Сцинтилляционный детектор

Сцинтилляцио́нный дете́ктор, прибор для регистрации единичных частиц, а также электронно-фотонных и электронно-ядерных ливней при помощи сцинтилляций, возникающих при прохождении частиц через среду (сцинтиллятор). Применяется для регистрации заряженных или нейтральных частиц, осколков деления ядер, а также гамма-квантов. Сцинтилляционный детектор может быть использован в спектрометрии, поскольку интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии налетающей частицы. Сцинтилляционные детекторы позволяют идентифицировать частицы, измерять их координаты и энергию в диапазоне от 10 эВ до 10 ГэВ, получать временну́ю информацию о частице.

Вспышка света, вызванная прохождением частицы через сцинтиллятор, может быть преобразована в электрический сигнал или графическое изображение при помощи приёмников оптического излучения – фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), кремниевых ФЭУ, фотодиодов, фотокамер, микроканальных пластин. Свойства сцинтилляционного детектора в значительной степени определяются свойствами сцинтиллятора.

Сцинтилляционный детектор характеризуют конверсионной эффективностью – долей энергии частицы, конвертированной в световую вспышку, от полной энергии, потерянной частицей при её прохождении через сцинтиллятор, – достигающей 30 %. Другая характеристика сцинтилляционного детектора – удельный световой выход (световыход): число образовавшихся фотонов на единицу энергии, потерянной частицей. Например, для сцинтилляторов ${\displaystyle {\text{LaBr}}_{3}{\text{(Ce)}}}$, ${\displaystyle {\text{NaI(Tl)}}}$ и ${\displaystyle {\text{CsI}}}$ световыход составляет 63, 38 и 2 фотона/кэВ соответственно [световыход выражают также в процентах относительно ${\displaystyle {\text{NaI(Tl)}}}$]. К важным характеристикам сцинтилляционного детектора относятся длина волны ${\displaystyle \lambda _{\text{макс}}}$ в спектре высвечивания сцинтиллятора, отвечающая максимальному световыходу ${\displaystyle (\lambda _{\text{макс}}\approx 200{\text{--}}600\,{\text{нм}})}$, время высвечивания ${\displaystyle \tau }$ (${\displaystyle \tau \approx 1{\text{--}}14}$ тыс. нс), радиационная длина ${\displaystyle X_{0}}$ (средняя толщина вещества, на которой энергия электрона уменьшается в ${\displaystyle e\approx 2,72}$ раз; ${\displaystyle X_{0}\approx 0,9{\text{--}}2,9\,{\text{см}}}$) и др.

Сцинтилляторами в сцинтилляционных детекторах могут служить углеводородные соединения (например, прозрачные пластмассы, кристаллы антрацена ${\displaystyle {\text{C}}_{14}{\text{H}}_{10}}$ и стильбена ${\displaystyle {\text{C}}_{14}{\text{H}}_{12}}$, раствор паратерфенила в ксилоле или толуоле), неорганические монокристаллы (например, ${\displaystyle {\text{NaI}}}$, ${\displaystyle {\text{CsI}}}$, ${\displaystyle {\text{BaF}}_{2}}$), прозрачные керамики на основе оксидов ${\displaystyle {\text{MgO}}}$, ${\displaystyle {\text{BeO}}}$, ${\displaystyle {\text{Al}}_{2}{\text{O}}_{3}}$, ${\displaystyle {\text{Y}}_{2}{\text{O}}_{3}}$ и др., сложные соединения ${\displaystyle {\text{Bi}}_{4}{\text{Ge}}_{3}{\text{O}}_{12}}$, ${\displaystyle {\text{Gd}}_{2}{\text{SiO}}_{5}}$, ${\displaystyle {\text{LaBr}}_{3}}$, ${\displaystyle {\text{CdWO}}_{4}}$, а также благородные газы. Для повышения световыхода сцинтилляторов в 3–10 раз используют активаторы в виде добавок (например, ${\displaystyle {\text{Tl}}}$, ${\displaystyle {\text{Na}}}$, ${\displaystyle {\text{Eu}}}$, ${\displaystyle {\text{Ce}}}$), которые влияют на временны́е характеристики сцинтиллятора (как правило, увеличиваются ${\displaystyle \lambda _{\text{макс}}}$ и ${\displaystyle \tau }$). Ряд сцинтилляционных детекторов (например, на основе кристаллов ${\displaystyle {\text{CsI(Tl)}}}$, ${\displaystyle {\text{BaF}}_{2}}$, стильбена и некоторых жидкостей) позволяют идентифицировать заряженные частицы, нейтроны и гамма-кванты за счёт сильной зависимости формы импульса высвечивания от типа ионизирующего излучения. С этой целью используют также сцинтилляционные детекторы, состоящие из двух сцинтилляторов с разными временами высвечивания (например, композиция двух кристаллов ${\displaystyle {\text{LaBr}}_{3}/{\text{LaCl}}_{3}}$ и одного фотосенсора), известные как фосфич-детекторы (по аналогии с «сэндвич»).

В таблице приведены основные характеристики распространённых неорганических сцинтилляторов, определяющие свойства сцинтилляционного детектора. В зависимости от материала энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора, измеренное для линии с энергией 662 кэВ, может составлять 2,5 % (${\displaystyle {\text{LaBr}}_{3}}$), 12 % (${\displaystyle {\text{Bi}}_{4}{\text{Ge}}_{3}{\text{O}}_{12}}$) и 30 % (${\displaystyle {\text{CsI}}}$).

Таблица. Характеристики распространённых неорганических сцинтилляторов и сцинтилляционных детекторов на их основе

Материал	Световыход, %	${\displaystyle \tau }$, нс	${\displaystyle \lambda _{\text{макс}}}$, нм	Плотность, г/см3	Гигроскопичность
NaI(Tl)	100	250	415	3,67	да
CsI(Tl)	45	1 тыс.	550	4,51	слабая
CsI(Na)	85	630	420	4,51	да
CsI	4–6	16	310	4,51	нет
CdWO4	30–50	14 тыс.	475	7,9	нет
YAlO3 (Ce)	40	27	440	5,55	нет
Bi4 Ge3 O12	20	300	480	7,13	нет
Lu1,8 Y0,2 SiO5 (Ce)	75	36	420	7,1	нет
BaF2	3	0,6–0,8	310/220	4,88	слабая
LaBr3 (Ce)	130	16	380	5,29	да
LaCl3 (Ce)	70–90	28	350	3,79	да

Сцинтилляционные детекторы находят применение не только в ядерной физике и физике элементарных частиц, но также и в медицине, геологии, работе служб безопасности и др.