Сцинтилляционный метод

Уже в начале ХХ века было замечено, что некоторые кристаллические вещества при прохождении заряженных частиц дают вспышки света. Физически это связано с тем, что при прохождении заряженных частиц через вещество происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул, сопровождающаяся высвечиванием фотонов видимого света (или ультрафиолета). Количество фотонов во вспышке пропорционально энергии, поглощенной в веществе. Световые вспышки, сопровождающие эти процессы, могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой светочувствительностью. Регистрация вспышек обычно производится фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Он состоит из фотокатода, из которого световые фотоны выбивают электроны, и динодов, к которым приложено электрическое напряжение (обычно несколько сот вольт). При попадании фотонов на фотокатод из него вылетают электроны, которые, ускоряясь электрическим полем, выбивают из каждого следующего динода все большее количество электронов (рис.11).

Р ис. 11. Схема сцинтилляционного счётчика: кванты света «выбивают» электроны с фотокатода; размножение электронной лавины.

Таким образом, происходит умножение количества электронов в лавине в 10⁶-10⁷ (коэффициент умножения ФЭУ зависит от характеристик ФЭУ и поданного напряжения). С анода снимается импульс тока, пропорциональный количеству фотонов во вспышке внутри сцинтиллятора, а значит, и энергии заряженной частицы, вызвавшей вспышку.

В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили пластики, которые просты в изготовлении и дают интенсивное свечение. Важной характеристикой сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию - конверсионная эффективность . Наибольшими значениями  обладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, CsI, активированные, антрацен и ZnS. Другой важной характеристикой является время высвечивания , которое определяется временем жизни атомов на возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения частицы уменьшается экспоненциально. Для большинства сцинтилляторов  лежит в интервале 10^–9 – 10^–5 сек. Короткими временами свечения обладают пластики. Чем меньше , тем выше быстродействие сцинтиллятора.

Монокристаллы используются для регистрации гамма-излучения. Современная технология позволяет получать кристаллы диаметром и высотой более 200 мм. Кристаллы больших размеров очень дороги и используются главным образом для специальных прецизионных и малофоновых измерений в научных лабораториях. Обычно для определения активности нуклидов при радиационном контроле используют кристаллы NaI размерами 63х63 мм. Кристаллы такого размера не только относительно дешевы, но и имеют оптимальное соотношение чувствительности и разрешающей способности. Сравнивая характеристики монокристаллов NaI и CsI следует отметить, что кристаллы CsI имеют примерно в два раза большую эффективность регистрации гамма-излучения, чем кристаллы NaI тех же размеров, однако, их разрешающая способность на 20–25% ниже.

Поликристаллические сцинтилляторы ZnS(Ag) обычно используют для регистрации α-частиц. Они представляют собой тонкий слой кристаллов, нанесенных на прозрачную подложку, под которой размещается ФЭУ.

Регистрация быстрых нейтронов производится путем счета протонов отдачи в сцинтилляторе, содержащем водород. Возможно применение жидких сцинтилляторов, а также твердых органических кристаллов, например стильбена. Для регистрации тепловых нейтронов могут быть использованы сцинтилляторы, содержащие литий или бор, в которых под действием тепловых нейтронов происходят ядерные реакции ⁶Li(n,)³H или ¹⁰B(n,)⁷Li. К числу таких сцинтилляторов относится LiI(Tl) или жидкие сцинтилляторы, в которые добавляются органические соединения бора, например, метилборат B(OCH₃)₃.

Для измерения дозы или мощности дозы ионизирующих излучений следует пользоваться тканеэквивалентными сцинтилляторами, например, стильбеном или антраценом.

Для регистрации заряженных частиц малых энергий (< 0,1 Мэв) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов применяются газы. Газовые сцинтилляторы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введён в объём газового сцинтиллятора. Однако газовые сцинтилляторы требуют высокой чистоты газа и специального ФЭУ с кварцевыми окнами (т.к. значительная часть излучаемого света лежит в ультрафиолетовой области).

Достоинствами сцинтилляторов являются: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость.

Недостатки: малая чувствительность к частицам низких энергий (~ 1 кэВ), невысокое энергетическое разрешение.