚さと直径の両方において大きな固体シンチレーターの使用が必要になることがよくあります。したがって、大きな光電陰極直径を備えた光電子増倍管を製造する必要がある。国産の光電子増倍管では、光電面の直径が数センチから15センチ程度で作られています。¸ 20 cm。光電陰極から放出された光電子は、最初の増倍電極上に集束する必要があります。この目的のために、一連の集束絞りである静電レンズのシステムが使用されます。光電子増倍管の良好なタイミング特性を得るには、電子が最小の時間広がりで最初のダイノードに落ちるような集束システムを作成することが重要です。図では、 4 光電子増倍管の概略構造を示します。光電子増倍管に供給される高電圧は、その陰極でカソードに接続され、すべての電極間に分配されます。カソードとダイアフラム間の電位差により、光電子が最初の増倍電極上に確実に集束されます。増幅する電極はダイノードと呼ばれます。ダイネードは、二次放出係数が 1 ( s >1)。国産の光電子増倍管では、ダイノードはトラフ型のいずれかの形で製造されています（図1）。 4), またはブラインドの形で。どちらの場合も、ダイノードは一列に配置されます。ダイノードをリング状に配置することも可能です。リング型ダイノードシステムを備えた PMT は、より優れた時間特性を備えています。ダイノードの発光層は、アンチモンとセシウムの層、または特殊な合金の層です。最大値 s アンチモンセシウムエミッターの場合、電子エネルギー 350 で達成されます。¸ 400 エフ、合金エミッタの場合 - 500¸ 550 前に。最初のケースでは s = 12 ¸ 14、2番目のs = 7 ¸ 10. PMT 動作モードでは、値 s 若干少ないです。かなり良好な二次排出係数は次のとおりです。 s = 5。

最初のダイノードに集束した光電子は、そこから二次電子をノックアウトします。最初のダイノードから放出される電子の数は、光電子の数よりも数倍多くなります。それらはすべて 2 番目のダイノードに送られ、そこで二次電子などもノックアウトされます。, ダイノードからダイノードへ、電子の数は増加します。 s回。

PMT の重要な特性は乗算係数です。 M.値が s すべてのダイノードが同じであり（ダイノード上の電子が完全に収集されている）、ダイノードの数が等しいn, それ

s n = (Aue -Bu) n

A と B は定数、u – 電子エネルギー。乗算係数 Mゲインと等しくないま」 , カソードから出る電流に対する PMT 出力の電流の比率を特徴づけます。

ま」 = CM、

どこ と<1 - 電子収集係数。最初のダイノードでの光電子収集の効率を特徴付けます。

一定のゲインは非常に重要ですま」 PMT は、時間と光電陰極から出る電子数の変化の両方で変化します。後者の状況により、シンチレーションカウンターを核放射線分光計として使用することが可能になります。

光電子増倍管の干渉について。 シンチレーションカウンターでは、外部照射がない場合でも、PMT 出力に多数のパルスが現れることがあります。これらのパルスは通常、振幅が小さく、ノイズパルスと呼ばれます。最大数のノイズパルスは、光電陰極または最初のダイノードからの熱電子の出現によるものです。光電子増倍管のノイズを低減するには、その冷却がよく使用されます。大振幅パルスを生成する放射線を記録する場合、記録回路にはノイズパルスを通過させない弁別器が組み込まれています。

米。 5. PMTノイズを抑制する回路です。

1. 振幅がノイズに匹敵するパルスを記録する場合、同時計数回路に含まれる 2 つの光電子増倍管を備えた 1 つのシンチレーターを使用するのが合理的です (図 2)。 5). この場合、検出された粒子から生じるパルスの一時的な選択が発生します。実際、検出された粒子からシンチレータ内で発生するフラッシュ光は、両方の光電子増倍管の光電陰極に同時に当たり、パルスが同時に出力に現れ、一致回路が動作します。パーティクルが登録されます。各光電子増倍管のノイズパルスは互いに独立して発生し、ほとんどの場合、一致回路によって記録されません。この方法により、光電子増倍管の固有バックグラウンドを 2 ～ 3 桁減らすことができます。

電流密度が最も高いアノードの領域では、残留ガスと構造材料の両方のグローが発生する可能性があります。結果として生じる弱い発光とイオンフィードバックにより、主パルスから時間的に 10 -8 離れた、いわゆる随伴パルスが発生します。¸10-7 秒

§ 4. シンチレーションカウンターの設計

シンチレーションカウンターの設計には次の要件が適用されます。

Ø 光電面でのシンチレーション光の最適な収集。

Ø 光電陰極に沿った光の均一な分布。

Ø 外部からの光による暗さ。

Ø 磁場の影響を受けません。

Ø PMTゲインの安定性。

吸湿性シンチレータの慎重な梱包には特に注意を払う必要があります。たとえば、最も一般的に使用されるリンは、ナジ(Tl) 吸湿性が非常に高く、水分が侵入すると黄色くなり、シンチレーション特性が失われます。

曲率半径の大きなライトガイドを使用することをお勧めします。ライトガイドを使用すると、異なる直径のシンチレータや光電子増倍管を接続することもできます。この場合、円錐形のライトパイプが使用されます。 PMT は、ライトガイドを介して、または液体との直接接触によって液体シンチレーターと結合されます。図では、 6 光電子増倍管と液体シンチレーターを結合する例が示されています。さまざまな動作モードで、PMT には 1000 ～ 2500 の電圧が供給されます。 V. PMT ゲインは電圧に非常に大きく依存するため、供給電流源は十分に安定化されている必要があります。また、自己安定化も可能です。

PMT は分圧器を使用して電力を供給され、対応する電位が各電極に印加されるようになります。電源の負極は光電陰極と分配器の一端に接続されます。正極ディバイダの他端は接地されています。分圧器の抵抗は、PMT の最適な動作モードが達成されるように選択されます。安定性を高めるには、分圧器を流れる電流が PMT を流れる電子電流よりも 1 桁大きくなければなりません。

米。 6. 光電子増倍管と液体シンチレーターの結合。

1液体シンチレーター。

2- PMT;

3- ライト保護カバー。

シンチレーションカウンターがパルスモードで動作する場合、ショート (~10 -8 秒）パルスの振幅は数単位または数十ボルトになることがあります。この場合、分圧器を流れる電流には電子によってカスケードから持ち去られた電荷を補充する時間がないため、最後のダイノードの電位が突然変化する可能性があります。このような電位変動を避けるために、分圧器の最後のいくつかの抵抗はコンデンサで分流されます。ダイノードの電位を選択することにより、これらのダイノードで電子を収集するための好ましい条件が作成されます。最適モードに対応した特定の電子光学系が実装されています。

で PMT ダイノード上の電位が不均衡に変化すると、比例性が損なわれた領域に電子を集束させるための条件が変化します。この状況は、光電子増倍管のゲインを自己安定化するために使用されます。この目的のために、潜在的な

米。 7。分周回路の一部。

追加のバッテリーまたは追加の安定化分配器のいずれかを使用して、ダイノードの 1 つが前のダイノードの電位に関連して一定に設定されます。図では、 7 分周回路の一部を示します。ダイノード間の D5とD6 予備バッテリー付属 ( U b = 90 Ⅴ）。最良の自己安定化効果を得るには、抵抗値を選択する必要があります R」。 いつものＲ」もっと R 3～4回。

§ 5. シンチレーションカウンターの特性

シンチレーションカウンターには次のような利点があります。

高い時間分解能。 パルス持続時間は、使用するシンチレーターに応じて、10 -6 ～ 10 -9 の範囲になります。秒、それらの。自己放電を備えたカウンタよりも数桁小さいため、はるかに高い計数率が可能になります。シンチレーションカウンターのもう 1 つの重要な時間特性は、検出された粒子がリン (10 -9 ～ 10 -8) を通過した後の小さなパルス遅延です。 秒）。これにより、解決時間の短い一致スキームの使用が可能になります (< 10 -8 秒)したがって、少数のランダムな同時計数を使用して、個々のチャネルではるかに大きな負荷の下で同時計数測定を実行します。

高い登録効率 g - 線と中性子。 登録用 g - 検出物質と反応するには量子または中性子が必要です。この場合、結果として生じる二次荷電粒子が検出器によって記録される必要があります。明らかに、邪魔になる物質が多ければ多いほど、 g - 線または中性子の場合、吸収の確率が高くなるほど、登録の効率も高くなります。現在、大型シンチレータを使用すると、登録効率が向上します。 g -数十パーセントの光線。特殊導入物質を用いたシンチレーターによる中性子検出効率（10V、 6 李など）も、ガス排出カウンターを使用してそれらを登録する効率をはるかに上回ります。

振幅分析装置に接続されたシンチレーションカウンターを使用すると、電子のスペクトルを研究することができます。 g -光線。重荷電粒子のスペクトルの研究では、状況は多少悪化します (ある -粒子など）、シンチレーター内で高い比イオン化を引き起こします。これらの場合、失われたエネルギーのフラッシュの強度の比例関係は、すべての粒子エネルギーで観察されるわけではなく、特定の値より大きいエネルギー値でのみ現れます。パルス振幅と粒子エネルギーの間の非線形関係は、蛍光体や粒子の種類によって異なります。これは、図 1 と図 1 のグラフで示されています。 2.

中性子が大きな断面積で相互作用する物質をシンチレーターに導入する可能性。蛍光体は低速中性子を検出するために使用されます LiJ(Tl)、LiF、LiBr。遅い中性子が相互作用するとき 6 李反応がある 6 Li(n, a) 3 H、エネルギーが 4.8 で放出される メヴ。

§ 6. シンチレーションカウンターの使用例

原子核の励起状態の寿命を測定します。放射性崩壊中またはさまざまな核反応中、結果として生じる原子核は励起状態にあることがよくあります。原子核の励起状態の量子特性の研究は、原子核物理学の主要な課題の 1 つです。原子核の励起状態の非常に重要な特徴はその寿命です。 t. この値を知ることで、原子核の構造について多くの情報を得ることができます。

原子核はさまざまな時間にわたって励起状態になることがあります。これらの時間を測定するにはさまざまな方法があります。シンチレーションカウンターは、数秒から数分の一秒までの核レベルの寿命を測定するのに非常に便利であることが証明されています。シンチレーションカウンターの使用例として、遅延同時計数法を考えます。コアをしましょう A (図 10 を参照) by b - 核に崩壊するで励起状態では、過剰なエネルギーが 2 つの連続放出に放出されます。 g量子 ( g 1 、g 2 ) 。励起状態の寿命を決定する必要がある私。同位体 A を含むプレパレーションは、結晶を備えた 2 つのカウンターの間に設置されます NaJ(Tl) (図 8)。 PMT 出力で生成されたパルスは、分解時間のある高速一致回路に供給されます。~10 -8 - 10 -7 秒さらに、パルスは線形増幅器に供給され、次に振幅分析器に供給されます。後者は、特定の振幅のパルスを送信するように構成されています。私たちの目的のために、つまりレベルの寿命を測定する目的私(図10を参照)、振幅分析器 AAI 量子のエネルギーに対応するパルスのみを通過させなければなりません g 1 アナライザー あああ - g 2 .

米。 8. 決定するための模式図

原子核の励起状態の寿命。

次に、アナライザーと高速一致回路からのパルスが低速回路に供給されます ( t ~10 -6 秒)トリプルコインのパターン。この実験では、高速一致回路の最初のチャネルに含まれるパルスの時間遅延に対する三重一致の数の依存性を研究します。通常、パルスはいわゆる可変遅延線 LZ を使用して遅延されます (図 2)。 8).

遅延線は、量子が記録されるチャネルに正確に接続する必要があります g1、量子より先に放出されるため g 2 。実験の結果、トリプルマッチ数の遅延時間依存性を示す片対数グラフが構築されました（図1）。 9), これから励起準位の寿命が決まります私(単一の検出器を使用して半減期を決定する場合と同じ)。

結晶シンチレーションカウンターの使用ナジ(Tl) そして、高速と低速の一致の考慮されたスキームにより、寿命を測定することができます 10 -7 - 10 -9 秒より高速な有機シンチレーターを使用すると、励起状態のより短い寿命 (最大 10 -11) を測定できます。秒) .

米。 9. 遅延値に対する一致数の依存性。

ガンマ線探傷。 優れた透過力を持つ核放射線は、パイプ、レール、その他の大きな金属ブロックの欠陥を検出する技術にますます使用されています。これらの目的のためにソースが使用されます g - 放射線と検出器ぐ、光線。この場合に最適な検出器は、登録効率が高いシンチレーションカウンターです。放射線源は鉛の容器に入れられ、そこからコリメータの穴を通って細いビームが出ます。 g - パイプを照らす光線。パイプの反対側にはシンチレーションカウンターが設置されています。ソースとカウンターは可動機構上に配置されており、パイプに沿って移動したり、その軸の周りを回転したりすることができます。パイプ材・束を通過 g - 光線は部分的に吸収されます。パイプが均質であれば、吸収はどこでも同じになり、メーターは常に同じ数値を記録します（平均して） g -単位時間あたりの量子、ただしパイプのどこかにシンクがある場合、 g - この場所の光線の吸収が少なくなり、計数率が増加します。シンクの位置が明らかになります。シンチレーションカウンターのこのような使用例は数多くあります。

ニュートリノの実験的検出。 ニュートリノは素粒子の中で最も謎に満ちています。ニュートリノのほぼすべての特性は間接的なデータから得られます。現代理論 b -崩壊はニュートリノの質量がんゼロに等しい。一部の実験では、と断言します。ニュートリノのスピンは次の値に等しい 1/2 、磁気モーメント<10 -9 ボーア磁子。電荷はゼロです。ニュートリノは、物質と相互作用することなく、物質の巨大な層を通過できます。原子核の放射性崩壊中に、2 種類のニュートリノが放出されます。したがって、陽電子崩壊中に、原子核は陽電子 (反粒子) とニュートリノ ( n -粒子）。電子減衰あり電子（粒子）と反ニュートリノ（` n -反粒子)。

過剰な中性子を含む非常に多数の原子核が形成される原子炉の作成により、反ニュートリノを検出する期待が高まっています。中性子が豊富なすべての原子核は電子の放出によって崩壊し、その結果、反ニュートリノが発生します。数十万キロワットの出力を持つ原子炉の近くでは、反ニュートリノ束は 10 13 です。 cm -2 · 秒 -1 -膨大な密度の流れであり、適切な反ニュートリノ検出器を選択することで、それらの検出を試みることができます。このような試みは 1954 年に Raines と Cowan によって行われました。著者らは次のような反応を示しました。

n + p® n + e + (1)

この反応の生成粒子は陽電子と中性子であり、これらを登録することができます。

体積約 1 の液体シンチレーター m3、水素含有量が高く、カドミウムが飽和しています。反応で生成される陽電子 ( 1 ）、二体で全滅 g -エネルギー511を持つ量子ケブそれぞれが最初のシンチレーターフラッシュの出現を引き起こしました。中性子は数マイクロ秒以内に減速し、カドミウムに捕獲されました。このカドミウムの取り込み中に、いくつかの g -総エネルギーが約9の量子 メヴ。その結果、シンチレータ内で２回目のフラッシュが発生した。 2 つのパルスの遅延同時発生が測定されました。フラッシュを記録するために、液体シンチレーターは多数の光電子増倍管で囲まれていました。

遅延一致の計数率は 1 時間あたり 3 回でした。これらのデータから、反応断面積が次のようになっていることがわかりました（図 1）。 1) s = (1.1 ± 0.4) 10 -43 センチメートル2、計算値に近い値になります。

現在、非常に大型の液体シンチレーションカウンターが多くの実験、特にフラックスを測定する実験で使用されています。 g - 人間や他の生物が放出する放射線。

核分裂フラグメントの登録。ガスシンチレーションカウンターは、核分裂フラグメントの記録に便利であることが証明されています。

通常、核分裂断面積を研究する実験は次のように行われます。研究対象の元素の層を基板に塗布し、中性子束を照射します。もちろん、使用される核分裂性物質が多ければ多いほど、より多くの核分裂現象が発生します。しかし、通常は割り切れるので、物質（例えば、超ウラン元素）は、ある -エミッターの場合、大量のバックグラウンドが原因でそれらを大量に使用することが困難になります。ある -粒子そして、パルス電離箱を使用して核分裂現象を研究する場合、からのパルスを重ね合わせることが可能です。ある -粒子は、核分裂の破片から生じるインパルスに変換されます。より優れた時間分解能を備えたデバイスのみが、パルスを互いに重畳することなく大量の核分裂性物質の使用を可能にします。この点において、ガスシンチレーションカウンターは、パルス電離箱のパルス持続時間がガスシンチレーションカウンターよりも2～3桁長いため、パルス電離箱よりも大きな利点があります。核分裂破片からのパルスの振幅は、核分裂破片からのパルスの振幅よりもはるかに大きいです。あるしたがって、振幅分析器を使用して簡単に分離できます。

ガスシンチレーションカウンターの非常に重要な特性は、その感度が低いことです。 g - 重荷電粒子の出現には激しい流れが伴うことが多いため、光線 g線。

発光カメラ。 1952 年、ソ連の物理学者ザヴォイスキーらは、高感度の電子光変換器 (EOC) を使用して、発光物質内のイオン化粒子の痕跡を初めて撮影しました。この粒子検出方法は蛍光カメラと呼ばれ、高い時間分解能を持っています。最初の実験は結晶を使用して行われましたＣｓＪ（Ｔｌ）。