Metodele de detectie in fizica nucleara se bazeaza pe procesele de ionizare sau excitare a atomilor la trecerea unei particule incarcate prin volumul sensibil al detectorului. O particula care trece printr-un material produce in drumul sau atomi sau molecule excitate sau ioniyate, care pot fi numarate si detectate. Pentru a putea detecta particulele neutre din punct de vedere electric sau radiatiile electromagnetice (X, γ), trebuie mai intai ca ele sa interactioneze cu mediul de detectie sau cu un convertor potrivit, in scopul producerii de particule incarcate care sa ionizeze mediul.
In cazul neutronilor aceste particule incarcate secundare, energice, pot fi nucleele de recul produse prin ciocniri, sau produse de dezintegrare emise cand este captat un neutron. Radiatiile γ produc electroni secundari prin efect fotoelctric, imprastiere Compton si generare de perechi, iar prin efect fotonuclear, particule incarcate grele (de exemplu, protoni). Mediul d 959b13j e ionizare poate fi solid,lichid sau gazos.
Detectorii cu scintilatie fac parte din categoria detectorilor care au ca mediu sensibil o substanta aflata in stare solida si prezinta avantaje semnificative, deoarece scintilatorii se caracterizeaza printr-o eficacitate de detectie ridicata, care poate ajunge pana la 100 % si o sortare a radiatiilor dupa energii.
Primul detector de particule α utilizat in fizica nucleara a fost un ecran de sulfura de zinc(scintilatorul) pe care particulele α produceau scinteieri(scintilatii) observate cu un microscop(spintariscopul) sau chiar ochiul liber. Acesta metoda de detectie a cunoscut o devoltare deosebita odata cu realizarea fotomultiplicatorului care, inclocuind ochiul observatorului, transforma scintilatia luminoasa intr-un semnal electric masurabil si numarabil de o aparatura electronica adecvata. Ansamblul format din scintilator(substanse florescente) si fotomultiplicator formeaza un detector ci scintilatie.
Scintilatorii sunt substante care sub actiunea radiatiilor nucleare emit scintilatii(fotoni) in spectrul vizibil sau ultraviolet. Substantele scintilatoare trebuie sa aiba o probabilitate mare de emisie a fotonilor si o probabilitate de absorbtie mica a fotonilor emisi. Asadar, spectrul lor de emisie trebuie sa fie deplasat fata de spectrul de absorbtie.
In substantele scintilatoare, scintilatiile(fotonii) sint produse de particulele incarcate. In cazul neutronilor sau a radiatiilor γ scintilatiile sunt generate de ionizarile si excitarile produse in scintilator de particulele incarcate ce rezulta din interactia radiatiilor γ cu substanta scintilatoare.
Scintilatiile sunt convertite in fotoelectroni de fotocatoda fotomultiplicatorului. Fotoelectronii rezultati sunt multiplicati de sistemul de multiplicare al fotomultiplicatorului generind la iesirea acestuia semnalul electric ce urmeaza a fi analizat.
Prinipiul conversiei radiatie nucleara-semnal electric
Intr-un detector cu scintilatie au loc o succesiune de procese care produc conversia energiei radiatiei nucleare in semnal electric.
Fie E energia initiala a radiatiei nucleare si F fractiunea din aceasta energie sedata de radiatie scintilatorului prin interactie(particulele incarcate pot ceda toata energia lor scintilatorului, daca dimensiunile acestuia sunt convenabile). O parte din energia absorbita EF,de ordinul a citorva procente, se emite sub forma de radiatie luminoasa(scintilatie). Daca C(λ) este eficacitatea de conversie a energiei absorbite in scintilator in energie luminoasa de lungime de unda λ rezulta ca EFC(λ) reprezinta energia radiata sub forma lumina de lungime de unda λ.
O parte din acesta energie se pierde prin absorbtia in scintilator, o parte poate parasi scintilatorul prin suprafetele marginale, o parte poate fi absorbita in materialele ce capsuleaza eventual scintilatorul etc. Daca notam prin T factorul de tine cont de toate aceste pirderi, deci un factor de transmisie al energiei luminoase din scintilator la fotocatod, rezulta ca pe acesta va ajunge energia :
Ef (λ)=EFC(λ)T
Numarul de fotoelectroni emisi la fotocatod de radiatia luminoasa de lungime de unda λ va fi :
ne (λ)=S(λ)Ef (λ) =S(λ)EFC(λ)T
unde S(λ) este sensibilitatea spectrala a fotocatodului. Numarul total de fotoelectroni emisi va fi :
Definim prin relatia :
cu 
“factorul de merit” f al fotocatodului, care
exprima gradul in care sensibilitatea spectrala a fococatodului
corecpunde cu intansitatea spectrala a scintilatorului. Se
Numarul total de fotoelectroni devine astfel
ne=EFTC*f*Smax
din acest numar numai fractiunea k ajunge pe prima dinoda a sistemului de multiplicare si participa in procesul de multiplicare. Daca M este factorul de multiplicare al fotomultiplicatorului reyulta ca numarul total Ne de electroni ce ajung la anodul(iesirea) fotomultiplicatorului va fi :
Ne=EFTCFSmax*kM
De remarcat este faptul ca electronii colectati la anod au o distributie temporala conditionata atit de distributia temporala a fotonilor rezultati in scintilator cit si de flutuatiile temporale generate de sistemul de multiplicare al fotoelectronilor.
Distributia in timp a fotonilor din scintilator depinde de timpul de formare al starilor excitate si de timpul lor mediu de viata. Deoarece timplul de formare al storilor excitate este mic(10-9-10-10s)rewulta ca emisia fotonilor in timp este definita de timpul mediu de viasa τ al starilor excitate, timp ce variaza intre limitele 10-9-10-5s in functie de substanta scintilatoare folosita. Neglijind deci timpul de formare al starilor excitate rezulta ca distributia in timp a fotonilor emisi in scintilator este de forma :
(*)
unde N este numarul de fotoni
emisi in unitatea de timp, iar N0 este numarul mediu de
fotoni rezultati in scintilator. Daca hν este energia medie de
generare a unui foton(pentru spectrul vizibil hν
3eV) atunci numarul mediu de fotoni rezultati din
energia luminoasa EFC va fi :
N0=
Distributia in timp a fotoelectronilor emisi de fotocatod va asculta de legea exponentiala din rel (*). Daca neglijam fluctuatiile temporale ale sistemului de multiplicare al fotomultiplicatorului(caz ideal) reulta ca si electronii colectati la anodul fotomultiplicatorului vor avea aceeasi distributie temporala si ca atare vor genera un curent i(t) care variaza in timp dupa legea:
i(t)=
in care i0 se determina din conditia :
Q0=
si deci:
i(t)=
in aceste relatii Q0 reprezinta, evident, sarcina totala colectata la anodul fotomultiplicatorului si este definita astfel :
Q0=Ne*e
in care e este sarcina elementara.
Asadar, sistemul scintilator-fotomultiplicator poate fi privit si ca un generator de curent i(t) care variaza in timp, in cazul in care se neglijeaza fluctuatiile temporale ale procesului de multiplicare,dupa legea exponentiala expusa mai sus. Prelucrarea acestui semnal permite obtinerea de informatii referitoate la radiatia nucleara care interactioneaza cu scintilatorul.
In fizica nucleara si fizica particulelor elementare scintilatorii plastici sunt probabil cel mai utilizati detectori organici. Exista o mare asemanare intre scintilatorii plastici si cei lichizi. Asa cum alchilbenzenii sunt solventii lichizi cei mai eficienti, derivatele acestor substante precum polivinilbenzenul sau poliveniltoluen sunt solventii plastici cei mai eficace. Pot lucra intr-un domeniu larg de temperatura(-2000C-700C) si pot lucra si in vid inaintat .
Principalele propietati ale scintilatorilor plastici sunt:
au forme si dimensiuni variate
au tipuri de scintilatie extrem de mici si sunt,ca urmare folositi cu precadere in maruratorile de timp. Asociati cu fotomultiplicatorii rapizi, acesti detectori au o rezolutie temporala de ordinul zecimilor de nanosecunde;
au raspuns liniar pentru electroni de energie >0.125MeV fiind folositi in spectroscopia β. La acestea contribue si faptul ca acesti scintilatori au o densitate mica si contin elemente cu numar atomic mic ceea ce reduce la minimum erorile datorate retroimprastierii electronilors
proportia mare de hidrogen din scintilatorii organici face posibila detectia neutronilor rapizi prin metoda protonilor de recul. Eficacitatea de detectie a neutronilor poate fi marita si prin introducerea(dizolvarea) in scintilatorii organici a unor substante speciale ca bor, litiu, cadmiu, etc.
Unul din principalele avantaje ale utilizarii scintilatorilor plastici este datorat flexibilitatii acestora. Ei sunt produsi intro varietate de forme si marimi,de la grosimea unui film pina la dimensiunile unei caramizi, si sunt relativi ieftini. Mai mult,exista o multitudine de tipuri de materiale plastice ce ofera diverse modalitatii de transmisie a luminii cu variate viteze.
Materialele plastice sunt foarte usor de atacat cu altii solventi oraganici precum acetona sau alti compusi aromatici, insa prezinta rezistenta la grasime optica si alti compusi alcoolici slabi.
|
