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Liquid scintillators: Attributes and applications

1956; Pergamon Press; Volume: 1; Issue: 1-2 Linguagem: Francês

10.1016/0020-708x(56)90018-7

1878-1284

F. Newton Hayes,

Advanced Chemical Sensor Technologies

Liquid scintillators are organic solutions which emit light in their interaction with ionizing radiation. The spectral distribution of this light is characteristic of the secondary solute, although vital energy degradation and transfer roles are assumed by the solvent and primary solute. In a liquid-scintillation detector the emitted light is collected at the cathode of a photomultiplier. Photoelectric conversion, electron multiplication, pulse amplification, sorting, and data presentation steps follow. Photon collection is a complex process consisting of reflection, scattering, and irreversible absorption. Liquid scintillators are evaluated by measurement of such properties as relative current, relative pulse height, decay-time, fluorescence spectrum, and absorption spectrum. The best solvents are alkylbenzenes and the most efficient solutes are polyarlys such as p-terphenyl, 2,5-diphenyloxazole (PPO), 2-phenyl-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole (PBD), and 1,5-di-[2-(5-phenyloxazolyl)]-benzene (POPOP). Liquid scintillators have an array of characteristic properties unmatched by any other variety of scintillator. These include inexpensiveness, ease of preparation, unlimited size or shape, high transparency, short decay-time, and ability to incorporate counting samples or neutron-capture solutes by dissolution or suspension. Liquid-scintillation detectors divide into two basic types: small-volume (with contained sample) and large-volume (with separate sample). Small-volume detectors have fast coincidence circuitry because of their primary application in H3 and C14 determinations, although many more-energetic beta and alpha emitters have been successfully counted. Different solvent systems allow homogeneous counting of a great variety of compounds. Suspension counting provides for the insoluble compounds. An internal standard is used to correct for quenching and to establish the disintegration rate of the sample. Large volume detectors use many photomultipliers but simple circuitry. The external source modification is useful for general considerations of geometry and for high-energy gamma resolution by multiple Compton scattering. Studies of μ mesons, neutrons and neutrinos have been carried out. The internal source modification is oriented to surround the sample, giving almost 4π coverage in studies of body retention of gamma emitters in mice, rats, monkeys, dogs, and humans. Les liquides à scintillation sont des solutions organiques qui émettent de la lumiere dans leur interaction avec les radiations ionisantes. La distribution spectrale de cette émission est caractéristique du soluté secondaire, bien qu'il y ait essentiellement degradation d'énergie et mécanisme de transfert entre le solvant et le soluté primaire. Dans un compteur à scintillation liquide, la lumière émise frappe la cathode d'un photomultiplicateur; viennent ensuite la conversion photoélectrique, la multiplication électronique, l'amplification des impulsions, la sélection et la présentation des données. La capture du photon consiste en un processus complexe de réflection, de diffusion et d'absorption irréversible. On étudie les liquides à scintillation en considérant des propriétés telles que le courant relatif, la hauteur relative de l'impulsion, la période d'extinction, les spectres de fluorescence et d'absorption. Les meilleurs solvants sont les composés aliphatiques du benzéne et les solutés les plus efficaces sont des composés aromatiques à plusieurs noyaux tels que le paraterphényl, le 2,5-diphényloxazole (PPO), le 2-phényl-5-(4-biphényl) 1,3,4-oxadiazole (PBD) et le 1,5-di-(2-(5-phényl-oxazolyl))-benzène (POPOP). Les liquides à scintillation ont un ensemble de propriétés caractéristiques qu'on ne retrouve pas dans les autres types de scintillateurs. Ils sont bon marché, faciles à préparer, de formes et de tailles non imposées, de grande transparence; ils ont une période d'extinction courte et offrent la possibilité de leur adjoinder par dissolution et par suspension des échantillons à compter ou des solutés capteurs de neutrons. Les détecteurs à scintillation liquides se classent en deux catégories distinctes: de petit volume avec l'échantillon incorporé et de grand volume avec l'échantillon à part. Les détecteurs de petit volume ont un circuit de coincidence d'oú leur application premiére dans les déterminations de H3 et C14, bien qu'on les ait utilisés avec succés pour de nombreux émetteurs alpha et bêta de plus grande énergie. Différents systèmes de solvants permettent un comptage en milieu homogène d'une grande variété de composés. Le comptage en suspension pension convient pour les composés insolubles. On utilise un étalon intérieur pour tenir compte de l'extinction de la flourescence et pour établir les vitesses de désintégration de l'échantillon. Les détecteurs de grand volume ont de nombreux photomultiplicateurs, mais un seul circuit. Le modèle compreneant la source à l'extérieur est intéressant pour des considérations générales de géométrie et pour la détermination des gamma hautement énergétiques par diffusion Compton multiple. Ainsi ont été éffectuées des études sur les mésons les neutrons et les neutrinos. Le modéle comprenant la source à l'intérieur du détecteur est utilisé quand on veut entourer l'échantillon et permet d'étudier presque sous un angle de 4π le rétention par l'organisme des émetteurs gamma, chez les souris, les rats, les singes, les chiens et les hommes. Жидкиmи cциhtилляtopamи яbляюtcя opгahчиecкиe pactbopьiukcy;, кotopьiukcy;e иcпycкaюt cbet пpи bзaиmoдeйctbии c иohизиpyющeй paдиaциeй. Cпeкtpaльhoe pacпpeдeлehиe эtoгo cbeta чapaкtepho для btopичhoгo pactbopehhoгo beщectba, чotя глabhaя poль b дeгpaдaции и пepeдaчe эhepгии пpиhaдлeжиt pactbopиteлю и пepbичhomy pactbopehhomy beщectby. b жидкom cциhtилyacy;циohhom дeteкtope излyчehhьiukcy;й cbet пoпaдaet ha кatoд фotoэлeкtpичecкoгo ymhoжиteля ; зatem cлeдyюt фotoэлeкtpичecкaя кohbepcия, элeкtohhoe ymhoжehиe, ycилehee иmпyльcob, ич otбop и peгиctpaция. bэaиmoдeйctbиe Фotohob c кatoдom пpeдctabляet cлoжлoжьй пpoцecc, bклyчayucy;щий otpaжehиe, pacceяhиe и heoбpatиmoe пoглoщehиe cbeta. Жидкиe cциhtилляtopы чapaкtepизyюtcя taкиmи cboйctbamи кaк beличиha toкa, amплиtyдa иmпyльca, bpemя зatyчahия, cпeкtp флюopecцehции и cпeкtp пoглoщehия. Лyчшиmи pactbopиteляmи яbляюtcя aлкилбehэoлы, a haибoлee aкticy;bhыmи pactbopиmыmи beщectbamи пoлиapилы, кaк-to : p-tepфehил, 2,5 дифehилoкcaзoл (PPO), 2-фehил5-(4-бибehл)-1,3,4-oкcaдиaзoл (PBD) и 1,5-ди-[2-(5-фehл-oкcaзoлил)]-бehзoл (POPOP). Жидкиe cциhtилляtopЫ oблaдaюt pядom чapaкtcy;ephыч пpeиmyщectb, кotopыч he иmeюt дpyгиe cциhtилляtopы : дeшebизha, пpoctota пpигotobлehия, heoгpahичehhыe paзmepы или фopma, bыcoкaя пpoзpaчhoctь, кopotкиe пepиoд зatyчahия и boзmoжhoctь bbeдehия b hич, пytem pactbopehия или cycпehзии, oбpaзцob и beщectb, aкtиbиpyemыч эaкbtom heйtpohob Жидкиe cциhtиляциohhыe дeteкtopы дeляtcя ha 2 ochobhыч tипa : maлoгo oбъema (c bbeдehhыm b hич oбpaзцom) и бoльшoгo oбъema (c oбpaзцom, pacпoлoжehhыm bhe дeteкtopa). Дeteкtopы maлoгo oбъema иmeюt cчemy cobпaдehий c bыcoкoй paзpeшaющeй cпocoбhoctью, taк кaк пepbohaчaльho ич пpиmehяли для oпpeдeлehия H3 и C14, чotя ohи были taкжe ycпeshcyho пpиmehehы для cчeta aльфa и бeta чactиц зhaчиteльho бoльшeй зhepгии. Paзличhыe cиctemы pactbopиteлeй пoзboляыt иzcymepяtь бoльшoгo chcy;иcлa paзhooбpaзhыч coeдиhehий b ycлobияч гomoгehhoгo pactbopa. hepactbopиmыe beщectba cчиtaюtcя b bидe cycпehзий. Для bbeдehия пoпpaboк ha tyшehиe и для oпpeдeлehия cкopoctи pacпaдa oбpaзцa пpиmehяюtcя bhytpehhиe ctahдaptы. b cлyчae дeteкtopob бoльшoгo oбharcy;ema пpиmehяetcя зhaчиteльhoe чилo фotoymhoжиteлeй, ho cчema ич пpocta. moдeль c bheшhиm иctoчhикom yдoбha из oбщич cooбpaжehий гeometpии и c toчки зpehия oпpeдeлehия гamma-излyчehий bыcoкoй эhepгии μ-meзohob, heйtpohob и heйtpиho. moдeль c byhtpehhиm иctoчhикom, иcпoльзyemaя пpи иccлeдobahии зaдepжиbahия b opгahизme paдиoaкtиbhыч beщectb y mышeй, кpыc, oбeзьяh, coбaк и людeй, pacчиtaha ha to, чtoбы oбpaзeц был oкpyжeh дeteкtopom пpaкtичecки co bceч ctopoh. Flüssige Szintillatoren sind organische Lösungen, die zufolge ihrer Wechselwirkung mit ionisierender Strahlung Licht emittieren. Das Spektrum dieses Lichtes ist charakteristisch für die sekundäre gelöste Substanz, obwohl die ausschlaggebende Energieverminderung und -übertragung dem Lösungsmittel und der gelösten Hauptsubstanz zugeschrieben werden. Das emittierte Licht wird auf der Kathode eines Photoelektronenvervielfachers gesammelt. Hierauf erfolgt photoelektrische Umwandlung, Elektronenvervielfachung, Impulsverstärkung, Diskrimimierung und Registrierung. Die Sammlung der Photonen ist ein komplexer Vorgang, der sich aus Reflexion, Streuung und irreversibler Absorption zusammensetzt. Flüssige Szintillatoren werden nach folgenden Eigenschaften bewertet: relativer Strom, relative Impulsgrösse, Abklingzeit, Fluoriszenz- und Absorptionsspektrum. Die geeignetsten Lösungsmittel sind Alkylbenzole, am wirkungsvollsten als gelöste Substanz sind Polyaryle, wie z.B. Paraterphenyl, 2,5-Biphenyloxazol (PPO), 2-Phenyl-5-(4-Biphenyl)-1,3,4-Oxadiazol (PBD) und 1,5-Bi[2-(5-Phenyl-Oxazyl)]-Benzol (POPOP). Flüssige Szintillatoren haben eine Reihe von Eigenschaften, die sie gegenüber anderen Szintillatorsubstanzen überlegen machen. So sind sie z.B. billig, leicht herstellbar, unabhängig von Grösse und Form und in hohem Masse transparent. Sie besitzen eine kurze Abklingzeit und bieten die Möglichkeit die zu messende Probe oder eine Substanz mit grossem Neutroneneinfangquerschmitt entwerden in gelöster Form, oder in Suspension direkt in der Szintillator einzubringen. Man unterscheidet 2 Grundformen von Flüssigkeitsszintillationszählern: solche mit kleinem Volumen, welche die zu messende Probe enthalten [homogene Zählmethode], und solche mit grossem Volumen. bei denen sich die Probe ausserhalb der Szintillatorflüssigkeit befindet. Szintillationszähler mit kleinem Volumen werden, zufolge ihrer hauptsächlichen Verwendung für 3H- und 14C-Bestimmungen mit schneller Koinzidenzschaltung verwendet, es wurde aber auch eine Reihe von energiereicheren β- and α-Strahlen auf diesem Wege mit Erfolg gemessen. Verschiedene Möglichkeiten der Zusammenstellung von Lösungsmittel und gelösten Substanzen gestattet für eine grosse Anzahl von Verbindungen die Anwendung der homogenen Zälmethode. Unlösliche Verbindungen können als Suspension gemessen werden. Zur Bestimmung der Korrektur für die luminiszenlöschende Wirkung der Probe wird ein mitgelöster Standard verwendet. Für Detektoren mit grossem Volumen werden mehrere Photoelektronenvervielfacher, aber eine einfachere Schaltung verwendet. Die ausserhalb des Detektors befindliche Strahlenquelle erleichtert die Bestimmung des Geometriefaktors und ist zufolge der multiplen Compton-Streuung zur Messung hochenergetischer γ-Strahlung sehr geeignet. Untersuchungen an μ-Mesonen, Neutronen und Neutrinos wurden durchgeführt. Eine anordnung, bei der die Probe rings von Szintillatorsubstanz umschlossen wird, liefert eine Ausbeute über einen Raumwinkel von nahezu 4π und ist dhaer sehr geeignet für Untersuchungen über den Verbleib von γ-Strahlern im Körper, bei Mäusen, Ratten, Affen und Hunden und beim Menschen.