Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego

w Kaliszu

Laboratorium z Zagrożeń radiologicznych w środowisku naturalnym

Ćwiczenie nr 2

Dobór optymalnych parametrów pracy licznika scyntylacyjnego

Opracował:

Zarys teorii.

Licznik scyntylacyjny jest to detektor promieniowania jonizującego. Zasada działania opiera się na zjawisku scyntylacji.

Scyntylacja – zjawisko powstawania błysku świetlnego w wyniku przechodzenia promieniowania jonizującego przez niektóre substancje. Jest spowodowane absorpcją części energii promieniowania i jej emisją na skutek luminescencji (fluorescencji lub fosforescencji). Zjawisko to można obserwować gołym okiem.

Substancje, w których mogą zachodzić scyntylacje, nazywają się scyntylatorami. Scyntylatory dzieli się na stałe, ciekłe i gazowe. Scyntylatory można również podzielić w następujący sposób:

• Scyntylatory nieorganiczne

• Scyntylatory organiczne

Do pierwszej grupy zalicza się kryształy związków nieorganicznych, do drugiej zaś: kryształy organiczne, roztwory organicznych związków chemicznych (scyntylatory ciekłe) oraz scyntylatory plastyczne zawierające te związki. W celu polepszenia właściwości scyntylacyjnych niektórych detektorów dodawane są do nich domieszki zwane aktywatorami. Do najpopularniejszych scyntylatorów nieorganicznych należą monokryształy jodku sodu lub jodku cezu aktywowane talem, tj. NaJ(Tl) i CsJ(Tl). Oba scyntylatory stosowane są do rejestracji promieniowania γ. Cząstki ciężkie, takie jak α i protony, są bardzo dobrze rejestrowane przez siarczek cynku lub siarczek kadmu aktywowane srebrem lub miedzią, tj. ZnS(Ag), ZnS(Cu), CdS(Ag), CdS(Cu).

Zasada działania licznika scyntylacyjnego

Rys. 1 Schemat budowy licznika scyntylacyjnego

Rozbłyski (scyntylacje) wysyłane ze scyntylatora rejestrowane są za pomocą fotopowielacza o bardzo dużej światłoczułości, który przekształca je w impulsy elektryczne.

Fotopowielacz jest urządzeniem, które zamienia strumień fotonów na impulsy elektryczne. Fotopowielacz składa się z fotokatody, z układu dynod oraz z anody. Foton padając na fotokatodę wybija z niej elektron w wyniku zjawiska fotoelektrycznego. Elektron jest przyspieszany w kierunku pierwszej dynody wybijając z niej N elektronów. N elektronów jest przyspieszana w kierunku drugiej dynody, gdzie każdy z N padających elektronów wybija N nowych elektronów. W sumie mamy więc N²elektronów. Wybite elektrony są następnie przyspieszane do trzeciej dynody, itd. Po przejściu układu składającego się z M dynod uzyskamy impuls złożony z N^M elektronów.

Rys. 2 Schemat budowy fotopowielacza

Dobór optymalnych parametrów pracy licznika scyntylacyjnego.

Właściwe wykorzystanie licznika scyntylacyjnego wymaga określenia jego podstawowych charakterystyk, a mianowicie: anodowej, dyskryminacji, całkowej i różniczkowej. Zależą one od następujących czynników:

• rodzaju i energii promieniowania,

• typu i rozmiarów scyntylatora,

• typu fotopowielacza.

W celu wyznaczenia optymalnych warunków pracy scyntylatora rysuje się trzy krzywe:

• funkcję N_t = f(U_a), czyli zmianę częstości zliczeń tła N_t w funkcji napięcia

anodowego U_a,

• funkcję N_p = f(U_a), czyli zmianę częstości zliczeń próbki N_p w funkcji napięcia anodowego U_a,

• funkcję N_p²/N_t = f(U_a), czyli zmianę ilorazu kwadratu częstości zliczeń pochodzących od próbki i częstości zliczeń pochodzących od tła w funkcji napięcia anodowego U_a.

Punkt pracy odpowiada maksimum krzywej N_p²/N_t = f(U_a)

Rys. 3 Typowy wykres energii potencjalnej drobiny w funkcji odległości międzyatomowej

1. Wykonanie ćwiczenia.

Aparatura

• zestaw pomiarowy z licznikiem scyntylacyjnym z scyntylatorem NaI/Tl

• źródło promieniowania β (36Cl)

Metoda pracy

• poczynając od napięcia pracy i poziomu dyskryminacji wskazanego przez prowadzącego zajęcia wykonać 100 s pomiary tła zwiększając kolejno napięcie anodowe co 20 V; całkowity wzrost napięcia anodowego nie może przekroczyć 300 V

• zmieniając poziom dyskryminacji o 0,1 V ponownie zmierzyć tło w ciągu 100 s dla tych samych napięć anodowych schodząc kolejno w dół do napięcia początkowego

• umieścić źródło promieniowania w domku pomiarowym i wykonać pomiary aktywności próbki z tłem dla tych samych napięć i poziomów dyskryminacji

Opracowanie wyników

• dla każdego z napięć dyskryminacji sporządzić wykres zbiorczy zależności: I_p = f(U_A), It=f(U_A) oraz I²/I_t=f(U_A)

• wybrać optymalne warunki pracy licznika

1. Tabela.

UA	UD=0,2 V	UD=0,3 V
	Nt	It=Nt/100
960	39	0,39
980	46	0,46
1000	60	0,60
1020	82	0,82
1040	85	0,85
1060	97	0,97
1080	113	1,13
1100	134	1,34
1120	149	1,49
1140	191	1,91
1160	178	1,78
1180	249	2,49
1200	368	3,68
1220	551	5,51
1240	1042	10,42

1. Wykresy

Rys. 1. Wykres zależności I_t =f(U_A).

Rys. 2. Wykres zależności I =f(U_A).

Rys. 3. Wykres zależności I²/I_t =f(U_A).

1. Wnioski.

Na podstawie sporządzonych wykresów wybrano następujące warunki optymalne pracy licznika scyntylacyjnego:

1. Dla napięcia dyskryminacji U_D=0,2V optymalne warunki pracy nastąpiły przy napięciu anodowym U_A=1060V.

2. Dla napięcia dyskryminacji U_D=0,3V optymalne warunki pracy nastąpiły przy napięciu anodowym U_A=1080V.