Материал: sb000035

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. ДЕТЕКТОРЫ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы.

Ознакомление с принципами работы и характеристиками сцинтилляционного и пропорционального детекторов.

Общие положения.

Способы регистрации рентгеновского излучения основаны на способности его ионизировать газы (ионизационная камера, пропорциональный счетчик и счетчик Гейгера), вызывать люминесценцию некоторых кристаллов (светящиеся экраны, сцинтилляционные детекторы) и разлагать бромистое серебро фотоэмульсии.

Пропорциональный детектор представляет собой наполненный нейтральным газом металлический цилиндр-катод, вдоль оси которого натянута вольфрамовая нить-анод толщиной несколько десятков микрометров. В качестве наполнения применяются аргон, криптон или ксенон с добавками метана при давлении, близком к атмосферному. К электродам подводится постоянное напряжение 200–2000 В. В цилиндрическом корпусе имеется окно из бериллия, мало поглощающее рентгеновское лучи.

Кванты рентгеновского излучения при взаимодействии с атомом газа вырывают из его электронной оболочки электрон (простой фотоэффект); возбужденный атом, возвращаясь в нормальное состояние, испускает квант флуоресцентного излучения, или Оже-электрон (сложный фотоэффект). Энергия флуоресцентного излучения и образовавшихся электронов тратится на ионизацию других атомов газа. Таким образом, поглощение одного кванта вызывает в итоге ионизацию нескольких сотен атомов. Например, энергия образования пары электрон – положительный ион в ксеноне равна 22,5 эВ; СuK –излучение с энергией 8,05 кэВ образует при попадании в детектор 358 пар заряженных частиц. Эти заряды под действием приложенного к электродам напряжения перемещаются, соответственно, к аноду и катоду детектора. По сравнению с ионизационной камерой напряжение на электродах детектора повышено, и электроны при своем движении ускоряются до энергии, вызывающей ударную ионизацию молекул газа наполнителя. Коэффициент газового усиления при этом составляет 103–104.

Сцинтилляционный детектор представляет собой сочетание люми-

31

несцентного кристалла и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Кристалл накладывается непосредственно на фотокатод ФЭУ. Попадая на кристаллсцинтиллятор (обычно кристалл фтористого натрия, активизированного таллием), кванты рентгеновского излучения вызывают в нем вспышку света – сцинтилляции, интенсивность которых тем больше, чем больше энергия поглощенного кристаллом кванта. Фотоны сцинтилляций, достигающие катода ФЭУ, преобразуются в фотоэлектроны. На выходе ФЭУ получается импульс напряжения порядка 5–50 мВ, пропорциональный энергии кванта излучения.

Косновным характеристикам детектора можно отнести следующие.

1.Эффективность, определяющуюся отношением числа зарегистри-

рованных квантов к числу квантов, достигших входного окна детектора. Чем выше эффективность счетчика, тем больше его чувствительность и меньше ошибка в измерении интенсивности. Эффективность детектора зависит от поглощения во входном окне и поглощения в рабочем объеме. Поглощение во входном окне ограничивает эффективность детектора со стороны больших длин волн. В качестве входных окон в детекторах для мягкого рентгеновского излучения используют тонкие окна из слабопоглощающих материалов. Наиболее перспективными являются окна из ва- куум-плотного бериллия. Поглощение бериллием толщиной 0,1…0,2 мм CuK -излучения не превышает 5 %, CuK – 12 %.

Эффективность со стороны коротких длин волн определяется поглощением в рабочем объеме детектора (сцинтилляторе или газовом наполнении).

2. Cобственный фон детектора.

Собственный, или нерентгеновский, фон детектора вызывается космическим излучением, радиоактивными загрязнениями, присутствующими в материалах. Флуктуации собственного фона детектора определяют нижний предел измеряемой интенсивности. В сцинтилляционных счетчиках помимо этих причин важную роль играют шумы ФЭУ.

3. Разрешение детекторов во времени.

После регистрации кванта детектор в течение некоторого времени, называемого мертвым, остается нечувствительным, то есть не может регистрировать последующий квант, даже если он и поглотился в эффективном объеме детектора. В этом случае появляются “просчеты” и нарушение линейности при регистрации больших скоростей счета, определяющих верхний предел диапазона измеряемых интенсивностей. Мертвое время

32

пропорционального счетчика определяется временем собирания электронов и ионов на электроды, сцинтилляционного – временем высвечивания кристалла. Обе эти величины равны 0,3 мкс, а действительное мертвое время измерительно-регистрирующего устройства с детектором несколько больше и составляет примерно 1 мкс. Мертвое время м приводит к потерям счета. Восстановление истинной скорости счета n по измеренному значению nизм можно выполнить, пользуясь выражением

При скорости счета 105 имп/с относительная “потеря счета” электронным измерительным устройством с пропорциональным или сцинтилляционным счетчиком составит 10 %.

4. Амплитудное энергетическое разрешение.

Как указывалось ранее, амплитуда импульсов на выходе детектора пропорциональна энергии кванта. Однако даже в случае монохроматического излучения эта закономерность носит статистический характер. Для пропорционального детектора это происходит из-за статистических флуктуаций в величине газового усиления за счет ударной ионизации; для сцинтилляционного – из-за флуктуаций в числе фотоэлектронов, выходящих из фотокатода, и флуктуаций величины умножения на первом диоде ФЭУ, для ППД – из-за флуктуации числа пар электрон–дырка, порождаемых одним квантом излучения. Поэтому при попадании в счетчик квантов одинаковой энергии на выходе получаются импульсы, амплитуды которых распределены по закону, близкому закону Гаусса. На рис. 5.1 представлена кривая распределения числа импульсов А по энергиям Е, полученная с использованием сцинтилляционного счетчика. Отношение полуширины кривой распределения Е (ширина на половине высоты максимума) к абсциссе максимума Е0 называется амплитудным разрешением R или разрешением счетчика по энергиям:

Чем меньше эта величина, тем более узкий участок спектра можно выделить при использовании амплитудной дискриминации.

33

A, имп Amax

E

Упрощенная структурная схема одноканального измерительнорегистрирующего устройства аппаратуры для рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа с пропорциональным и сцинтилляционным детекторами показана на рис. 5.2.

В соответствии с задачами анализа устройство должно обеспечивать высокоэффективную регистрацию квантов различных энергий (длин волн) в широком диапазоне изменения интенсивности излучения 1; возникающие в детекторе 2 импульсы через предварительный усилитель 3 подаются на вход широкополосного усилителя 4. Далее импульсы поступают в амплитудный дифференциальный дискриминатор 5. Дискриминатор позволяет выделить из совокупности импульсов различной амплитуды только те, амплитуда которых соответствует энергии регистрируемых квантов.

34