Licznik scyntylacyjny - detektor
promieniowania jonizującego. Podstawę działania jest zjawisko
scyntylacji, zachodzące w niektórych substancjach pod wpływem
bombardowania ich cząstkami naładowanymi: podczas przechodzenia
przez scyntylator cząstki jonizującej wytwarzane ją jony i
elektrony, które z kolei są źródłem emisji fotonów,
obserwowanej w postaci błysków świetlnych. Ogromny rozwój
techniki liczników scyntylacyjnych wiąże się z rozwojem
technologii produkcji odpowiednich do tych celów scyntylatorów, nie
pochłaniających swego promieniowania "własnego".
Akt
oddziaływania cząsteczki lub kwantu promieniowania jądrowego,
będący warunkiem detekcji promieniowania, następuje w
scyntylatorze. Zachodzi w nim przetwarzanie części energii
promieniowania na energię świetlną. Wiązka kwantów świetlnych
prowadzona światłowodem dociera do fotokatody fotopowielacza, i
zostaje zaabsorbowana w materiale fotokatody, wybijając z niej
fotoelektrony. Fotoelektrony kierowane są na pierwszą dynodę
fotopowielacza i wyzwalają z niej elektrony emisji wtórnej. Kolejne
dynody dołączone są do coraz wyższego potencjału, toteż
elektrony ulegają przyspieszeniu w polu elektrycznym. Obecnie
detektory scyntylacyjne są budowane w postaci sond składających
się:
kryształu scyntylacyjnego,
fotokatody,
fotopowielacza,
przedwzmacniacza wraz z dyskryminatorem.
Najczęściej wykorzystywanymi kryształami do tych detektorów
jest NaI(Tl) (jodek sodu aktywowanym talem), natomiast najstarszym
znanym scyntylatorem jest ZnS (siarczek cynku), który w początkowym
okresie służył również do pokrywania ekranów lamp
kineskopowych. Ze względu na znaczne wzmocnienie sygnału, pewność
działania (w tym odporność na wysokie temperatury nawet do 120°C)
wykorzystywane są często w badaniach wykorzystujących techniki
jądrowe (np. geofizyka, badanie procesów przemysłowych metodami
izotopowymi). Istotną wadą liczników scyntylacyjnych z kryształami
scyntylatorów nieorganicznych jest ich możliwość stosowania dla
energii promieniowania gamma dopiero od linii ameryku 241Am (59.5
keV). Przy czym widmo takiego licznika składa się zazwyczaj z:
tzw. ogona komptonowskiego (związany z rozpraszaniem
komptonowskim absorbowanego promieniowania),
główny pik
absorpcji,
w przypadku emisji przez źródło kilku linii
promieniowania gamma, pik sumacyjny.
Przy wykorzystywaniu sond
scyntylacyjnych należy zwrócić uwagę również na temperaturę
pracy, gdyż widmo licznika przesuwa się (pływa) oraz na starzenie
się kryształów związane głównie z uszkodzeniami radiacyjnymi.
Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera) –
urządzenie opracowane przez Hansa Geigera wraz z Walterem Müllerem
w 1928 roku, mierzące promieniowanie jonizujące.
Ponieważ
jonizacja gazów wewnątrz licznika zachodzi nie tylko w wyniku
promieniowania alfa, ale także innych rodzajów promieniowania
jonizującego (beta i gamma), toteż licznik Geigera zlicza w istocie
niemal całkowity poziom czynników jonizujących w otoczeniu.
Licznikiem Geigera można oceniać także liczbę fotonów światła
(jak we wspomnianej niżej fotodiodzie gazowanej) i promieniowania
rentgenowskiego, ale nie można nim badać bezpośrednio natężenia
strumienia neutronów – cząstek nie wywołujących jonizacji.
Jednak istnieje rozwiązanie pomijające wspomnianą przeszkodę.
Licznik taki albo wypełnia się wodorem (neutrony zderzają się z
jądrami wodoru – protonami, powodując ich ruch) lub też otacza
się folią kadmową, wówczas neutrony pochłaniane przez kadm,
wywołują w nim reakcję jądrową, wynikiem czego jest powstanie
promieniowania gamma. Następnie promieniowanie gamma przenika do
objętości czynnej licznika powodując powstanie sygnału. Warunkiem
wykorzystania kadmu, jest wcześniejsze spowolnienie neutronów do
energii otoczenia (neutrony termiczne), co można otrzymać, np.
poprzez umieszczenia licznika w bloku parafinowym, teflonowym itp.
Rozwinięciem licznika Geigera jest opracowany w 1947 przez
Sydneya Lebsona licznik halogenowy (wykorzystujący pary rtęci).
Różni się od pierwowzoru większą trwałością i niższym –
bezpieczniejszym – napięciem polaryzującym, co jest istotne w
zastosowaniu do urządzeń przenośnych. Obniżenie napięcia pracy
można również otrzymać poprzez dodanie domieszki chlorowców do
gazu roboczego.
Konstrukcja licznika sprowadza się do
szczelnego szklanego cylindra i umieszczonej w nim rury metalowej (z
miedzi lub aluminium – na rysunku niebieskiej), która stanowi
elektrodę – ujemną (katodę). Przez środek rury katody przebiega
cienki drut stanowiący elektrodę dodatnią – anodę (na rysunku
czerwony). Cylinder szklany wypełniony jest mieszaniną gazów:
ok. 90 % argonu lub innego gazu szlachetnego i ok. 10 %
par alkoholu. Ciśnienie mieszaniny gazów w cylindrze wynosi
kilkadziesiąt hektopaskali, a zatem znacznie mniej od
atmosferycznego. Z elektronicznego punktu widzenia jest to zatem
lampa gazowana podobna trochę do gazotronu albo gazowanej fotodiody
z usuniętym elementem światłoczułym.
Elektrody muszą być
spolaryzowane napięciem rzędu kilkuset woltów. Jeśli do wnętrza
licznika trafi np. cząstka alfa, to wywoła jonizację atomów gazu
wzdłuż swojego toru ruchu. Powstałe w wyniku jonizacji elektrony i
jony gazu przyspieszane są w polu elektrycznym, a następnie
zderzają się z innymi atomami powodując dalsze jonizacje i w
efekcie wyładowanie lawinowe. Wyładowanie to objawia się w
zewnętrznym obwodzie elektrycznym zamkniętym rezystorem R
powstaniem impulsu napięcia, będącym skutkiem wychwytywania przez
cylindryczną katodę jonów gazu. Impuls ten przez kondensator
kierowany jest do układu pomiarowego. Czas trwania impulsu,
wywołanego pojedynczą cząstką, tzn. czas upływający od chwili
rozpoczęcia wyładowania lawinowego do jego wygaśnięcia, nazywany
jest czasem martwym licznika. Istotne jest, aby był on jak
najkrótszy. Wówczas możliwe jest odróżnienie od siebie
kolejnych, szybko po sobie nadlatujących cząstek. Wpływ na to ma
zarówno konstrukcja elektrod (ich wielkość i odległość od
siebie), ciśnienie mieszaniny gazów, jak i skład tej mieszaniny:
np. pary alkoholu tłumią wyładowania. Czas martwy przeciętnego
licznika jest rzędu stu mikrosekund.
Za kondensatorem układ
pomiarowy typowego licznika zawiera obwody zliczające pojawiające
się impulsy i przekształcające je w sygnały dźwiękowe (trzaski
– to najwcześniej stosowana wersja), błyski, albo na wskazania
bądź to wskaźnika wychyłowego, bądź to wyświetlacza
alfanumerycznego.
Rentgenowskie widmo, widmo promieniowania
rentgenowskiego. Składa się z widma ciągłego promieniowania
hamowania i widma liniowego charakterystycznego promieniowania.
Promieniowanie hamowania, promieniowanie rentgenowskie lub
gamma emitowane przez cząstkę naładowaną podczas jej wnikania do
materii. Promieniowanie hamowania powstaje w wyniku oddziaływania
cząstki z polami elektrostatycznymi jąder i elektronów w materii.
Powstawanie promieniowania hamowania wykorzystuje się do uzyskiwania
intensywnych wiązek promieniowania rentgenowskiego w lampach
rentgenowskich.
Charakterystyczne promieniowanie,
promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie rentgenowskim, odkryte
przez Ch.G Barkla. Każdy pierwiastek, pobudzany do emitowania
promieniowania rentgenowskiego wysyła kwanty promieni X o ściśle
określonych, sobie właściwych (stąd: charakterystycznych)
energiach.