Максим Кирюшин

 Жидкие сцинтилляционные детекторы

СЦИНТИЛЛЯТОРЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сэр Вильям Крукс

    Сцинтилляторы —  это особые вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения, такого как, например, гамма-кванты. В отличие от, например, люминесценции, здесь возбуждение происходит именно за счет ионизации, а не за счет механического воздействия. Причем в основном высвечивание света происходит быстро, в форме мгновенной для глаза вспышки. Также особенностью сцинтилляторов является то, что излучаемое количество фотонов для данного типа излучения  имеет близкую к пропорциональной зависимость от поглощённой энергии излучения. Значит можно выделить энергетические спектры излучения по энергии вспышек.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

     Первым преимуществом сцинтилляторов является цена. Технологически  сцинтилляционные детекторы достаточно просты, и как следствие дешевы. Это позволяет использовать их там, где требуется именно большое количество детекторов, а не их качество (например, как будет сказано далее, в нейтринных детекторах, и различных калориметрах). Во-вторых, эти детекторы позволяют определить энергию, потерянную частицей на пролет в среде сцинтиллятора. Импульс и координату они не измеряют (потому что ФЭУ весьма чувствительные к необходимым для этого измерения магнитным и электрическим полям).     Доля энергии регистрируемой частицы, конвертируемая в энергию световой вспышки, называется световой выход. К примеру, световой выход антрацена составляет примерно 0.05, что означает примерно 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У часто используемого NaI световой выход примерно 0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт.
    Однако недостатком является то, что эту самую энергию, сцинтилляторы определяют достаточно неточно (по сравнению с пропорциональными счетчиками и полупроводниковыми детекторами). На это влияет сразу множество факторов: статистический характер сцинтилляций, неточности самого ФЭУ, а также специфические характеристики сцинтиллятора, связанные с послесвечением (остаточным свечением после сцинтилляции, которое затрудняет определение энергии последующих частиц, и которое связано с люминесценцией, однако его природа в разных веществах разная), а также с самим видом спектра сцинтиллятора. Это приводит к тому, что использовать сцинтилляторы в качестве прецизионных детекторов нельзя.
    Сцинтилляторы имеют мертвое время порядка микросекунд, или десятков наносекунд. Это можно отнести скорее к достоинствам сцинтиллятора, потому что в качестве центровых детекторов ведь у ионизационных камер и многих других детекторов мертвое время существенно больше.
    К недостаткам сцинтилляторам относится также трудность эксплуатации части из них. Так многие сцинтилляторы гидроскопичны, а намокнув (или поглотив водяной пар из воздуха) перестают светить. Другим требуется низкая температура. Впрочем, это проблема вообще большей части детекторов, и как раз таки в этом отношении сцинтилляторные детекторы менее прихотливы, чем другие, которым зачастую требуется и низкая температура, и высокий вакуум.
    Также определение энергии частицы в сцинтилляторе затрудняет то, что разные частицы теряют энергию по-разному и имеют разный световыход. Так называемый квенчинг-фактор отражает то насколько меньше фотонов дадут тяжелые частицы по сравнению с легкими.

ТИПЫ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

    Сцинтилляторы бывают разных типов в зависимости от вещества, из которого они сделаны. В целом это деление на типы можно представить как деление в органические и неорганические сцинтилляторы. Неорганические сцинтилляторы — это чаще всего неорганические монокристаллы. Есть также еще газовые сцинтилляторы и стекла. Органические  сцинтилляторы — это органические кристаллы, а также пластики и, интересующие нас, жидкие сцинтилляторы. Все эти типы характеризует, прежде всего, разный механизм сцинтилляций. Неорганические сцинтилляторы характеризуются большим световыходом, однако, также и большим временем высвечивания (порядка микросекунд). Органические же наоборот  характеризуются небольшим световыходом, но их время высвечивания мало (порядка десятков наносекунд).  Примером неорганического сцинтиллятора является NaI (натрий-йод), гидроскопичное вещество, с огромным световыходом. Пример органических — антрацен (C₁₄H₁₀).
    Кроме различных свойств светимости есть и другое важное практическое отличие. Неорганические кристаллы трудно вырастить большого размера. Как и кристаллы вообще. А газовые сцинтилляторы, стекла, пластики и жидкие сцинтилляторы могут быть существенного объема.

МЕХАНИЗМ СЦИНТИЛЛЯЦИЙ

Переизлучение молекулярных уровней

    В целом механизм сцинтилляций состоит в том, что возбуждение, создаваемое пролетающей частицей, сначала приходится на некую неизлучающую среду, а уже затем доходит до некоторого излучающего центра. В общем случае оно также может быть поглощено введенным веществом шифтера, который переизлучит свет на той длине волны, которую лучше принимает ФЭУ. В неорганических кристаллах перенос возбуждения атомов решетки обеспечивается дырочно-частичным механизмом, а излучающие центры являются примесями в кристалл. В органических сцинтилляторах возбуждается не зональные уровни всего вещества в целом, а молекулярные уровни отдельных атомов, а перенос осуществляется переизлучением. Рассмотрим это подробнее.
    В органических сцинтилляторах под воздействием регистрируемого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние. Также возможна ионизация и диссоциация молекул (это приводит к старению сцинтиллятора).

Световыход  зависимости от концентрации сцинтиллирующего вещества

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ДЕТЕКТОРА

    Принципиально детектор состоит из двух частей: емкости со сцинтиллятором и из светоприемника. Емкость должна быть окружена хорошо отражающими свет зеркалами. ФЭУ обязательно нужно защищать от магнитных полей, к которым он чувствителен. Он должен быть расположен так, чтобы его показания не зависели от того где именно в емкости произошла вспышка. Также вся конструкция должна быть затенена от посторонних источников света.

ОСОБЕННОСТИ ЖИДКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

    Жидкие сцинтилляторы — это растворы сцинтиллирующего вещества в некоторой органической жидкости. Их особенности, как органических сцинтилляторов, это малое время высвечивания (порядка десятков наносекунд) и малая эффективности, даже в сравнении с органическими кристаллами. Механизм возбуждения описан выше для всех органических сцинтилляторов.
    Эти сцинтилляторы, в силу того, что это жидкость, обладают уникальными сферами применения. Во-первых, в жидкие сцинтилляторы можно без каких-нибудь проблем вводить добавки чувствительные к какому-то определенному виду излучения. Например, к нейтронам (для этого вводятся делящиеся в результате реакции с нейтроном изотопы). Во-вторых, жидкие сцинтилляторы можно делать любого объема. Их можно буквально заливать в гигантские емкости, для того, чтобы надежно регистрировать слабореагирующие с веществом частицы (например, нейтрино). Точно также их можно делать любой формы, которую требует эксперимент. Для этого нужно правильным образом расположить в любой, которая нужна по объему и форме, емкости сцинтилляторы ФЭУ.
    Таким образом, жидкие сцинтилляторы качественно отличаются от всех остальных. В то время как твердые сцинтилляторы — это уже готовые, причем чаще всего не очень большие (за исключением пластиковых), детекторы, то из жидких сцинтилляционных детектор можно буквально собрать под конкретную задачу.
    Разные частицы регистирируются в жидких сциинтилляторах по разному. Электроны надежно регистрируются в любых сцинтилляционных детекторах. Особенность органических, и жидких сцинтилляторов в том числе, в том, что они лучше регистрируют низкоэнергетичные электроны и хуже высокоэнергетичные. Ионы, протоны и альфа-частицы регистрируются не идеально. Во-первых, из-за сильных ионизационных эффектов, во-вторых, из-за большой массы. Это ведет, во-первых, к уменьшению световыхода при небольших энергиях, во-вторых, к тому, что спектр легких и тяжелых частиц отличается. У тяжелых частиц обычно сильнее послесвечение при сцинтилляции.
    Нейтроны не взаимодействуют электромагнитно с веществом. Поэтому для того, чтобы их зарегистрировать, нужно чтобы нейтрон провзаимодейстовал с протоном. Сами по себе органические детекторы приемлемо регистрируют быстрые нейтроны, благодаря водороду в их составе. Для регистрации же медленных нейтронов,  например, можно ввести ⁶Li или  ¹⁰B. Эти изотопы имеют высокое сечение захвата медленного нейтрона. С жидким сцинтиллятором это делается без труда.
    Наконец для регистрации гамма-квантов нужен большой атомный вес, чего у жидких сцинтилляторов нет, или большой объем, чего есть. А для регистрации нейтрино у них вообще нет конкурентов, так как тут важен, прежде всего, объем вещества.

ПРИМЕРЫ ЖИДКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

р-терфенил Ксилол

    Примером являются такие смеси, как раствор р-терфенила (C₁₈H₁₄) в ксилоле (C₆H₄(СН₃)₂) с добавкой шифтера POPOP. Это достаточно часто используемый ранее сцинтиллятор. При концентрации р-терфинила 5г/л его плотность: 0,86 г/см³. Максимум светимости приходится на 350 нм. Время высвечивания:  2 нс. Светимость по отношению к NaJ: 0,25, по отношению к антрацену соответственно: 0,5. Другими часто используемыми растворителями являются: толуол, фенил-циклогесксан и PXE (PhenyloXylylethane). Сцинтиллирующими веществами: дифенилоксазол (PPO) и детрафенилбутадиен (PBD).

 LIQUID SCINTILLATION COUNTING

    Распространенный метод измерения бета-радиоактивности в лабораторных условиях — это так называемый Liquid scintillation counting. Суть этого метода в том, что образец, радиоактивность которого нужно измерить, растворяют в жидком сцинтилляторе, а затем помещают в прозрачную колбу, а её в специальный прибор с двумя  ФЭУ подключенными в схему совпадений (чтобы отсеять помехи).
Этот способ измерения радиоактивности эффективен в силу того, что любой испущенный электрон в любом случае попадет в сцинтиллятор.

НЕЙТРИННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

     Пожалуй, одно из самых интересных применений жидких сцинтилляторов — это их использование в качестве нейтринных детекторов. Суть в том, что нейтрино плохо взаимодействует с веществом. Ему нужен большой объем детектора для надежной регистрации. Однако в этом случае проблема заключается в собственно регистрации самого взаимодействия. Одно из решений — это использование гигантских по объему жидких сцинтилляционных детекторов. В этом случае продукты реакции легко отследить по сцинтилляциям, а по сопоставлению результатов многих ФЭУ можно определить место реакции.

     Одним из таких детекторов является знаменитый KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) – это большой нейтринный детектор на острове Хонсю в Японии. В эксперименте участвуют 12 институтов США и Японии.  На этом детекторе было впервых получено убедительное доказательство осцилляции нейтрино.
     Идея эксперимента — была в сопоставлении результата измерений потока антинейтрино на KamLAND и точно рассчитанного потока антинейтрино от реакторов Кореи и Японии. Основной детектор установки содержит килотонну жидкого сцинтиллятора в прозрачной нейлоновой сфере диаметром 13 м (надо сказать, что сейчас есть и более масштабные проекты с 18-тью килотоннами сцинтиллятора). Сцинтиллятор состоит из раствора один к четырем псевдокумола в додекане с небольшой добавкой дифенилоксазола, который улучшает сцинтилляционные характеристики. На внутренней поверхности стальной сферы расположены 1879 фотоумножителей двух типов (17- и 20-дюймового диаметра). Момент срабатывания каждого ФЭУ отслеживается с точностью примерно 3.5 нс, что позволяет не только измерять энергию событий, но и восстанавливать координаты сцинтилляционной вспышки.  Результатом этого эксперимента стала регистрация за 150 дней 54 антинейтрино, в то время как расчетная цифра была 86. Наличие дефицита в потоке антинейтрино свидетельствует в пользу существования антинейтринных осцилляций, т.е. перехода электронного антинейтрино в антинейтрино других типов - мюонного или тау.

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Жидкие сцинтилляторы — это уникальный, дешевый, и удобный инструмент для регистрации всех видов частиц. Приведенные области применения наглядно показывают, что в них замены жидким сцинтилляторам нет. А в экспериментах по регистрации нейтрино у этих детекторов, по-видимому, большое будущее.

 Ссылки:

• БСЭ
• Физическая энциклопедия, научное издательство 1998 год.
• Дж.Биркс. Сцинтилляционные счетчики. М., ИЛ, 1955.
• Э. Ангерер Техника физического эксперимента. М. ГИФМЛ. 1962.
• http://www.scientific.ru