Сцинтиллятор ( / ˈ s ɪ n t ɪ l eɪ t ər / SIN -til-ay-ter ) — материал, который проявляет сцинтилляцию , свойство люминесценции , [1] при возбуждении ионизирующим излучением . Люминесцентные материалы при ударе падающей частицы поглощают ее энергию и мерцают (т.е. повторно излучают поглощенную энергию в виде света). [a] Иногда возбужденное состояние является метастабильным , поэтому обратная релаксация из возбужденного состояния в более низкие состояния задерживается (что требует от нескольких наносекунд до часов в зависимости от материала). Тогда процесс соответствует одному из двух явлений: замедленной флуоресценции или фосфоресценции . Соответствие зависит от типа перехода и, следовательно, от длины волны испускаемого оптического фотона .
Сцинтилляционный детектор или сцинтилляционный счетчик получается, когда сцинтиллятор соединен с электронным датчиком освещенности, таким как фотоумножитель (ФЭУ), фотодиод или кремниевый фотоумножитель . ФЭУ поглощают свет, излучаемый сцинтиллятором, и повторно излучают его в виде электронов посредством фотоэлектрического эффекта . Последующее размножение этих электронов (иногда называемых фотоэлектронами) приводит к образованию электрического импульса, который затем можно проанализировать и получить значимую информацию о частице, первоначально попавшей в сцинтиллятор. Вакуумные фотодиоды аналогичны, но не усиливают сигнал, тогда как кремниевые фотодиоды, напротив, обнаруживают входящие фотоны путем возбуждения носителей заряда непосредственно в кремнии. Кремниевые фотоумножители состоят из массива фотодиодов, которые имеют обратное смещение и имеют достаточное напряжение для работы в лавинном режиме , что позволяет каждому пикселю массива быть чувствительным к одиночным фотонам. [ нужна цитата ]
Первое устройство, в котором использовался сцинтиллятор, было построено в 1903 году сэром Уильямом Круксом и использовало экран из ZnS . [2] [3] Мерцания, создаваемые экраном, были видны невооруженным глазом, если рассматривать их под микроскопом в затемненной комнате; устройство было известно как спинтарископ . Эта техника привела к ряду важных открытий, но была явно утомительной. Сцинтилляторы привлекли дополнительное внимание в 1944 году, когда Карран и Бейкер заменили измерение невооруженным глазом недавно разработанным ФЭУ . Это было рождение современного сцинтилляционного детектора. [2]
Сцинтилляторы используются американским правительством в качестве детекторов радиации Национальной безопасности. Сцинтилляторы также могут использоваться в детекторах частиц , разведке новых энергетических ресурсов, рентгеновской безопасности, ядерных камерах, компьютерной томографии и разведке газа. Другие области применения сцинтилляторов включают компьютерные томографы и гамма-камеры в медицинской диагностике, а также экраны в старых ЭЛТ-компьютерных мониторах и телевизорах. Сцинтилляторы также были предложены [4] как часть теоретических моделей использования энергии гамма-излучения посредством фотоэлектрического эффекта, например, в ядерной батарее .
Использование сцинтиллятора в сочетании с фотоумножителем находит широкое применение в ручных измерительных приборах, используемых для обнаружения и измерения радиоактивного загрязнения и мониторинга ядерных материалов. Сцинтилляторы генерируют свет в люминесцентных трубках для преобразования ультрафиолетового излучения разряда в видимый свет. Сцинтилляционные детекторы также используются в нефтяной промышленности в качестве детекторов гамма-каротажа.
Сцинтилляторы обладают многими желаемыми свойствами, такими как высокая плотность , высокая скорость работы, низкая стоимость , радиационная стойкость , производственные возможности и долговечность рабочих параметров. Высокая плотность уменьшает материальный размер ливней для γ-квантов высоких энергий и электронов. Дальность комптоновского рассеяния фотонов для γ-лучей более низкой энергии также уменьшается из-за материалов с высокой плотностью. Это приводит к высокой сегментации детектора и улучшению пространственного разрешения. Обычно материалы высокой плотности имеют в решетке тяжелые ионы (например, свинца , кадмия ), что существенно увеличивает вклад фотоэффекта (~Z 4 ). Повышенная фотофракция важна для некоторых приложений, таких как позитронно-эмиссионная томография . Высокая тормозная способность электромагнитной составляющей ионизирующего излучения требует большей фотодоли; это позволяет создать компактный детектор. Для хорошего разрешения спектров необходима высокая скорость работы. Точность измерения времени сцинтилляционным детектором пропорциональна √ τ sc . Короткое время затухания важно для измерения временных интервалов и для работы в схемах быстрых совпадений. Высокая плотность и быстрое время отклика могут позволить обнаруживать редкие события в физике элементарных частиц. Энергия частиц, вложенная в материал сцинтиллятора, пропорциональна отклику сцинтиллятора. Заряженные частицы, γ-кванты и ионы имеют разные наклоны при измерении их отклика. Таким образом, сцинтилляторы могут быть использованы для идентификации различных типов γ-квантов и частиц в потоках смешанного излучения. Еще одним фактором, который следует учитывать при выборе сцинтилляторов, является стоимость их производства. Для большинства кристаллических сцинтилляторов требуются химические вещества высокой чистоты, а иногда и довольно дорогие редкоземельные металлы. Мало того, что материалы требуют больших затрат, многие кристаллы требуют дорогих печей и почти шести месяцев времени на выращивание и анализ. В настоящее время исследуются другие сцинтилляторы с целью снижения себестоимости производства. [5]
Для хорошего детекторного сцинтиллятора также желательны несколько других свойств: низкий выход гамма-излучения (т. е. высокая эффективность преобразования энергии падающего излучения в сцинтилляционные фотоны), прозрачность для собственного сцинтилляционного света (для хорошего сбора света), эффективное обнаружение исследуемое излучение, высокая тормозная способность , хорошая линейность в широком диапазоне энергий, короткое время нарастания для приложений с быстрым отсчетом времени (например, измерения совпадений), короткое время затухания для уменьшения мертвого времени детектора и обеспечения высокой частоты событий, излучение в спектральном диапазоне, соответствующем спектральной чувствительности существующих ФЭУ (хотя иногда могут использоваться сдвигатели длины волны ), показатель преломления близок к показателю преломления стекла (≈1,5), чтобы обеспечить оптимальную связь с окном ФЭУ. Прочность и хорошее поведение при высоких температурах могут быть желательны там, где необходима устойчивость к вибрации и высокой температуре (например, при разведке нефти). Практический выбор материала сцинтиллятора обычно представляет собой компромисс между теми свойствами, которые лучше всего подходят для данного применения.
Среди перечисленных выше свойств светоотдача является наиболее важной, поскольку она влияет как на эффективность, так и на разрешающую способность детектора (эффективность — это отношение обнаруженных частиц к общему числу частиц, падающих на детектор; энергетическое разрешение отношение полной ширины на половине высоты данного энергетического пика к положению пика, обычно выражаемое в %). Световой поток сильно зависит от типа падающей частицы или фотона и его энергии, что, следовательно, сильно влияет на тип сцинтилляционного материала, который будет использоваться для конкретного применения. Наличие эффектов гашения приводит к снижению светоотдачи (т.е. снижению эффективности сцинтилляции). Тушение относится ко всем процессам безызлучательного снятия возбуждения, в которых возбуждение деградирует главным образом до тепла. [6] Однако общая эффективность производства сигнала детектором также зависит от квантовой эффективности ФЭУ (обычно ~ 30% в пике), а также от эффективности передачи и сбора света (которая зависит от типа материала отражателя). покрытие сцинтиллятора и световодов, длина/форма световодов, любое поглощение света и т. д.). Световой поток часто выражается количественно как количество сцинтилляционных фотонов, произведенных на кэВ выделенной энергии. Типичные числа (когда падающей частицей является электрон): ≈40 фотонов/кеВ для NaI(Tl) , ~10 фотонов/кеВ для пластиковых сцинтилляторов и ~8 фотонов/кеВ для германата висмута ( BGO ).
Обычно считается, что сцинтилляционные детекторы являются линейными. Это предположение основано на двух требованиях: 1) светоотдача сцинтиллятора пропорциональна энергии падающего излучения; (2) электрический импульс, создаваемый фотоумножителем, пропорционален излучаемому сцинтилляционному свету. Предположение о линейности обычно является хорошим грубым приближением, хотя могут иметь место отклонения (особенно ярко выраженные для частиц тяжелее протона при низких энергиях). [1]
Устойчивость и хорошее поведение в условиях высоких температур и высокой вибрации особенно важны для таких применений, как разведка нефти ( каротаж на кабеле , измерения во время бурения). Для большинства сцинтилляторов светоотдача и время затухания сцинтилляции зависят от температуры. [7] Эту зависимость можно в значительной степени игнорировать для применений при комнатной температуре, поскольку она обычно слабая. Для органических сцинтилляторов зависимость от температуры также слабее, чем для неорганических кристаллов, таких как NaI-Tl или BGO. Сильная зависимость времени затухания от температуры в сцинтилляторе BGO используется для дистанционного мониторинга температуры в вакуумной среде. [8] Связанные ФЭУ также чувствительны к температуре и могут быть повреждены при механическом ударе. Следовательно, для высокотемпературных применений с высокой вибрацией следует использовать защищенные от высоких температур ФЭУ.
Временная эволюция числа испускаемых сцинтилляционных фотонов N в одном сцинтилляционном событии часто может быть описана линейной суперпозицией одного или двух экспоненциальных затуханий. Для двух распадов имеем вид: [1]
где τ f и τ s — константы быстрого (или мгновенного) и медленного (или запаздывающего) затухания. Многие сцинтилляторы характеризуются двумя временными компонентами: одной быстрой (или быстрой), другой медленной (или запаздывающей). Хотя обычно доминирует быстрый компонент, относительная амплитуда A и B двух компонентов зависит от сцинтилляционного материала. Обе эти составляющие также могут быть функцией потерь энергии dE / dx . В случаях, когда эта зависимость потерь энергии сильная, общая постоянная времени затухания варьируется в зависимости от типа падающей частицы. Такие сцинтилляторы позволяют различать форму импульса, т.е. идентифицировать частицы на основе характеристик затухания электрического импульса ФЭУ. Например, при использовании BaF 2 γ-лучи обычно возбуждают быстрый компонент, а α-частицы возбуждают медленный компонент: таким образом, их можно идентифицировать по времени затухания сигнала ФЭУ.
Органические сцинтилляторы представляют собой ароматические углеводородные соединения, которые содержат бензольные кольцевые структуры, связанные между собой различными способами. Их люминесценция обычно затухает в течение нескольких наносекунд. [9]
Некоторые органические сцинтилляторы представляют собой чистые кристаллы. Наиболее распространенными видами являются антрацен [10] ( C
14ЧАС
10, время затухания ≈30 нс), стильбен [10] ( C
14ЧАС
12, время затухания 4,5 нс) и нафталин ( C
10ЧАС
8, время затухания несколько нс). Они очень долговечны, но их отклик анизотропен (что ухудшает энергетическое разрешение, когда источник не коллимирован ), их нелегко обрабатывать и выращивать в больших размерах; поэтому они используются не очень часто. Антрацен имеет самую высокую светоотдачу среди всех органических сцинтилляторов и поэтому выбран в качестве эталона: светоотдача других сцинтилляторов иногда выражается в процентах от светоотдачи антрацена. [11]
Это жидкие растворы одного или нескольких органических сцинтилляторов в органическом растворителе . Типичными растворенными веществами являются фторы, такие как п -терфенил ( C
18ЧАС
14), ПБД ( C
20ЧАС
14Н
2O ), бутил ПБД ( C
24ЧАС
22Н
2О ), ППО ( С
15ЧАС
11NO ) и преобразователь длины волны , такой как POPOP ( C
24ЧАС
16Н
2О ). Наиболее широко используемые растворители — толуол , ксилол , бензол , фенилциклогексан, триэтилбензол и декалин . Жидкие сцинтилляторы легко загружаются другими добавками, такими как сдвигатели длины волны, чтобы соответствовать диапазону спектральной чувствительности конкретного ФЭУ, или 10 B для повышения эффективности регистрации нейтронов самого сцинтилляционного счетчика (поскольку 10 B имеет высокое сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами) . ). Новые подходы сочетают несколько растворителей или загружают разные металлы для идентификации попавших частиц. [12] [13] Для многих жидкостей растворенный кислород может действовать как гасящий агент и приводить к снижению светоотдачи, поэтому необходимо герметизировать раствор в бескислородном герметичном корпусе. [6]
Термин «пластичный сцинтиллятор» обычно относится к сцинтилляционному материалу, в котором первичный флуоресцентный излучатель, называемый флюором, подвешен в основании , твердой полимерной матрице. Хотя это сочетание обычно достигается за счет растворения фтора перед полимеризацией в массе, фтор иногда связывается с полимером напрямую, либо ковалентно, либо посредством координации, как в случае со многими пластиковыми сцинтилляторами Li6. Было обнаружено, что полиэтиленнафталат сам по себе проявляет сцинтилляцию без каких-либо добавок и, как ожидается, заменит существующие пластиковые сцинтилляторы благодаря более высоким характеристикам и более низкой цене. [14] К преимуществам пластиковых сцинтилляторов относятся довольно высокая светоотдача и относительно быстрый сигнал со временем затухания 2–4 наносекунды, но, пожалуй, самым большим преимуществом пластиковых сцинтилляторов является их способность формироваться с помощью форм или другими способами, практически в любую желаемую форму с высокой степенью долговечности. [15] Известно, что пластиковые сцинтилляторы демонстрируют насыщение светового потока при большой плотности энергии ( закон Биркса ).
Наиболее распространенными основаниями, используемыми в пластиковых сцинтилляторах, являются ароматические пластики, полимеры с ароматическими кольцами в качестве боковых групп вдоль основной цепи полимера, среди которых наиболее заметными являются поливинилтолуол (ПВТ) и полистирол (ПС). Хотя основание и флуоресцирует в присутствии ионизирующего излучения, его низкий выход и незначительная прозрачность для собственного излучения делают необходимым использование флуоров при создании практического сцинтиллятора. [15] Помимо ароматических пластиков, наиболее распространенной основой является полиметилметакрилат (ПММА), который имеет два преимущества перед многими другими основами: высокую прозрачность и механические свойства для ультрафиолетового и видимого света, а также более высокую стойкость к хрупкости. Отсутствие флуоресценции, связанное с ПММА, часто компенсируется добавлением ароматического сорастворителя, обычно нафталина. Таким образом, пластиковый сцинтиллятор на основе ПММА обладает прозрачностью для собственного излучения, что позволяет обеспечить равномерный сбор света. [16]
Другие распространенные основания включают поливинилксилен (ПВХ), полиметил, 2,4-диметил, 2,4,5-триметилстиролы, поливинилдифенил, поливинилнафталин, поливинилтетрагидронафталин и сополимеры этих и других оснований. [15]
Эти соединения, также известные как люминофоры, поглощают сцинтилляцию основания, а затем излучают на большей длине волны, эффективно преобразуя ультрафиолетовое излучение основания в более легко переносимый видимый свет. Дальнейшее увеличение длины затухания может быть достигнуто за счет добавления второго флюора, называемого преобразователем спектра или преобразователем, что часто приводит к излучению синего или зеленого света.
Обычные фторы включают полифениловые углеводороды, арилы оксазола и оксадиазола, особенно н-терфенил (PPP), 2,5-дифенилоксазол (PPO), 1,4-ди-(5-фенил-2-оксазолил)бензол (POPOP), 2-фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4-оксадиазол (ПБД) и 2-(4'-трет-бутилфенил)-5-(4''-бифенил)-1,3,4 -оксадиазол (Б-ПБД). [17]
Неорганические сцинтилляторы обычно представляют собой кристаллы, выращенные в высокотемпературных печах , например галогениды щелочных металлов , часто с небольшим количеством примеси активатора . Наиболее широко используется NaI(Tl) ( йодид натрия , легированный таллием ); его мерцающий свет синий. Другими неорганическими щелочно-галогенидными кристаллами являются: CsI(Tl) , CsI(Na) , CsI (чистый), CsF , KI(Tl) , LiI(Eu) . Некоторые нещелочные кристаллы включают: BGO , BaF.2, КаФ
2(Eu) , ZnS(Ag) , CaWO
4, КдВО
4, ИАГ(Ce) ( Y
3Ал
5О
12(Ce) ), GSO , LSO . (Дополнительные примеры см. также в разделе «Люминофоры »). [18]
Недавно разработанные продукты включают LaCl.
3(Ce) , хлорид лантана, допированный церием, а также бромид лантана, допированный церием , LaBr
3(Се) . Оба они очень гигроскопичны (т.е. повреждаются при воздействии влаги в воздухе), но обеспечивают превосходную светоотдачу и энергетическое разрешение (63 фотона/кэВ γ для LaBr
3(Ce) против 38 фотонов/кэВ γ для NaI(Tl) ), быстрый отклик (16 нс для LaBr
3(Ce) по сравнению с 230 нс для NaI(Tl) [10] ), превосходной линейностью и очень стабильным световым потоком в широком диапазоне температур. Кроме того, LaBr 3 (Ce) обладает более высокой тормозной способностью для γ-лучей (плотность 5,08 г/см 3 против 3,67 г/см 3 для NaI(Tl) [10] ). ЛИЗО ( Лу
1,8Да
0,2SiO
5(Ce) ) имеет еще более высокую плотность (7,1 г/см 3 , сравнимо с BGO ), негигроскопичен и имеет более высокую светоотдачу, чем BGO (32 фотона/кэВ γ), а также довольно быстрый (41 время затухания нс против 300 нс для BGO ).
Недостатком некоторых неорганических кристаллов, например NaI, является их гигроскопичность, свойство, которое требует помещения их в герметичный контейнер для защиты от влаги. CsI(Tl) и BaF 2 лишь слегка гигроскопичны и обычно не нуждаются в защите. CsF, NaI(Tl) , LaCl
3(Ce) , ЛаБр
3(Ce) гигроскопичны, а BGO , CaF
2(Eu) , LYSO и YAG(Ce) — нет.
Неорганические кристаллы можно разрезать на небольшие размеры и расположить в виде массива, чтобы обеспечить позиционную чувствительность. Такие матрицы часто используются в медицинской физике или приложениях безопасности для обнаружения рентгеновских или γ-лучей: материалы с высоким Z и высокой плотностью (например, LYSO, BGO) обычно предпочтительны для этого типа приложений.
Сцинтилляция в неорганических кристаллах обычно медленнее, чем в органических, и обычно варьируется от 1,48 нс для ZnO(Ga) до 9000 нс для CaWO.
4. [10] Исключения составляют CsF (~5 нс), быстрый BaF.
2(0,7 нс; медленная компонента — 630 нс), а также более новые продукты ( LaCl
3(Се) , 28 нс; ЛаБр
3(Се) , 16 нс; ЛИСО , 41 нс).
Одним из преимуществ неорганических кристаллов для визуализации является очень высокий световой выход. Совсем недавно сообщалось о некоторых сцинтилляторах с высоким световым выходом, превышающим 100 000 фотонов / МэВ при энергии 662 кэВ, для LuI.
3(Се) , Шрила Прабхупада
2(Eu) и Cs
2HfCl
6.
Известны многие полупроводниковые сцинтилляционные люминофоры, такие как ZnS(Ag) (упоминается в разделе истории), CdS(Ag), ZnO(Zn), ZnO(Ga), CdS(In), ZnSe(O) и ZnTe(O). ), но ни один из них не доступен в виде монокристаллов. CdS(Te) и ZnSe(Te) коммерчески доступны в монокристаллической форме, но их светимость частично гасится при комнатной температуре. [19]
GaAs(Si,B) — недавно открытый криогенный полупроводниковый сцинтиллятор с высокой светоотдачей в инфракрасном диапазоне и, по-видимому, без послесвечения. В сочетании со сверхмалошумящими криогенными фотодетекторами он является целью экспериментов по обнаружению редких низкоэнергетических электронных возбуждений от взаимодействующей темной материи. [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]
Газовые сцинтилляторы состоят из азота и благородных газов гелия , аргона , криптона и ксенона , причем наибольшее внимание уделяется гелию и ксенону. Процесс сцинтилляции обусловлен снятием возбуждения одиночных атомов, возбужденных прохождением налетающей частицы. Это снятие возбуждения происходит очень быстро (~ 1 нс), поэтому отклик детектора довольно быстрый. Покрытие стенок контейнера преобразователем длины волны обычно необходимо, поскольку эти газы обычно излучают ультрафиолет , а ФЭУ лучше реагируют на видимую сине-зеленую область. В ядерной физике газовые детекторы используются для обнаружения осколков деления или тяжелых заряженных частиц . [27]
Наиболее распространенными стеклянными сцинтилляторами являются силикаты лития или бора, активированные церием . Поскольку и литий, и бор имеют большие нейтронные сечения , стеклянные детекторы особенно хорошо подходят для обнаружения тепловых (медленных) нейтронов . Литий используется более широко, чем бор, поскольку он имеет большее энерговыделение при захвате нейтрона и, следовательно, большую светоотдачу. Однако стеклянные сцинтилляторы также чувствительны к электронам и гамма-излучениям (для идентификации частиц можно использовать распознавание высоты импульса). Будучи очень прочными, они также хорошо подходят для суровых условий окружающей среды. Время их отклика составляет ≈10 нс, однако их светоотдача низкая, обычно ≈30% от светоотдачи антрацена. [11]
Сцинтилляционные свойства органо-неорганических метиламониевых (МА) перовскитов галогенида свинца под действием протонного облучения были впервые описаны Shibuya et al. в 2002 году [28] и был опубликован первый спектр высоты импульса γ-излучения, хотя и с плохим энергетическим разрешением ( ( C
6ЧАС
5(CH
2)
2Нью-Хэмпшир
3)
2ПбБр
4) ван Эйка и др. в 2008 . [29] Бировосуто и др. В работе [30] изучены сцинтилляционные свойства трехмерных и двумерных слоистых перовскитов при рентгеновском возбуждении. МАПбБр 3 ( СН
3Нью-Хэмпшир
3ПбБр
3) излучает при 550 нм и MAPbI 3 ( CH
3Нью-Хэмпшир
3PbI
3) при 750 нм, что объясняется экситонной эмиссией вблизи запрещенной зоны соединений. В этом первом поколении галогенидных перовскитов Pb излучение сильно подавляется при комнатной температуре и сохраняется менее 1000 ф/МэВ. Однако при 10 К наблюдается интенсивное излучение, и [30] пишут о выходах до 200 000 ф/МэВ. Тушение объясняется малой энергией связи eh в экситоне, которая уменьшается при переходе от Cl к Br к I. [31] Интересно, что можно заменить органическую группу МА на Cs+ для получения полных неорганических галогенидных перовскитов CsPbX3 . В зависимости от содержания Cl, Br, I триплетное рентгеновское возбуждение экситонов может перестраиваться от 430 до 700 нм. [32] Можно также разбавить Cs Rb, чтобы получить аналогичную настройку. Вышеуказанные недавние разработки показывают, что органо-неорганические и все неорганические перовскиты на основе галогенида свинца обладают различными интересными сцинтилляционными свойствами. Однако недавние двумерные монокристаллы перовскита со световыходом от 10 000 до 40 000 ф/МэВ и временем затухания менее 10 нс при комнатной температуре [30] будут более выгодными, поскольку они могут иметь гораздо больший стоксов сдвиг — до 200 нм. по сравнению со сцинтилляторами с квантовыми точками CsPbBr 3 , и это важно для предотвращения самореабсорбции сцинтилляторов.
Совсем недавно исследовательская группа профессора Биву Ма впервые сообщила о новом классе материалов, названном 0D органическим металлогалогенидным гибридом (OMHH), расширением перовскитных материалов. [33] Этот класс материалов демонстрирует сильную связь экситонов с энергией в сотни мэВ, что приводит к их высокой фотолюминесцентной квантовой эффективности, близкой к единице. Их большой стокс-сдвиг и отсутствие реабсорбции делают их желательными. [33] Об их потенциальном применении для сцинтилляторов сообщили та же группа и другие. [34] [35] В 2020 году сообщалось, что (C38H34P2)MnBr4 имеет световыход до 80 000 фотонов / МэВ, несмотря на его низкий Z по сравнению с традиционными полностью неорганическими веществами. [34] Сообщалось о впечатляющей светоотдаче других 0D OMHH. Существует большой потенциал для создания сцинтилляторов нового поколения из этого класса материалов. Однако они ограничены относительно большим временем отклика в микросекундах, что является областью интенсивных исследований.
Переходы, совершаемые свободными валентными электронами молекул , ответственны за образование сцинтилляционного света в органических кристаллах. [9] Эти электроны связаны со всей молекулой, а не с каким-либо конкретным атомом, и занимают так называемые молекулярные орбитали . Основное состояние S 0 представляет собой синглетное состояние , над которым расположены возбужденные синглетные состояния (S * , S ** ,...), низшее триплетное состояние (T 0 ) и его возбужденные уровни (T * , T ** , ...). С каждым из этих электронных уровней связана тонкая структура , соответствующая модам колебаний молекул . Энергетическое расстояние между электронными уровнями составляет ≈1 эВ; расстояние между колебательными уровнями составляет примерно 1/10 расстояния между электронными уровнями. [36]
Влетевшая частица может возбудить либо электронный уровень, либо колебательный уровень. Синглетные возбуждения сразу распадаются (< 10 пс) в состояние S * без испускания излучения (внутренняя деградация). Состояние S * затем распадается на основное состояние S0 ( обычно на один из колебательных уровней выше S0 ) путем испускания сцинтилляционного фотона . Это мгновенный компонент или флуоресценция . Прозрачность сцинтиллятора для излучаемого фотона обусловлена тем, что энергия фотона меньше той, которая необходима для перехода S 0 → S * (переход обычно происходит на колебательный уровень выше S 0 ). [36] [ нужны разъяснения ]
При возбуждении одного из триплетных состояний оно сразу же распадается на состояние Т 0 без испускания излучения (внутренняя деградация). Поскольку переход T 0 → S 0 очень маловероятен, состояние T 0 вместо этого распадается за счет взаимодействия с другой молекулой T 0 : [36]
и оставляет одну из молекул в состоянии S * , которая затем распадается до S0 с высвобождением сцинтилляционного фотона. Поскольку взаимодействие Т 0 -Т 0 требует времени, сцинтилляционный свет задерживается: это медленный или замедленный компонент (соответствующий замедленной флуоресценции). Иногда происходит прямой переход Т 0 → S 0 (также замедленный), соответствующий явлению фосфоресценции . Обратите внимание, что наблюдательная разница между задержанной флуоресценцией и фосфоресценцией представляет собой разницу в длинах волн испускаемого оптического фотона при переходе S * → S 0 по сравнению с переходом T 0 → S 0 .
Органические сцинтилляторы можно растворить в органическом растворителе с получением жидкого или пластикового сцинтиллятора. Процесс сцинтилляции такой же, как описан для органических кристаллов (выше); отличается механизм поглощения энергии: энергия сначала поглощается растворителем, затем передается сцинтилляционному растворенному веществу (детали передачи не совсем ясны). [36]
Процесс сцинтилляции в неорганических материалах обусловлен электронной зонной структурой, присутствующей в кристаллах , и не имеет молекулярной природы, как в случае с органическими сцинтилляторами. [37] Влетающая частица может возбудить электрон из валентной зоны либо в зону проводимости , либо в экситонную зону (расположенную чуть ниже зоны проводимости и отделенную от валентной зоны энергетической щелью ; см. рисунок). Это оставляет соответствующую дырку в валентной зоне. Примеси создают электронные уровни в запрещенной зоне . Экситоны представляют собой слабосвязанные электронно-дырочные пары , которые блуждают по кристаллической решетке до тех пор, пока не будут целиком захвачены примесными центрами. Последний затем быстро снимает возбуждение, испуская сцинтилляционный свет (быстрый компонент). Примеси -активаторы обычно выбираются так, чтобы излучаемый свет находился в видимом диапазоне или близком к УФ, где эффективны фотоумножители . Дырки, связанные с электронами в зоне проводимости, независимы от последней. Эти дырки и электроны последовательно захватываются примесными центрами, возбуждающими определенные метастабильные состояния, недоступные экситонам. Замедленное снятие возбуждения этих метастабильных примесных состояний снова приводит к сцинтилляционному свету (медленному компоненту).
BGO ( оксид висмута и германия ) представляет собой чистый неорганический сцинтиллятор без примесей активатора. Там процесс сцинтилляции обусловлен оптическим переходом Bi3+ион, основной компонент кристалла. [6] В вольфраматных сцинтилляторах CaWO
4и CdWO
4излучение обусловлено радиационным распадом автолокализованных экситонов.
Процесс сцинтилляции в GaAs, легированном примесями кремния и бора, отличается от обычных сцинтилляторов тем, что легирование кремнием n -типа обеспечивает встроенное заселение делокализованных электронов на дне зоны проводимости. [38] Некоторые из атомов примеси бора находятся на узлах мышьяка и служат акцепторами. [39] Сцинтилляционный фотон возникает всякий раз, когда атом-акцептор, такой как бор, захватывает ионизационную дырку из валентной зоны, и эта дырка излучательно рекомбинирует с одним из делокализованных электронов. [40] В отличие от многих других полупроводников, делокализованные электроны, обеспечиваемые кремнием, не «замерзают» при криогенных температурах. Выше переходной концентрации Мотта8 × 10 15 свободных носителей на см 3 , «металлическое» состояние сохраняется при криогенных температурах, поскольку взаимное отталкивание переводит любые дополнительные электроны на следующий более высокий доступный энергетический уровень, который находится в зоне проводимости. [41] Спектр фотонов этого процесса сосредоточен на длине волны 930 нм (1,33 эВ), а также есть три другие полосы излучения с центрами на длинах волн 860, 1070 и 1335 нм от других второстепенных процессов. [42] Каждая из этих полос излучения имеет разную яркость и время затухания. [43] Высокая сцинтилляционная светимость удивляет, потому что (1) при показателе преломления около 3,5 выход препятствует полному внутреннему отражению и (2) эксперименты при 90K сообщают о коэффициентах поглощения узкого инфракрасного излучения, составляющих несколько единиц на см. [44] [45] [46] Недавние расчеты интеграла по траектории Монте-Карло и Фейнмана показали, что высокую светимость можно объяснить, если большая часть поглощения узкого луча на самом деле является новым оптическим рассеянием на электронах проводимости с поперечным сечением около 5 x 10 –18 см 2 , что позволяет сцинтилляционным фотонам избежать полного внутреннего отражения. [47] [48] Это сечение примерно в 10 7 раз больше, чем томсоновское рассеяние, но сравнимо с оптическим сечением электронов проводимости в металлическом зеркале.
В газах процесс сцинтилляции обусловлен снятием возбуждения одиночных атомов, возбуждаемых прохождением налетающей частицы (очень быстрый процесс: ≈1 нс).
Сцинтилляционные счетчики обычно не идеальны для обнаружения тяжелых ионов по трем причинам: [49]
Снижение светоотдачи сильнее для органических кристаллов, чем для неорганических кристаллов. Поэтому, где необходимо, неорганические кристаллы, например CsI(Tl) , ZnS(Ag) (обычно используемые в тонких листах в качестве мониторов α-частиц), CaF
2(ЕС) следует отдавать предпочтение органическим материалам. Типичными областями применения являются приборы α-съемки , приборы дозиметрии и детекторы тяжелых ионов dE / dx . Газовые сцинтилляторы также использовались в экспериментах по ядерной физике .
Эффективность регистрации электронов для большинства сцинтилляторов составляет практически 100%. Но поскольку электроны могут рассеиваться на большие углы (иногда обратное рассеяние ), они могут покинуть детектор, не вкладывая в него всю свою энергию. Обратное рассеяние является быстро возрастающей функцией атомного номера Z материала сцинтиллятора. Поэтому органические сцинтилляторы, имеющие более низкое значение Z, чем неорганические кристаллы, лучше всего подходят для обнаружения бета-частиц низкой энергии (< 10 МэВ) . Ситуация иная для электронов высоких энергий: поскольку они в основном теряют свою энергию в результате тормозного излучения при более высоких энергиях, материал с более высоким Z лучше подходит для обнаружения фотона тормозного излучения и создания электромагнитного ливня , который он может индуцировать. [50]
Материалы с высоким Z , например, неорганические кристаллы, лучше всего подходят для обнаружения гамма-лучей . Три основных способа взаимодействия гамма-лучей с веществом: фотоэлектрический эффект , комптоновское рассеяние и рождение пар . Фотон полностью поглощается при фотоэлектрическом эффекте и образовании пар, в то время как при любом комптоновском рассеянии выделяется только частичная энергия. Сечение фотоэлектрического процесса пропорционально Z 5 , сечение образования пар пропорционально Z 2 , тогда как комптоновское рассеяние происходит примерно как Z . Таким образом, материал с высоким Z благоприятствует первым двум процессам, позволяя обнаруживать полную энергию гамма-лучей. [50] Если гамма-лучи имеют более высокие энергии (>5 МэВ), преобладает образование пар.
Поскольку нейтрон не заряжен, он не взаимодействует посредством кулоновской силы и, следовательно, не ионизирует сцинтилляционный материал. Сначала он должен передать часть или всю свою энергию посредством сильного взаимодействия заряженному атомному ядру . Положительно заряженное ядро затем производит ионизацию . Быстрые нейтроны (обычно >0,5 МэВ [6] ) в основном полагаются на протон отдачи в (n,p)-реакциях; поэтому материалы, богатые водородом , например пластиковые сцинтилляторы, лучше всего подходят для их обнаружения. Медленные нейтроны производят ионизацию за счет ядерных реакций , таких как реакции (n,γ) или (n,α). Поэтому их средняя длина свободного пробега довольно велика, если только материал сцинтиллятора не содержит нуклиды с высоким сечением для этих ядерных реакций, такие как 6 Li или 10 B. Поэтому такие материалы, как LiI (Eu) или силикаты стекла , особенно хорошо подходят для обнаружения. медленных (тепловых) нейтронов. [51]
Ниже приводится список часто используемых неорганических кристаллов:
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )