Folyékony szcintillációs detektorok
Sir William Crookes
A szcintillátorok olyan speciális anyagok, amelyek fényt bocsátanak ki az ionizáló sugárzás elnyelésére, például gamma-kvantumra. Ellentétben például a lumineszcenciával, a gerjesztés itt az ionizáció, és nem a mechanikai hatás miatt következik be. És alapvetően a fény villan, gyorsan, a szem azonnali villogása formájában. A szcintillátorok jellemzője, hogy az adott típusú sugárzás fotonjainak kibocsátott mennyisége közel arányos függést mutat a sugárzás abszorbeált energiájával. Így kiválaszthatjuk a sugárzás energiaspektrumát a fáklyák energiájából.
A szcintillátorok ezen tulajdonságai lehetővé tették a detektorok közös osztályának használatát, amelynél a részecskék szcintillációt okoznak, és a fényérzékelő maga is regisztrálja a flare-t és energiáját.
Az első szcintillációs detektorok 1903-ban jelentek meg az angol Crookes fizikusnak köszönhetően. Azt mutatta, hogy nézve képernyőjén cink-szulfid, az alfa-besugárzott részecskék keresztül nagyító egy elsötétített szobában, akkor lehet megfigyelni a megjelenése egyéni rövid villanások - scintillations. Azt találtuk, hogy mindegyik szcintilláció külön-külön jön létre # 945; -rész a képernyőre. A Crooks egy egyszerű eszközt épített, amelyet Crookes spinneriscope-nak hívtak, számolásra szánták # 945; -partikulumok (itt vagy a fényérzékelő maga volt a kísérletező). Ennek az egyszerű technológianak köszönhetően Rutherford korai tapasztalata az aranymagok alfa részecskék szétszóródásában valósult meg.
Jelenleg a fényérzékelők - fotoelektromos multiplikátorok és a közelmúltban fénykibocsátó diódák - fotomultipliereket használnak.
A SCINTILLÁTOROK ELŐNYEI ÉS KÁRTÉRÍTÉSEI
A szcintillátorok első előnye az ár. Technológiailag a szcintillációs detektorok meglehetősen egyszerűek, ezért olcsóak. Ez lehetővé teszi számukra, hogy ott használják, ahol nagy mennyiségű detektorra van szükségük, és nem minőségi (pl. A későbbiekben a neutrínó detektorokban és különböző kalorimetrumokban). Másodszor, ezek az érzékelők lehetővé teszik számunkra, hogy meghatározzuk a részecske által elvesztett energiát szcintillátor közegben. Nem mérik a lendületet és koordinálják (mert a fotomultiplierek nagyon érzékenyek a méréshez szükséges mágneses és elektromos mezőre). A detektált részecske energiájának frakcióját, amelyet villámgyorsulásnak neveznek át, a fénykibocsátásnak nevezik. Például az antracén fényviszonya körülbelül 0,05, ami 50 eV-nál körülbelül 1 fotont jelent nagy energiájú részecskéknél. A gyakran használt NaI fénykibocsátás körülbelül 0,1 vagy 1 foton 25 eV-nál. A szcintillátor fényteljesítményét hasonlítjuk össze az antracén fénykibocsátásával, amelyet standardként használunk.
Hátránya azonban az, hogy ez a nagyon energia szcintillátorok határoztuk kellően pontatlan (összehasonlítva a proporcionális számlálók és szilárdtest detektorok). Ez érinti csak sok tényező: a statisztikai jellege szcintillációs, hibás a PMT és sajátosságait szcintillátor kapcsolatos perzisztencia (fluoreszcens után szcintillációs, amelyet nehéz meghatározni az energia a következő részecske, és a kapcsolódó lumineszcencia, de különböző anyagból természete eltér ), valamint a szcintillátor spektrumának típusával. Ez azzal a ténnyel jár, hogy lehetetlen szcintillátorokat használni precíziós detektoroknak.
A szcintillátorok holtidővel rendelkeznek a mikrosekundus sorrendben, vagy tíz nanoszekundumban. Ez inkább a szcintillátor előnyeivel magyarázható, mivel a központ detektor valójában az ionizációs kamrák és sok más detektorok sokkal hosszabb holtidővel rendelkeznek.
A szcintillátorok hátrányai szintén az a nehézség, hogy részben működnek. Olyan sok szcintillátor van hidroszkopikus, és nedvesen (vagy ha felszívja a vízből a levegőből származó vizet), akkor már nem ragyognak. Mások alacsony hőmérsékletet igényelnek. Azonban ez a probléma a legtöbb detektorban, és csak ebben a vonatkozásban a szcintillátor detektorok kevésbé szeszélyesek, mint mások, amelyek gyakran alacsony hőmérsékletet és magas vákuumot igényelnek.
A szcintillátorban lévő részecske-energia meghatározása ugyanakkor megnehezíti a különböző részecskék különböző módokon történő elvesztését, és eltérő fénykibocsátással rendelkezik. Az úgynevezett kvencselési tényező azt tükrözi, hogy a fotonok mennyivel kevernek a tüdőhöz képest súlyos részecskék.
SZÍNÉSZETI TÍPUSOK
A fényesség különböző tulajdonságai mellett van egy másik fontos gyakorlati különbség. A szervetlen kristályokat nehéz növekedni. Mint általában a kristályok. A gáz szcintillátorok, szemüvegek, műanyagok és folyékony szcintillátorok is jelentős mennyiségűek lehetnek.
A KUTATÁSI MECHANIZMUS
A molekulaszintek újraoldódása
Általában, a mechanizmus a szcintillációs, hogy az izgalom által generált tompított részecske, először jön a bizonyos nem-kibocsátó közegben, és csak ezután jön a sugárzó központ. Általában azt is felszívódik váltókar ki anyagot bocsát ki a fényt a hullámhossz, ami a legjobban megkapja a PMT. A szervetlen kristályrács atomok gerjesztési transzfer lyuk-biztosított részben mechanizmust, és a sugárzó központok szennyeződések a kristály. A szerves szcintillátorok nem zonális izgatott szintjét minden anyagra általában, és molekuláris szinten az egyes atomok és a közlekedési bekövetkezik reradiation. Tekintsük ezt részletesebben.
A szerves szcintillátorokban a detektált sugárzás hatására a molekula izgatott elektronikus állapotba kerül. Lehetséges a molekulák ionizációja és disszociációja (ez a szcintillátor öregedéséhez vezet).
A csillogó anyag koncentrációjának függvénye
Ennek eredményeként a rekombináció az ionizált molekula, akkor általában kialakítva gerjesztett állapotban. Kezdetben a gerjesztett molekula lehet nagy gerjesztési szintek rövid idő alatt, és a kibocsátott nagy energiájú foton. Ez foton által elnyelt másik molekula, amelyben egy része a gerjesztési energia a molekula alkalmazható akár termikus mozgás, és ezt követően a kibocsátott foton már van egy kisebb energiát igényel, mint az előző. És így lesz, amíg az újratermelés összes energiája hőenergiába megy. De szcintillátorokban néhány apró (néhány százalék) hozzáadásával egy másik anyag, úgy, hogy lehet gerjeszteni foton sugározzuk bázikus anyag, majd bocsátanak más frekvencián. A szcintillátor köszönhetően ragyog. A különlegessége abban rejlik, hogy ha egy kis mennyiségű sziporkázó anyag hozam alacsony, annak a ténynek köszönhető, hogy nem lesz kicsi az esélye a gerjesztés a molekulák és a nagy lesz kicsi annak a ténynek köszönhető, hogy a sugárzás lesz felszívódhat és energia megy át hőmozgás.
Szerves szcintillátorok is elsősorban az ultraibolya sugárzást sugározzák. Annak érdekében, hogy a szcintillátor világító optikai tartományok kerültek bevezetésre, mint említettük, egy speciális anyag - váltó, amely elnyeli az ultraibolya fényt, és újra bocsát ki a kívánt hullámhosszon. Például oxazolil-benzol-POPOR-t használunk.
AZ ÉRZÉKELŐ MAGYARÁJA
Elvileg az érzékelő két részből áll: egy szkintillátort tartalmazó tartályból és egy fényérzékelőből. A tartályt jól tükröző tükrökkel kell körülvédelni. A fotomonúratort szükségképpen védeni kell a mágneses mezőktől, amelyekre érzékeny. Úgy kell elhelyezni, hogy az olvashatósága ne függ-e attól, hogy pontosan mikor fordult elő a vaku a tartályban. Továbbá az egész struktúrát árnyékolja az idegen fényforrásokból.
FOLYADÉKKERESKEDŐK JELLEMZŐI
A folyékony szcintillátorok egy szcintilláló anyag oldatai bizonyos szerves folyadékokban. Jellemzőik, mint például a szerves szcintillátorok, egy kis villogási idő (tíz nanoszekundum sorrendben) és alacsony hatásfok, még a szerves kristályokhoz képest. A gerjesztési mechanizmust minden szerves szcintillátor esetében ismertetjük.
Ezek a szcintillátorok, mivel folyékonyak, egyedi alkalmazásokkal rendelkeznek. Először is, folyékony szcintillátorokban, bizonyos típusú sugárzásra érzékeny adalékanyagok problémamentesen vezethetők be. Például neutronok (erre a célra a neutronnal való reakció eredményeként hasadó izotópok kerülnek bevezetésre). Másodszor, folyékony szcintillátorok bármilyen térfogatból készíthetők. Szó szerint szóródhatnak óriás tárolókká, hogy megbízhatóan észleljék az anyaggal gyengén reaktív részecskéket (például neutrínók). Hasonlóképpen, bármilyen formában is megtehető, amit a kísérlet megkövetel. Ehhez a fotomultiplikátor szcintillátorainak kapacitását minden olyan kapacitással meg kell találni, amely térfogat és alak szerint szükséges.
Így a folyékony szcintillátorok minőségi szempontból különböznek a többiektől. Míg a szilárd szcintillátorok már készen állnak, és gyakrabban, mint nem túl nagyok (kivéve a műanyagokat), detektorok, akkor szó szerint összegyűjti a folyadék szcintillációs detektort egy adott feladathoz.
Különböző részecskéket regisztrálnak a folyékony ssyntiltulyah-ban. Az elektronokat megbízhatóan rögzítik bármely szcintillációs detektorban. Az ökológiai és folyékony szcintillátorok sajátossága többek között az, hogy jobban felismeri az alacsony energiaigényű elektronokat és a rosszabb energiát. Az ionokat, protonokat és alfa részecskéket nem tökéletesen rögzítik. Először is, az erős ionizációs hatások miatt, másrészt a nagy tömeg miatt. Ez először az alacsony energiájú fénykibocsátás csökkenéséhez vezet, másrészt pedig, hogy a könnyű és nehéz részecskék spektruma más. A nehéz részecskéknél az utóégő általában erősebb a szcintilláció során.
A neutronok nem elektromágnesesen érintkeznek az anyaggal. Ezért a regisztráláshoz szükséges, hogy a neutron kölcsönhatásba lépjen a protonnal. Maguk a szerves detektorok képesek gyors neutronokat felvenni, köszönhetően a hidrogén összetételének. A lassú neutronok felvételéhez például 6 Li vagy 10 B bejuthat. Ezek az izotópok lassú neutronok nagy felvételi keresztmetszetével rendelkeznek. Folyékony szcintillátorral ez nehézség nélkül történik.
Végül, a gamma-kvantum nagy atomtömegre van szüksége, amely nincs jelen a folyékony szcintillátorokban, vagy nagy mennyiségben. És a neutrínók regisztrálásához egyáltalán nincs versenytárs, hiszen itt mindenekelőtt fontos az anyag mennyisége.
PÉLDÁK A FOLYADÉK SZINTŰ SZAKÉRTŐKRE
Példaként említhetõk olyan keverékek, mint a p-terfenil (C18H14) oldata xilolban (C6H4 (CH3) 2) a POPOP kód hozzáadásával. Ezt gyakran használják korábban szcintillátorral. A p-terfinil 5 g / l koncentrációban sűrűsége 0,86 g / cm3. A maximális fényerő 350 nm. Villogási idő: 2 ns. A fényerõsség a NaJ-hoz viszonyítva: 0,25, az antracén tekintetében: 0,5. Egyéb gyakran használt oldószerek: toluol, fenil-ciklo-oxán és PXE (fenil-oxil-etán). Szcintilláló anyagok: difenil-oxazol (PPO) és detrafenil-butadién (PBD).
Most már sokféle szcintillátor van, és gyakran a gyártó nevezi őket saját nevüknek. Azonban a folyékony szcintillátorok egyik jellemzője, hogy a kísérletező a keverékből a kívánt anyagot összekeverheti a megvásárolt összetevőkből. Ugyanezt a kristályokkal, nyilvánvalóan nem működik.
FOLYADÉKKERÉKPÁROSÍTÁS
Ez a módszer a radioaktivitás mérésére hatásos, mivel minden kibocsátott elektron minden esetben bejut a szcintillátorba.
NEUTRINIKUS RIASZTÓK
Talán a folyékony szcintillátorok egyik legérdekesebb alkalmazása a neutrínó detektorok használata. A lényeg az, hogy a neutrínó rosszul működik az anyaggal. Nagy mennyiségű detektorra van szüksége a megbízható regisztrációhoz. Azonban ebben az esetben a probléma magában az interakció tényleges regisztrálásában rejlik. Az egyik megoldás a gigantikus folyadékszcintillációs detektorok használata. Ebben az esetben a reakciótermékek szcintillációval könnyen nyomon követhetők, és számos PMT eredményének összehasonlításával lehet meghatározni a reakcióhelyet.
Az egyik ilyen detektor egy híres KamLAND (Kamioka Liquid szcintillátorhoz Anti-neutrínó detektor) - ez egy nagy neutrínó detektor a sziget Honshu Japánban. Az USA és Japán 12 intézménye részt vesz a kísérletben. Ez az érzékelő volt az első, aki meggyőző bizonyítékot szerez a neutrínói rezgésekről.
A kísérlet ötlete az antineutrino-fluxus KamLAND-ra vonatkozó mérési eredményeinek és a Koreából és Japán reaktorainak pontosan kiszámított antineutrino-fluxusának összehasonlítása volt. A fő telepítési detektor egy kilótonnás folyékony szcintillátor átlátszó nejlon gömb átmérője 13 m (azt kell mondani, hogy most több nagy projektek 18-Tew kt szcintillátor). A szcintillátor egy-négy pszeudokumént tartalmaz a dodekánban, kis difenil-oxazol hozzáadásával, ami javítja a szcintillációs tulajdonságokat. Az acél szféra belső felületén 1879 kétféle típusú (17 és 20 hüvelyk átmérőjű) fotomultiplier. Moment működésének minden PMT lánctalpas belül körülbelül 3,5 ns, amely lehetővé teszi, hogy ne csak az intézkedés az energia a rendezvény, hanem visszaállítja a helyzetét szcintillációs villog. A kísérlet eredménye volt, a regisztrációs 150 nap 54 antineutrinos, míg a becsült száma volt 86. A jelenléte a hiány a antineutrinó fluxus létezésére utal antineutrinó rezgések, azaz, az elektron antineutrinok más típusú antineutrinosokba történő átmenetét, a muonokat vagy a tau-t.
KÖVETKEZTETÉS
A folyékony szcintillátorok egyedülállóak, olcsóak és kényelmesek a különböző részecskék rögzítésére. A fenti alkalmazási területek egyértelműen azt mutatják, hogy nem helyettesítik a folyékony szcintillátort. A neutrínó kimutatására irányuló kísérletekben ezek a detektorok nagyszerű jövővel rendelkeznek.