Сер Вільям Крукс
Сцинтилятори - це особливі речовини, які можуть випромінювати світло при поглинанні іонізуючого випромінювання, такого як, наприклад, гамма-кванти. На відміну від, наприклад, люмінесценції, тут порушення відбувається саме за рахунок іонізації, а не за рахунок механічного впливу. Причому в основному висвітлення світла відбувається швидко, в формі миттєвої для ока спалаху. Також особливістю сцинтиляторів є те, що випромінюється кількість фотонів для даного типу випромінювання має близьку до пропорційної залежність від поглиненої енергії випромінювання. Значить можна виділити енергетичні спектри випромінювання по енергії спалахів.
Ці особливості сцинтиляторів дозволили використовувати їх в якості основи для поширеного класу детекторів, в яких частка викликає сцинтилляций, а світлоприймач реєструється сам спалах і її енергія.
Перші сцинтиляційні детектори з'явилися ще в 1903 р завдяки англійському фізику Крукс. Він показав, що якщо розглядати екран з сірчистого цинку, опромінюваний aльфа-частинками, через збільшувальне скло в темному приміщенні, то на ньому можна помітити появу окремих короткочасних спалахів світла - сцинтилляций. Було встановлено, що кожна з цих сцинтилляций створюється окремої # 945; -часткою, що потрапляє на екран. Круксом був побудований простий прилад, названий спінтаріскопом Крукса, призначений для рахунку # 945;-частинок (тут, відповідно світлоприймач був сам експериментатор). За допомогою такої нехитрої технології було здійснено епохальний досвід Резерфорда по розсіюванню альфа-частинок на ядрах золота.
Зараз в якості світлоприймач використовуються ФЕП - фотоелектронні помножувачі, а також, останнім часом, світлодіоди.
ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ СЦИНТИЛЯТОРИ
Першим перевагою сцинтиляторів є ціна. Технологічно сцинтиляційні детектори досить прості, і як наслідок дешеві. Це дозволяє використовувати їх там, де потрібно саме велика кількість детекторів, а не їх якість (наприклад, як буде сказано далі, в нейтронних детекторах, і різних калориметрах). По-друге, ці детектори дозволяють визначити енергію, втрачену часткою на проліт в середовищі сцинтилятора. Імпульс і координату вони не вимірюють (бо ФЕУ вельми чутливі до необхідних для цього виміру магнітним і електричним полями). Частка енергії реєстрованої частки, конвертована в енергію світлового спалаху, називається світловий вихід. Наприклад, світловий вихід антрацену становить приблизно 0.05, що означає приблизно 1 фотон на 50 еВ для частинок високої енергії. У часто використовуваного NaI світловий вихід приблизно 0.1 або 1 фотона на 25 еВ. Прийнято світловий вихід даного сцинтилятора порівнювати зі світловим виходом антрацену, який використовується як стандарт.
Однак недоліком є те, що цю саму енергію, сцинтилятори визначають досить неточно (в порівнянні з пропорційними лічильниками і напівпровідниковими детекторами). На це впливає відразу безліч факторів: статистичний характер сцинтилляций, неточності самого ФЕУ, а також специфічні характеристики сцинтилятора, пов'язані з післясвіченням (залишковим світінням після сцинтиляції, яке ускладнює визначення енергії наступних частинок, і яке пов'язане з люмінесценцією, проте його природа в різних речовинах різна ), а також з самим видом спектру сцинтилятора. Це призводить до того, що використовувати сцинтилятори як прецизійних детекторів можна.
Сцинтилятори мають мертвий час порядку мікросекунд, або десятків наносекунд. Це можна віднести скоріше до переваг сцинтилятора, тому що в якості центрових детекторів адже у іонізаційних камер і багатьох інших детекторів мертве час істотно більше.
До недоліків СЦИНТИЛЯТОРИ відноситься також труднощі експлуатації частини з них. Так багато сцинтилятори Вонигідроскопічни, а намокнув (або поглинувши водяна пара з повітря) перестають світити. Іншим потрібна низька температура. Втім, це проблема взагалі здебільшого детекторів, і як раз таки в цьому відношенні сцінтілляторние детектори менш вибагливі, ніж інші, яким найчастіше потрібна і низька температура, і високий вакуум.
Також визначення енергії частки в сцинтилятор ускладнює те, що різні частинки втрачають енергію по-різному і мають різний световиход. Так званий квенчінг-фактор відображає те наскільки менше фотонів дадуть важкі частки в порівнянні з легкими.
ТИПИ сЦИНТИЛЯТОРИ
Крім різних властивостей світності є й інше важливе практичне відмінність. Неорганічні кристали важко виростити великого розміру. Як і кристали взагалі. А газові сцинтилятори, скла, пластики і рідкі сцинтилятори можуть бути істотного обсягу.
МЕХАНІЗМ сцинтилляций
Переизлучение молекулярних рівнів
В цілому механізм сцинтилляций полягає в тому, що порушення, що створюється пролітає часткою, спочатку доводиться на якусь невипромінюючі середу, а вже потім доходить до деякого випромінює центру. У загальному випадку воно також може бути поглинена введеним речовиною Шифтер, який перєїзлучить світло на тій довжині хвилі, яку краще приймає ФЕУ. У неорганічних кристалах перенесення збудження атомів решітки забезпечується доречний-частковим механізмом, а випромінюють центри є домішками в кристал. В органічних сцинтиляторах порушується не зональні рівні всього речовини в цілому, а молекулярні рівні окремих атомів, а перенесення здійснюється перєїзлученієм. Розглянемо це докладніше.
В органічних сцинтиляторах під впливом реєстрованого випромінювання молекула переходить в збуджений електронний стан. Також можлива іонізація і дисоціація молекул (це призводить до старіння сцинтилятора).
Световиход залежності від концентрації сцінтіллірующего речовини
В результаті рекомбінації іонізованої молекули, вона, як правило, утворюється в збудженому стані. Спочатку збуджена молекула може знаходитися на високих рівнях збудження і через короткий час випускає фотон високої енергії. Цей фотон поглинається іншою молекулою, причому частина енергії збудження цієї молекули може бути витрачена на тепловий рух, і випущений згодом фотон буде мати вже меншою енергією в порівнянні з попереднім. І так буде до тих пір, поки вся енергія переизлучения не піде у теплову енергію. Але в сцинтиляторах є якась невелика (порядку декількох відсотків) добавка іншого речовини, така, що воно може збудитися, від переизлучение основною речовиною фотона, а потім випроменити на іншій частоті. Сцинтілятор світить завдяки їй. Особливість полягає в тому, що при невеликій кількості цього сцінтіллірующего речовини вихід буде малий, через те, що буде малий шанс порушення його молекул, а при великому він буде малий через те, що випромінювання буде перепоглощаться, і енергія буде йти в тепловий рух.
Також органічні сцинтилятори випромінюють в основному в ультрафіолетовому диапозоне. Для того, щоб зробити сцинтилятор світяться в оптичному діапозоні, вводиться, як і говорилося, спеціальну речовину - шіфтер, яке поглинає ультрафіолетове випромінювання, і перевипромінює на потрібній довжині хвилі. Наприклад, використовується оксазоліл бензолу - РОРОР.
Принципова схема детектора
Принципово детектор складається з двох частин: ємності з сцинтилятором і з светоприемника. Ємність повинна бути оточена добре відбивають світло дзеркалами. ФЕУ обов'язково потрібно захищати від магнітних полів, до яких він чутливий. Він повинен бути розташований так, щоб його свідчення не залежали від того де саме в ємності стався спалах. Також вся конструкція повинна бути затінена від сторонніх джерел світла.
ОСОБЛИВОСТІ рідких сцинтиляторів
Рідкі сцинтилятори - це розчини сцінтіллірующего речовини в деякій органічної рідини. Їх особливості, як органічних сцинтиляторів, це малий час висвічування (порядку десятків наносекунд) і мала ефективності, навіть в порівнянні з органічними кристалами. Механізм порушення описаний вище для всіх органічних сцинтиляторів.
Ці сцинтилятори, в силу того, що це рідина, мають унікальні сферами застосування. По-перше, в рідкі сцинтилятори можна без якихось проблем вводити добавки чутливі до якогось певного виду випромінювання. Наприклад, до нейтронам (для цього вводяться діляться в результаті реакції з нейтроном ізотопи). По-друге, рідкі сцинтилятори можна робити будь-якого обсягу. Їх можна буквально заливати в гігантські ємності, для того, щоб надійно реєструвати слабореагірующіе з речовиною частинки (наприклад, нейтрино). Точно також їх можна робити будь-якої форми, яку вимагає експеримент. Для цього потрібно правильним чином розташувати в будь-який, яка потрібна за обсягом і формою, ємності сцинтилятори ФЕУ.
Таким чином, рідкі сцинтилятори якісно відрізняються від усіх інших. У той час як тверді сцинтилятори - це вже готові, причому частіше за все не дуже великі (за винятком пластикових), детектори, то з рідких сцинтиляційних детектор можна буквально зібрати під конкретну задачу.
Різні частки регістіріруются в рідких сціінтілляторах по різному. Електрони надійно реєструються в будь-яких сцинтиляційних детекторах. Особливість органічних, і рідких сцинтиляторів в тому числі, в тому, що вони краще реєструють низькоенергетичними електрони і гірше високоенергетичних. Іони, протони і альфа-частинки реєструються не ідеально. По-перше, через сильні іонізаційних ефектів, по-друге, через велику масу. Це веде, по-перше, до зменшення световихода при невеликих енергіях, по-друге, до того, що спектр легких і важких частинок відрізняється. У важких частинок зазвичай сильніше післясвітіння при сцинтиляції.
Нейтрони не взаємодіють електромагнітно з речовиною. Тому для того, щоб їх зареєструвати, потрібно щоб нейтрон провзаімодейстовал з протоном. Самі по собі органічні детектори прийнятно реєструють швидкі нейтрони, завдяки водню в їх складі. Для реєстрації же повільних нейтронів, наприклад, можна ввести 6 Li або 10 B. Ці ізотопи мають високу перетин захоплення повільного нейтрона. З рідким сцинтилятором це робиться без праці.
Нарешті для реєстрації гамма-квантів потрібен великий атомний вага, чого у рідких сцинтиляторів немає, або великий обсяг, чого є. А для реєстрації нейтрино у них взагалі немає конкурентів, так як тут важливий, перш за все, обсяг речовини.
Приклади рідких сцинтиляторів
Прикладом є такі суміші, як розчин р-терфеніл (C18 H14) в ксилолі (C6 H4 (СН 3) 2) з добавкою Шифтер POPOP. Це досить часто використовуваний раніше сцинтилятор. При концентрації р-терфініла 5г / л його щільність: 0,86 г / см 3. Максимум світності припадає на 350 нм. Час появи: 2 нс. Світність по відношенню до NaJ: 0,25, по відношенню до антраценом відповідно: 0,5. Іншими часто використовуваними розчинниками є: толуол, феніл-ціклогесксан і PXE (PhenyloXylylethane). Сцінтіллірующего речовинами: діфенілоксазол (PPO) і детрафенілбутадіен (PBD).
Зараз є безліч видів сцинтиляторів, причому, найчастіше компанія виробник називає їх власним ім'ям. Однак особливістю рідких сцинтиляторів є те, що експериментатор може сам змішати потрібне йому речовина для детектора з куплених інгредієнтів. Виконати те ж саме з кристалами, очевидно не вийде.
LIQUID SCINTILLATION COUNTING
Цей спосіб вимірювання радіоактивності ефективний в силу того, що будь-який випущений електрон в будь-якому випадку потрапить в сцинтилятор.
нейтрино ДЕТЕКТОРИ
Мабуть, одне з найцікавіших застосувань рідких сцинтиляторів - це їх використання в якості нейтронних детекторів. Суть в тому, що нейтрино погано взаємодіє з речовиною. Йому потрібен великий обсяг детектора для надійної реєстрації. Однак в цьому випадку проблема полягає в власне реєстрації самого взаємодії. Одне з рішень - це використання гігантських за обсягом рідких сцинтиляційних детекторів. У цьому випадку продукти реакції легко відстежити по сцинтилляций, а в порівнянні результатів багатьох ФЕУ можна визначити місце реакції.
Одним з таких детекторів є знаменитий KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) - це великий нейтринний детектор на острові Хонсю в Японії. В експерименті беруть участь 12 інститутів США і Японії. На цьому детекторі було впервих отримано переконливий доказ осциляції нейтрино.
Ідея експерименту - була в зіставленні результату вимірювань потоку антинейтрино на KamLAND і точно розрахованого потоку антинейтрино від реакторів Кореї і Японії. Основний детектор установки містить килотонну рідкого сцинтилятора в прозорій нейлонової сфері діаметром 13 м (треба сказати, що зараз є і більш масштабні проекти з 18-ма кілотоннами сцинтилятора). Сцинтілятор складається з розчину один до чотирьох псевдокумола в додекане з невеликою добавкою діфенілоксазола, який покращує сцинтиляційні характеристики. На внутрішній поверхні сталевої сфери розташовані 1 879 фотопомножувачів двох типів (17- і 20-дюймового діаметра). Момент спрацьовування кожного ФЕУ відстежується з точністю приблизно 3.5 нс, що дозволяє не тільки вимірювати енергію подій, а й відновлювати координати сцинтиляційної спалаху. Результатом цього експерименту стала реєстрація за 150 днів 54 антинейтрино, в той час як розрахункова цифра була 86. Наявність дефіциту в потоці антинейтрино свідчить на користь існування антинейтрино осциляцій, тобто переходу електронного антинейтрино в антинейтрино інших типів - мюонного або тау.
ВИСНОВОК
Рідкі сцинтилятори - це унікальний, дешевий, і зручний інструмент для реєстрації всіх видів частинок. Наведені області застосування наочно показують, що в них заміни рідким сцинтиляторів немає. А в експериментах по реєстрації нейтрино у цих детекторів, мабуть, велике майбутнє.