Основные характеристики

Основными характеристиками сцинтилляционных детекторов являются: функция отклика детектора, временные характеристики, энергетическое разрешение, эффективность регистрации. Наиболее общая характеристика любого детектора - функция отклика G , которую можно определить как вероятность частице с данными свойствами возбудить в детекторе определенный сигнал. Явный вид функции отклика детектора определяется свойствами излучения и теми процессами, которые происходят в детекторе. Желательно, чтобы связь между измеряемой характеристикой частицы и характеристикой сигнала была линейной.

На рисунке 4 приведено типичное распределение амплитуд импульсов, полученное с кристаллом NaJ(Tl) и источником моноэнергетических гамма-квантов ¹³⁷Cs (E_=662 кэВ).

N_ (отн.ед.) 1

3

2

3 2

1

E_ (кэВ)

0

200 400 600 800 1000

Рис. 4. Аппаратурная форма линии гамма-спектрометра

В амплитудном распределении виден четко выраженный максимум - пик полного поглощения (1), обусловленный фотоэлектрическим поглощением гамма-квантов и их многократным комптоновским взаимодействием (2) в кристалле с последующим поглощением. Между непрерывным распределением, обусловленным комптоновским рассеянием, и пиком полного поглощения имеется провал, связанный с тем, что при однократном рассеянии гамма-квант не может передать всю свою энергию электрону. Расстояние между пиком полного поглощения и границей комптоновского распределения составляет 250 кэВ. Чем выше энергия гамма-квантов, тем больше абсолютный разброс по амплитудам импульсов. Поэтому с ростом энергии гамма-квантов пик полного поглощения все хуже и хуже отделяется от непрерывного комптоновского распределения и все большее значение приобретает эффект образования пар, который приводит к образованию еще двух пиков в амплитудном распределении импульсов. Эти пики отстоят от пика полного поглощения в шкале энергий на 0,511 и 1,02 МэВ. С дальнейшим ростом энергии гамма-квантов эти пики практически сливаются в один широкий максимум. На приведенном амплитудном распределении виден пик обратного рассеяния (3) с энергией около 250 кэВ. Его появление связано с обратным рассеянием гамма-квантов на упаковке кристалла и колбе фотоумножителя.

В реальных детекторах преобразование энергии происходит не бесконечно быстро, следовательно, сигналы детекторов имеют конечную длительность. Две или более частицы могут попасть в детектор во временном интервале, меньшем длительности сигнала детектора, что приведет к его искажению. Поэтому временные характеристики детекторов необходимо учитывать практически во всех физических измерениях: при измерении числа частиц, при измерениях временных интервалов между появлением двух актов регистрации частиц, при измерениях распределения частиц по энергиям и т.д. Так как фотоны, нейтроны, заряженные частицы распределены во времени по тому или иному статистическому закону (например, распределение Пуассона), то даже при небольших количествах частиц, поступающих в детектор в единицу времени, всегда имеется конечная вероятность того, что временной интервал между двумя частицами будет меньше длительности сигнала детектора, что и вызовет искажение информации. Кроме того, момент попадания частицы в детектор нельзя определить точнее, чем величину среднеквадратичного стандартного отклонения _i= (t*)²^1/2, где t*- разброс времени нарастания сигнала сцинтилляционного детектора до своего максимального значения (передний фронт сигнала). Величина _i и определяет временное разрешение детектора, которое в общем случае зависит от спектра регистрируемого излучения, места попадания частицы в детектор и т.д. При измерении числа частиц, попавших в детектор, необходимо быть уверенным в том, что каждый сигнал, созданный частицей в детекторе, будет зарегистрирован регистрирующей аппаратурой, т.е. отсутствуют просчеты аппаратуры в результате наложения сигналов двух и более частиц. Кроме того, детекторы после регистрации частицы в течение некоторого времени τ, называемого мертвым временем, теряют способность регистрировать частицы. Детекторы, предназначенные для исследования энергетических распределений частиц, наиболее удобны в том случае, когда функция отклика представляет собой колоколообразное распределение. Относительная ширина этого распределения не может быть как угодно малой. Когда энергия частицы измеряется по сцинтилляционному эффекту, это обусловлено статистическим характером потери энергии частицей в веществе сцинтиллятора. Ширина функции отклика - мера энергетического разрешения (рис.5).

Е Е_

Рис. 5

Энергетическим разрешением детектора называется отношение ширины E на полувысоте распределения, полученного с моноэнергетическими частицами, отнесенное к среднему значению энергии в этом распределении, т.е.:

=Е/Е. (4)

Вычисление энергетического разрешения по среднеквадратичным флуктуациям величины сигнала, обусловленного характером взаимодействия частиц с веществом, позволяет оценить только нижний предел величины , так как имеется множество различных аппаратурных факторов (шумы измерительных устройств, неоднородность детекторов, краевые эффекты и т.д.), которые могут значительно ухудшить энергетическое разрешение.

Экспериментальное определение энергетического разрешения сводится к измерению спектра величин сигналов при облучении детектора моноэнергетическими пучками частиц. При измерении спектра сигналов необходимо, чтобы ширина канала измерительного устройства была по крайней мере в 5...10 раз меньше, чем ширина на полувысоте распределения при заданном значении энергии частиц Е. При измерении числа частиц, попадающих в детектор, требования к функции отклика детектора очень скромные - эта функция определят только вероятность создания и регистрации сигнала измерительным устройством при попадании частицы в детектор. Вероятность регистрации может быть нормирована по разному: к активности источника, к числу частиц, попавших в детектор, к потоку частиц в том месте, где расположен детектор. В зависимости от этого величины вероятности регистрации будут различными, и функции отклика носят разные названия: эффективность детектора _d - это отношение числа зарегистрированных сигналов к числу частиц, попавших в детектор; чувствительность детектора S_d - это отношение числа зарегистрированных сигналов в единицу времени к потоку частиц в месте, где расположен детектор излучения; светосила L - это отношение числа зарегистрированных сигналов к числу частиц, испущенных источником. Светосила существенно зависит от взаимного расположения детектора и источника излучений и скорее всего является характеристикой измерительного устройства в целом.

В общем случае, чтобы вычислить эффективность и чувствительность детектора для частиц определенной энергии, необходимо знать угловое распределение излучения в месте расположения детектора, предварительно предположив, что детектор не возмущает поле излучения заметным образом и поле излучения на расстояниях, сравнимых с размерами детектора, не изменяется.