Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Сцинтилляционный кристалл, окруженный различными сборками сцинтилляционных детекторов.
Экструдированный пластиковый сцинтилляторный материал, флуоресцирующий под УФ- инспекционной лампой в Fermilab для проекта MINERνA

Сцинтиллятор представляет собой материал , который проявляет сцинтилляционным , свойство люминесценции , [1] при возбуждении ионизирующего излучения . Люминесцентные материалы при ударе падающей частицы поглощают ее энергию и сцинтиллят (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.

Принцип работы [ править ]

Сцинтилляционный детектор или сцинтилляционный счетчик получают, когда сцинтиллятор соединен с электронным датчиком света, таким как фотоумножитель (ФЭУ), фотодиод или кремниевый фотоумножитель . ФЭУ поглощают свет, излучаемый сцинтиллятором, и переизлучают его в форме электронов за счет фотоэлектрического эффекта.. Последующее умножение этих электронов (иногда называемых фотоэлектронами) приводит к электрическому импульсу, который затем может быть проанализирован и дать значимую информацию о частице, которая первоначально поразила сцинтиллятор. Вакуумные фотодиоды аналогичны, но не усиливают сигнал, в то время как кремниевые фотодиоды, с другой стороны, обнаруживают входящие фотоны путем возбуждения носителей заряда непосредственно в кремнии. Кремниевые фотоумножители состоят из матрицы фотодиодов, которые имеют обратное смещение с напряжением, достаточным для работы в лавинном режиме , что позволяет каждому пикселю матрицы быть чувствительным к одиночным фотонам.

История [ править ]

Первое устройство, в котором использовался сцинтиллятор, было построено в 1903 году сэром Уильямом Круксом и использовало экран из ZnS . [2] [3] Сцинтилляции, создаваемые экраном, были видны невооруженным глазом при просмотре под микроскопом в затемненной комнате; устройство было известно как спинтарископ . Эта техника привела к ряду важных открытий, но, очевидно, была утомительной. Сцинтилляторы привлекли дополнительное внимание в 1944 году, когда Курран и Бейкер заменили измерение невооруженным глазом на недавно разработанный ФЭУ . Так родился современный сцинтилляционный детектор. [2]

Приложения для сцинтилляторов [ править ]

Альфа-сцинтилляционный зонд для обнаружения поверхностного загрязнения при калибровке

Сцинтилляторы используются американским правительством в качестве детекторов излучения национальной безопасности. Сцинтилляторы также могут использоваться в детекторах частиц , исследовании новых источников энергии, рентгеновской безопасности, ядерных камерах, компьютерной томографии и разведке газа. Другие применения сцинтилляторов включают компьютерные томографы и гамма-камеры в медицинской диагностике, а также экраны в компьютерных мониторах и телевизорах с ЭЛТ старых моделей. Сцинтилляторы также были предложены [4] как часть теоретических моделей использования энергии гамма-излучения за счет фотоэлектрического эффекта, например, в ядерной батарее .

Использование сцинтиллятора в сочетании с фотоэлектронным умножителем находит широкое применение в портативных измерительных приборах, используемых для обнаружения и измерения радиоактивного загрязнения и мониторинга ядерных материалов. Сцинтилляторы генерируют свет в люминесцентных лампах для преобразования ультрафиолетового излучения разряда в видимый свет. Сцинтилляционные детекторы также используются в нефтяной промышленности в качестве детекторов для гамма-каротажа.

Свойства сцинтилляторов [ править ]

У сцинтилляторов много желаемых свойств, таких как высокая плотность , высокая скорость работы, низкая стоимость , радиационная стойкость , производственные возможности и долговечность рабочих параметров. Высокая плотность уменьшает размер материала ливней для γ-квантов и электронов высоких энергий . Диапазон комптоновских рассеянных фотонов для γ-квантов с более низкой энергией также уменьшается за счет материалов с высокой плотностью. Это приводит к высокой сегментации детектора и приводит к лучшему пространственному разрешению. Обычно материалы с высокой плотностью содержат тяжелые ионы в решетке (например, свинец , кадмий ), значительно увеличивая вклад фотоэлектрического эффекта (~ Z4 ). Повышенная фотофракция важна для некоторых приложений, таких как позитронно-эмиссионная томография . Высокая тормозная способность электромагнитной составляющей ионизирующего излучения требует большей фотофракции; это позволяет получить компактный детектор. Для хорошего разрешения спектров требуется высокая скорость работы. Точность измерения времени сцинтилляционным детектором пропорциональна √ τ sc. Короткие времена затухания важны для измерения временных интервалов и для работы в схемах быстрых совпадений. Высокая плотность и быстрое время отклика позволяют обнаруживать редкие события в физике элементарных частиц. Энергия частиц, вложенная в материал сцинтиллятора, пропорциональна отклику сцинтиллятора. Заряженные частицы, γ-кванты и ионы имеют разный наклон при измерении их отклика. Таким образом, сцинтилляторы могут быть использованы для идентификации различных типов γ-квантов и частиц в потоках смешанного излучения. Еще одно соображение относительно сцинтилляторов - это стоимость их производства. Для большинства кристаллических сцинтилляторов требуются химические вещества высокой чистоты, а иногда и довольно дорогие редкоземельные металлы. Мало того, что материалы - это трата,но для многих кристаллов требуются дорогие печи и почти шесть месяцев выращивания и анализа. В настоящее время исследуются другие сцинтилляторы для снижения стоимости производства.[5]

Хорошему сцинтиллятору детектора также желательны несколько других свойств: низкий уровень 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 быстрой синхронизацией (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 устройства для сдвига длины волны ), показатель преломлениярядом с стеклом (≈1,5), чтобы обеспечить оптимальное соединение 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 сцинтилляционного материала обычно является компромиссом между этими свойствами, чтобы наилучшим образом соответствовать конкретному применению.

Среди перечисленных выше свойств светоотдача является наиболее важной, поскольку она влияет как на эффективность, так и на разрешение детектора (эффективность - это отношение обнаруженных частиц к общему количеству частиц, падающих на детектор; разрешение по энергии составляет отношение полной ширины на половине высоты данного пика энергии 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 гасящих эффектовприводит к снижению светоотдачи (т. е. к снижению эффективности сцинтилляции). Тушение относится ко всем процессам безызлучательного снятия возбуждения, в которых возбуждение сводится в основном к нагреву. [6] Общая эффективность генерации сигнала детектора, однако, также зависит от квантовой эффективности ФЭУ (обычно ~ 30% в пике) и от эффективности передачи и сбора света (которая зависит от типа материала отражателя. покрывающий сцинтиллятор и световоды, длину / форму световодов, любое поглощение света и т. д.). Световой поток часто измеряется количеством сцинтилляционных фотонов, произведенных на кэВ вложенной энергии. Типичные числа (когда падающая частица представляет собой электрон): ≈40 фотонов / кэВ для Na I (T1 ) , ~ 10 фотонов / кэВ для пластиковых сцинтилляторов и ~ 8 фотонов / кэВ длягерманата висмута(BGO).

Сцинтилляционные детекторы обычно считаются линейными. Это предположение основано на двух требованиях: (1) светоотдача сцинтиллятора пропорциональна энергии падающего излучения; (2) электрический импульс, создаваемый фотоэлектронным умножителем, пропорционален испускаемому сцинтилляционному свету. Предположение о линейности обычно является хорошим грубым приближением, хотя могут возникать отклонения (особенно заметные для частиц тяжелее протона при низких энергиях). [1]

Устойчивость и хорошее поведение в условиях высоких температур и высокой вибрации особенно важны для таких приложений, как разведка нефти ( каротаж , измерения во время бурения). Для большинства сцинтилляторов световой поток и время затухания сцинтилляции зависят от температуры. [7] Этой зависимостью можно в значительной степени пренебречь для приложений при комнатной температуре, поскольку она обычно слабая. Зависимость от температуры для органических сцинтилляторов также слабее, чем для неорганических кристаллов, таких как NaI-Tl или BGO. Сильная зависимость времени затухания от температуры в сцинтилляторе BGO используется для дистанционного контроля температуры в вакуумной среде. [8]Сопряженные ФЭУ также обладают температурной чувствительностью и могут быть повреждены при механическом ударе. Следовательно, высокотемпературные ФЭУ должны использоваться для высокотемпературных применений с высоким уровнем вибрации.

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) распада. Многие сцинтилляторы характеризуются двумя временными составляющими: один быстрый (или быстрый), другой медленный (или задержанный). Хотя обычно преобладает быстрый компонент, относительные амплитуды A и B двух компонентов зависят от сцинтилляционного материала. Оба эти компонента также могут быть функцией потерь энергии dE / dx. В случаях, когда эта зависимость потерь энергии является сильной, общая постоянная времени затухания изменяется в зависимости от типа падающей частицы. Такие сцинтилляторы позволяют различать форму импульса, то есть идентифицировать частицы на основе характеристик затухания электрического импульса ФЭУ. Например, когда используется BaF 2 , γ-лучи обычно возбуждают быструю составляющую, а α-частицы возбуждают медленную составляющую: таким образом, их можно идентифицировать на основе времени затухания сигнала ФЭУ.

Типы сцинтилляторов [ править ]

Органические кристаллы [ править ]

Органические сцинтилляторы представляют собой ароматические углеводородные соединения, которые содержат структуры бензольного кольца, связанные различными способами. Их люминесценция обычно затухает за несколько наносекунд. [9]

Некоторые органические сцинтилляторы представляют собой чистые кристаллы. Наиболее распространены антрацен [10] ( C
14ЧАС
10, время распада ≈30 нс), стильбен [10] ( C
14ЧАС
12, Время затухания 4.5 нс) и нафталина ( C
10ЧАС
8, время затухания несколько нс). Они очень долговечны, но их отклик анизотропен (что ухудшает энергетическое разрешение, когда источник не коллимирован ), их нелегко обработать, и их нельзя выращивать в больших размерах; следовательно, они не очень часто используются. Антрацен имеет самый высокий световой выход из всех органических сцинтилляторов и поэтому выбран в качестве эталона: световыход других сцинтилляторов иногда выражается в процентах от света антрацена. [11]

Органические жидкости [ править ]

Это жидкие растворы одного или нескольких органических сцинтилляторов в органическом растворителе . Типичными растворенными веществами являются фторсодержащие соединения, такие как п -терфенил ( C
18ЧАС
14), PBD ( C
20ЧАС
14N
2O ), бутил-ПБД ( C
24ЧАС
22N
2O ), PPO ( C
15ЧАС
11NO ) и сдвигатель длины волны, такой как POPOP ( C
24ЧАС
16N
2О ). Наиболее широко применяемыми растворителями являются толуол , ксилол , бензол , фенилциклогексан , триэтилбензол и декалин . Жидкие сцинтилляторы легко загружаются другими добавками, такими как устройства сдвига длины волны, чтобы соответствовать диапазону спектральной чувствительности конкретного ФЭУ, или 10 B для повышения эффективности обнаружения нейтронов самим сцинтилляционным счетчиком (поскольку 10 B имеет высокое сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами. ). Для многих жидкостей растворенный кислородможет действовать как гасящий агент и приводить к снижению светоотдачи, следовательно, необходимо герметизировать раствор в бескислородной герметичной камере. [6]

Пластиковые сцинтилляторы [ править ]

Термин «пластиковый сцинтиллятор» обычно относится к сцинтилляционному материалу, в котором первичный флуоресцентный излучатель, называемый флюором, суспендирован в основе , твердой полимерной матрице. Хотя эта комбинация обычно достигается за счет растворения фтора перед полимеризацией в массе, фтор иногда связывается с полимером напрямую, либо ковалентно, либо через координацию, 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 из-за более высоких характеристик и более низкой цены. [12]Преимущества пластиковых сцинтилляторов включают довольно высокий световой поток и относительно быстрый сигнал со временем затухания 2–4 наносекунды, но, возможно, самым большим преимуществом пластиковых сцинтилляторов является их способность формировать форму с помощью форм или других средств. практически в любую желаемую форму с высокой степенью прочности. [13] Пластиковые сцинтилляторы, как известно, демонстрируют насыщение светового потока при большой плотности энергии ( закон Биркса ).

Базы [ править ]

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 (PVT) и полистирол (PS). В то время как основа флуоресцирует в присутствии ионизирующего излучения, ее низкий выход и незначительная прозрачность для собственного излучения делают использование флюоров необходимым для создания практического сцинтиллятора. [13]Помимо ароматических пластиков, наиболее распространенной основой является полиметилметакрилат (ПММА), который имеет два преимущества по сравнению со многими другими основами: высокая прозрачность для ультрафиолетового и видимого света, а также механические свойства и более высокая 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 помогает обеспечить равномерный сбор света. [14]

Другие общие основы включают поливинилксилол (PVX), полиметил, 2,4-диметил, 2,4,5-триметилстиролы, поливинилдифенил, поливинилнафталин, поливинилтетрагидронафталин и сополимеры этих и других оснований. [13]

Флуорс [ править ]

Также известные как люминофоры, эти соединения поглощают сцинтилляцию основы, а затем излучают на большей длине волны, эффективно преобразовывая ультрафиолетовое излучение основы в более легко переносимый видимый свет. Дальнейшее увеличение длины затухания может быть достигнуто за счет добавления второго флюора, называемого преобразователем спектра или преобразователем, часто приводящим к излучению синего или зеленого света.

Обычные фторы включают полифенильные углеводороды, оксазол и оксадиазол арилы, 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 (PBD) и 2- (4'-трет-бутилфенил) -5- (4 '' - бифенилил) -1,3,4 -оксадиазол (B-PBD). [15]

Неорганические кристаллы [ править ]

Неорганические сцинтилляторы обычно представляют собой кристаллы, выращенные в высокотемпературных печах , например галогениды щелочных металлов , часто с небольшим количеством примеси активатора . Наиболее широко используется Na I (T l ) ( йодид натрия, активированный таллием ); его мерцающий свет синий. К другим неорганическим кристаллам галогенидов щелочных металлов относятся: Cs I (T l ) , Cs I (Na) , Cs I (чистый), CsF , K I (T l ) ,Ли И (Ю) . Некоторые нещелочные кристаллы включают: BGO , BaF2, CaF2(Eu) , ZnS (Ag) , CaWO4, CdWO4, YAG (Ce) ( Y
3Al
5О
12(Ce) ), GSO , LSO . (Для получения дополнительных примеров см. Также люминофоры ).

Недавно разработанные продукты включают LaC l
3(Ce) , хлорид лантана, легированный церием, а также бромид лантана, легированный церием , LaBr
3(Ce) . Оба они очень гигроскопичны (т. Е. Повреждаются при воздействии влаги в воздухе), но обеспечивают превосходный световой поток и разрешение по энергии (63 фотона / кэВ γ для LaBr
3(Ce) против 38 фотонов / кэВ γ для Na I (T l ) ), быстрый отклик (16 нс для LaBr
3(Ce) по сравнению с 230 нс для Na I (T l ) [10] ), отличной линейностью и очень стабильным световым выходом в широком диапазоне температур. Кроме того, LaBr 3 (Ce) предлагает более высокую тормозную способность для γ-лучей (плотность 5,08 г / см 3 по сравнению с 3,67 г / см 3 для Na I (T l ) [10] ). ЛИСО ( Лу
1,8Y
0,2SiO
5(Ce) ) имеет даже более высокую плотность (7,1 г / см 3 , сравнимо с BGO ), негигроскопичен и имеет более высокий световой поток, 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 их размещения в герметичном контейнере для защиты от влаги. CsI ​​(Tl) и BaF 2 лишь немного гигроскопичны и обычно не нуждаются в защите. CsF, Na I (T l ) , LaC l
3(Ce) , ЛаБр
3(Ce) гигроскопичны, а BGO , CaF
2(Eu) , LYSO и YAG (Ce) - нет.

Неорганические кристаллы можно разрезать до небольших размеров и расположить в виде массива, чтобы обеспечить чувствительность к положению. Такие матрицы часто используются в приложениях для медицинской физики или безопасности для обнаружения рентгеновских лучей или гамма-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, обычно 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 составляющая на 630 нс), а также более новые продукты ( LaC l
3(Ce) , 28 нс; ЛаБр
3(Ce) , 16 нс; LYSO , 41 нс).

Одним из преимуществ неорганических кристаллов для визуализации является очень высокий световой выход. Некоторые сцинтилляторы с высоким световым выходом выше 100000 фотонов / МэВ при 662 кэВ совсем недавно были зарегистрированы для LuI.
3(Ce) , SrI
2(Eu) и Cs
2HfCl
6.

Газовые сцинтилляторы [ править ]

Газовые сцинтилляторы состоят из азота и благородных газов гелия , аргона , криптона и ксенона , причем наибольшее внимание уделяется гелию и ксенону. Процесс сцинтилляции происходит из-за девозбуждения отдельных атомов, возбужденных прохождением падающей частицы. Это снятие возбуждения происходит очень быстро (~ 1 нс), поэтому срабатывание детектора довольно быстрое. Покрытие стенок контейнера устройством для сдвига длины волны обычно необходимо, поскольку эти газы обычно излучают в ультрафиолетовом диапазоне, а ФЭУ лучше реагируют на видимую сине-зеленую область. В ядерной физике газовые детекторы использовались для обнаружения осколков деления.или тяжелые заряженные частицы . [16]

Очки [ править ]

Наиболее распространенными стеклянными сцинтилляторами являются активированные церием силикаты лития или бора . Поскольку и литий, и бор имеют большое нейтронное сечение , стеклянные детекторы особенно хорошо подходят для обнаружения тепловых (медленных) нейтронов . Литий используется более широко, чем бор, поскольку он выделяет больше энергии при захвате нейтрона и, следовательно, имеет больший световой выход. Однако стеклянные сцинтилляторы также чувствительны к электронам и γ-квантам (для идентификации частиц можно использовать различение высоты импульса). Будучи очень прочными, они также хорошо подходят для суровых условий окружающей среды. Их время отклика составляет ≈10 нс, однако их световой поток невелик, обычно ≈30% от светового потока антрацена. [11]

Перовскитовые сцинтилляторы на основе раствора [ править ]

Сцинтилляционные свойства перовскитов галогенида свинца органо-неорганического метиламония (МА) при облучении протонами были впервые описаны Shibuya et al. в 2002 г. [17] и первый высотный спектр γ-импульса, хотя и с плохим энергетическим разрешением, был опубликован ( (C
6ЧАС
5(CH
2)
2NH
3)
2PbBr
4) Ван Эйк и др. в 2008 . [18] Бировосуто и др. [19] исследовали сцинтилляционные свойства слоистых трехмерных и двумерных перовскитов при возбуждении рентгеновскими лучами. MAPbBr 3 ( CH
3NH
3PbBr
3) излучает на 550 нм и MAPbI 3 ( CH
3NH
3PbI
3) при 750 нм, что объясняется эмиссией экситонов вблизи запрещенной зоны соединений. В этом первом поколении перовскитов на основе галогенида свинца излучение сильно гасится при комнатной температуре и сохраняется менее 1000 ph / МэВ. Однако при 10 К наблюдается интенсивное излучение, и [19] пишут о выходах до 200000 ф / МэВ. Тушение объясняется небольшой энергией связи eh в экситоне, которая уменьшается от Cl до Br до I. [20] Интересно, что можно заменить органическую группу MA на Cs +, чтобы получить полные неорганические перовскиты галогенида CsPbX 3 . В зависимости от содержания Cl, Br, I триплетное излучение экситонов, возбужденных рентгеновскими лучами, может быть изменено от 430 до 700 нм. [21]Можно также разбавить Cs с помощью Rb для получения аналогичной настройки. Вышеупомянутые самые последние разработки демонстрируют, что органо-неорганические и все неорганические перовскиты на основе галогенида свинца обладают различными интересными сцинтилляционными свойствами. Однако недавние двумерные монокристаллы перовскита [19] будут более предпочтительными, 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.

Физика сцинтилляции [ править ]

Органические сцинтилляторы [ править ]

Переходы , сделанные свободных валентных электронов этих молекул отвечают за производство сцинтилляционного света в органических кристаллах. [9] Эти электроны связаны со всей молекулой, а не с отдельным атомом, и занимают так называемые молекулярные орбитали . Основное состояние S 0 - это синглетное состояние, над которым находятся возбужденные синглетные состояния (S * , S ** ,…), нижнее триплетное состояние (T 0 ) и его возбужденные уровни (T * , T ** ,…) . Атонкая структура, соответствующая молекулярным колебательным модам , связана с каждым из этих электронных уровней. Энергетический интервал между электронными уровнями ≈1 эВ; расстояние между колебательными уровнями составляет примерно 1/10 расстояния между электронными уровнями. [22]

Падающая частица может возбуждать либо электронный, либо колебательный уровень. Синглетные возбуждения немедленно (<10 пс) распадаются до состояния S * без испускания излучения (внутренняя деградация). Затем состояние S * распадается до основного состояния S 0 (обычно до одного из колебательных уровней выше S 0 ) путем испускания сцинтилляционного фотона . Это быстрый компонент или флуоресценция . Прозрачность сцинтиллятора для испускаемого фотона обусловлена ​​тем, что энергия фотона меньше, чем требуется для S 0 → S *переход (переход обычно происходит на колебательный уровень выше S 0 ). [22] [ требуется пояснение ]

Когда одно из триплетных состояний возбуждается, оно немедленно распадается до состояния T 0 без испускания излучения (внутренняя деградация). Поскольку переход T 0  → S 0 очень маловероятен, состояние T 0 вместо этого распадается при взаимодействии с другой молекулой T 0 : [22]

и оставляет одну из молекул в состоянии S * , которое затем распадается до S 0 с высвобождением сцинтилляционного фотона. Поскольку взаимодействие T 0 -T 0 требует времени, сцинтилляционный свет задерживается: это медленная или задержанная составляющая (соответствующая задержанной флуоресценции). Иногда происходит прямой переход T 0  → S 0 (также с задержкой), который соответствует явлению фосфоресценции . Обратите внимание, что наблюдаемая разница между задержанной флуоресценцией и фосфоресценцией заключается в разнице длин волн испускаемого оптического фотона при переходе S *  → S 0 по сравнению с T0  → S 0 переход.

Органические сцинтилляторы можно растворить в органическом растворителе с образованием жидкого или пластикового сцинтиллятора. Процесс сцинтилляции такой же, как описан для органических кристаллов (выше); Отличается механизм поглощения энергии: энергия сначала поглощается растворителем, а затем передается сцинтилляционному раствору (детали переноса не совсем понятны). [22]

Неорганические сцинтилляторы [ править ]

Процесс сцинтилляционного в неорганических материалах связан с электронной зонной структурой , найденной в кристаллах и не является молекулярным в природе , как в случае с органическими сцинтилляторами. [23] Падающая 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 связанную дыру в валентной зоне. Примеси создают электронные уровни в запрещенной зоне . Экситоны слабо связаныэлектронно-дырочные пары, которые блуждают по кристаллической решетке до тех пор, пока не будут целиком захвачены примесными центрами. Последние затем быстро снимают возбуждение, испуская сцинтилляционный свет (быстрая составляющая). В активаторы примеси , как правило , выбирают таким образом , что излучаемый свет в видимом диапазоне или ближнего УФ , где фотоумножители эффективны. Дырки, связанные с электронами в зоне проводимости, не зависят от последней. Эти дырки и электроны последовательно захватываются примесными центрами, возбуждая определенные метастабильные состояния, недоступные для экситонов. Замедленное снятие возбуждения этих метастабильных примесных состояний снова приводит к сцинтилляционному свету (медленный компонент).

BGO ( оксид висмута-германия ) представляет собой чистый неорганический сцинтиллятор без примеси активатора. Здесь процесс сцинтилляции происходит за счет оптического перехода Bi3+ион, основная составляющая кристалла. [6] В вольфраматных сцинтилляторах CaWO4и CdWO4 излучение связано с радиационным распадом автолокализованных экситонов.

Газы [ править ]

В газах процесс сцинтилляции происходит из-за девозбуждения отдельных атомов, возбужденных прохождением падающей частицы (очень быстрый процесс: ≈1 нс).

Реакция на различные излучения [ править ]

Тяжелые ионы [ править ]

Сцинтилляционные счетчики обычно не идеальны для обнаружения тяжелых ионов по трем причинам: [24]

  1. очень высокая ионизирующая способность тяжелых ионов вызывает эффекты гашения, которые приводят к снижению светоотдачи (например, при равных энергиях протон будет производить от 1/4 до 1/2 света электрона , а альфа-частицы будут производить только около 1/10 свет);
  2. высокая тормозная способность частиц также приводит к уменьшению быстрого компонента по сравнению с медленным компонентом, увеличивая мертвое время детектора;
  3. В отклике детектора наблюдаются сильные нелинейности, особенно при более низких энергиях.

Уменьшение светоотдачи более сильное для органических веществ, чем для неорганических кристаллов. Следовательно, при необходимости, неорганические кристаллы, например Cs I (T 1 ) , ZnS (Ag) (обычно используются в тонких листах в качестве мониторов α-частиц), CaF
2(Eu) следует предпочесть органическим материалам. Типичными приложениями являются приборы для α- обзора , дозиметрические приборы и детекторы dE / dx тяжелых ионов . Газовые сцинтилляторы также использовались в экспериментах по ядерной физике .

Электроны [ править ]

Эффективность обнаружения 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 сцинтилляционного материала. Поэтому органические сцинтилляторы, имеющие меньшее Z, чем неорганические кристаллы, лучше всего подходят для обнаружения бета-частиц с низкой энергией (<10 МэВ) . Ситуация иная для электронов высоких энергий: поскольку они в основном теряют свою энергию из-за тормозного излучения при более высоких энергиях, при более высоких энергиях ZМатериал лучше подходит для обнаружения фотона тормозного излучения и создания электромагнитного ливня, который он может вызвать. [25]

Гамма-лучи [ править ]

Смотрите также: гамма-лучи § взаимодействие материи

Материалы с высоким Z , например неорганические кристаллы, лучше всего подходят для обнаружения гамма-лучей . Гамма-лучи взаимодействуют с веществом тремя основными способами: фотоэлектрический эффект , комптоновское рассеяние и образование пар . Фотон полностью поглощается фотоэлектрическим эффектом и образованием пар, тогда как при любом данном комптоновском рассеянии выделяется только частичная энергия. Сечение для фотоэлектрического процесса пропорционально Z 5 , что для производства пара , пропорциональной Z 2 , в то время как комптоновское рассеяние идет примерно как Z . Высокий- ZТаким образом, материал благоприятствует первым двум процессам, что позволяет детектировать полную энергию гамма-излучения. [25] Если гамма-лучи имеют более высокие энергии (> 5 МэВ), преобладает образование пар.

Нейтроны [ править ]

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 через сильное взаимодействие заряженному ядру атома . Затем положительно заряженное ядро ​​производит ионизацию . Быстрые нейтроны (обычно> 0,5 МэВ [6] ) в основном зависят от протона отдачи в (n, p) -реакциях; поэтому материалы, богатые водородом , например пластиковые сцинтилляторы, лучше всего подходят для их обнаружения. Медленные нейтроны зависят от ядерных реакцийтакие как (n, γ) или (n, α) реакции, чтобы произвести ионизацию. Их длина свободного пробега , следовательно, довольно велика, если только сцинтилляционный материал не содержит нуклидов, имеющих высокое поперечное сечение для этих ядерных реакций, таких как 6 Li или 10 B. Поэтому такие материалы, как LiI (Eu) или силикаты стекла , особенно хорошо подходят для обнаружения. медленных (тепловых) нейтронов. [26]

Список неорганических сцинтилляторов [ править ]

Ниже приводится список часто используемых неорганических кристаллов:

  • BaF
    2    или фторид бария : BaF
    2    содержит очень быстрый и медленный компоненты. Быстрый сцинтилляционный свет излучается в УФ-диапазоне (220 нм) и имеет время затухания 0,7 нс (наименьшее время затухания для любого сцинтиллятора), в то время как медленный сцинтилляционный свет излучается на более длинных волнах (310 нм) и имеет затухание 630 нс. время. Он используется в приложениях с быстрой синхронизацией, а также в приложениях, в которых требуется различение формы импульса. Световой выход BaF
    2    составляет около 12 фотонов / кэВ. [27] BaF
    2     не гигроскопичен.
  • BGO или германат висмута : германат висмута имеет более высокую тормозную способность, но более низкий оптический выход, чем Na I (T l ) . Он часто используется в детекторах совпадений для обнаружения спина к спине гамма - лучи , испускаемые при позитронной аннигиляции в позитронно - эмиссионной томографии машин.
  • CdWO
    4    или вольфрамат кадмия : сцинтиллятор с высокой плотностью, высоким атомным номером, очень длительным временем затухания (14 мкс) и относительно высоким светоотдачей (примерно 1/3 светоотдачи Na I (T l ) ). CdWO
    4    обычно используется для обнаружения рентгеновских лучей (компьютерные томографы). Имея очень небольшое загрязнение 228 Th и 226 Ra, он также подходит для приложений с низкой активностью.
  • CaF
    2    (Eu)     или фторид кальция с примесью европия : Материал не гигроскопичен, имеет 940 нс время затухания, и является относительно низким Z . Последнее свойство делает его идеальным для обнаружения β-частиц с низкой энергией из-за низкого обратного рассеяния, но не очень подходящим для обнаружения γ-излучения. Тонкие слои CaF
    2    (Eu)     также использовался с более толстым слоем Na I (T l ) для получения фосвичей, способных различать частицы α, β и γ.
  • CaWO
    4    или вольфрамат кальция : имеет длительное время затухания 9 мкс и коротковолновое излучение с максимумом при 420 нм, совпадающим с кривой чувствительности двухщелочного ФЭУ. [7] Световыход и энергетическое разрешение сцинтиллятора (6,6% для 137 Cs) сопоставимы с таковым CdWO.
    4    . [28]
  • Cs I : нелегированный иодид цезия излучает преимущественно на длине волны 315 нм, он лишь незначительно гигроскопичен и имеет очень короткое время затухания (16 нс), что делает его пригодным для приложений с быстрой синхронизацией. Светоотдача довольно низкая при комнатной температуре, однако она значительно увеличивается при охлаждении. [29]
  • Cs I (Na) или иодид цезия, легированный натрием: кристалл менее яркий, чем Cs I (T l ) , но сравним по светоотдаче с Na I (T l ) . Длина волны максимального излучения составляет 420 нм, что хорошо согласуется с чувствительностью фотокатода двухщелочных ФЭУ. Он имеет немного меньшее время затухания, чем Cs I (T l ) (630 нс против 1000 нс для Cs I (T l ) ). Cs I (Na) гигроскопичен и требует герметичного корпуса для защиты от влаги.
  • Cs I (T l ) или иодид цезия, легированный таллием : эти кристаллы являются одними из самых ярких сцинтилляторов. Его максимальная длина волны излучения света находится в зеленой области 550 нм. Cs I (T l ) лишь немного гигроскопичен и обычно не требует герметичного корпуса.
  • Б-г
    2    О
    2    S     или оксисульфид гадолиния обладает высокой тормозной способностью из-за его относительно высокой плотности (7,32 г / см 3 ) и высокого атомного номера гадолиния . Световой поток также хорош, что делает его полезным в качестве сцинтиллятора для рентгеновских изображений.
  • ЛаБр
    3    (Ce)     (или бромид лантана, допированный церием): лучшая (новая) альтернатива Na I (T l ) ; более плотный, более эффективный, намного более быстрый (имеет время затухания около 20 нс), обеспечивает превосходное разрешение по энергии благодаря очень высокой светоотдаче. Кроме того, световой поток очень стабильный и достаточно высокий в очень широком диапазоне температур, что делает его особенно привлекательным для высокотемпературных применений. В зависимости от области применения собственная активность 138 La может быть недостатком. ЛаБр
    3    (Ce)     очень гигроскопичен.
  • LaC l
    3    (Ce)     (или хлорид лантана, легированный церием ): очень быстрый, высокий световой поток. LaC l
    3    (Ce)     - более дешевая альтернатива LaBr
    3    (Ce)     . К тому же он довольно гигроскопичен.
  • PbWO
    4    или вольфрамат свинца : из-за его высокого Z , PbWO
    4     подходит для приложений, где требуется высокая тормозная способность (например, обнаружение гамма-излучения).
  • Лу я
    3    или йодид лютеция
  • LSO или оксиортосиликат лютеция ( Lu
    2    SiO
    5    ): используется в позитронно-эмиссионной томографии, поскольку проявляет свойства, аналогичные германату висмута ( BGO ), но с более высоким световыходом. Единственным его недостатком является внутренний фон от бета-распада природного 176 Lu .
  • ЛИСО ( Лу
    1,8    Y
    0,2    SiO
    5    (Ce)     ): сопоставимы по плотности с BGO , но намного быстрее и с гораздо более высоким светоотдачей; отлично подходит для медицинских изображений. LYSO негигроскопичен.
  • Na I (T l ) или йодид натрия, легированный таллием : Na I (T l ) на сегодняшний день является наиболее широко используемым сцинтилляторным материалом. Он доступен в монокристаллической или более прочной поликристаллической форме (используется в условиях высокой вибрации, например, при каротажных работах в нефтяной промышленности). Другие приложения включают ядерную медицину, фундаментальные исследования, мониторинг окружающей среды и аэрофотосъемку. Na I (T l ) очень гигроскопичен и должен находиться в герметичном корпусе.
  • YAG (Ce) или иттрий-алюминиевый гранат : YAG (Ce) негигроскопичен. Длина волны максимальной эмиссии составляет 550 нм, что хорошо согласуется с резистивными к красному свету ФЭУ или фотодиодами. Это относительно быстро (время спада 70 нс). Его светоотдача составляет примерно 1/3 светоотдачи Na I (T l ) . Материал демонстрирует некоторые свойства, которые делают его особенно привлекательным для приложений электронной микроскопии (например, высокая эффективность электронного преобразования, хорошее разрешение, механическая прочность и длительный срок службы).
  • ZnS (Ag) или сульфид цинка : ZnS (Ag) - один из самых старых неорганических сцинтилляторов (первый эксперимент сэра Уильяма Крукса с использованием сцинтиллятора (1903 г.) включал ZnS-экран). Однако он доступен только в виде поликристаллического порошка. Поэтому его использование ограничено тонкими экранами, используемыми в основном для обнаружения α-частиц.
  • ZnWO
    4    или вольфрамат цинка похож на CdWO
    4     сцинтиллятор с длительной постоянной затухания 25 мкс и несколько меньшим световыходом.

См. Также [ править ]

  • Гамма-спектроскопия
  • Жидкостный сцинтилляционный счет
  • Сцинтилляционный счетчик
  • Сцинтилляционный болометр
  • Обнаружение нейтронов
  • Спектроскопия полного поглощения

Заметки [ править ]

  1. ^ В этой статье «частица» используется для обозначения «ионизирующего излучения» и может относиться либо к излучению заряженных частиц , например электронов и тяжелых заряженных частиц, либо к незаряженному излучению, например фотонам и нейтронам , при условии, что они обладают достаточной энергией. вызвать ионизацию.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Лев 1994 , стр. 158.
  2. ^ а б Лев 1994 , стр. 157.
  3. ^ Дайер 2001 , стр. 920.
  4. ^ Liakos 2011 .
  5. ^ L'Annunziata 2012 .
  6. ^ а б в г Knoll 2010 .
  7. ^ а б Михайлик и Краус 2010 .
  8. ^ Mykhaylyk, Wagner & Kraus +2017 .
  9. ^ а б Лев 1994 , стр. 159.
  10. ^ а б в г д Лео 1994 , стр. 161.
  11. ^ а б Лев 1994 , стр. 167.
  12. ^ Накамура и др. 2011 .
  13. ^ а б в Мозер и др. 1993 .
  14. ^ Салимгареева & Колесов 2005 .
  15. ^ Guo et al. 2009 .
  16. Перейти ↑ Leo 1994 , p. 166.
  17. ^ Сибуя и др. 2002 .
  18. ^ van Eijk et al. 2008 .
  19. ^ a b c Birowosuto et al. 2016 .
  20. ^ Aozhen et al. 2018 .
  21. ^ Чен 2018 .
  22. ^ а б в г Лео 1994 , стр. 162.
  23. Перейти ↑ Leo 1994 , p. 165.
  24. Перейти ↑ Leo 1994 , p. 173.
  25. ^ а б Лев 1994 , стр. 174.
  26. Перейти ↑ Leo 1994 , p. 175.
  27. ^ Saint-Gobain Crystals (2012). " BaF2Сцинтилляционный материал на основе фторида бария » (PDF) . Брошюра по продукту .
  28. ^ Мошинский и др. 2005 .
  29. ^ Михайлик и др. 2015 .

Источники [ править ]

  • Aozhen, X .; Hettiarachchi, C .; Витковски, М .; Дроздовский, В .; Бировосуто, доктор медицины; Wang, H .; Данг, К. (2018). «Термическое тушение и дозовые исследования рентгеновской люминесценции в монокристаллах галогенидных перовскитов». J. Phys. Chem. C . 122 (28): 16265–16273. DOI : 10.1021 / acs.jpcc.8b03622 .
  • Бировосуто, доктор медицины; Cortecchia, D .; Дроздовский, В .; Brylew, K .; Lachmanski, W .; Bruno, A .; Соци, К. (2016). «Рентгеновское сцинтилляция в кристаллах галогенида свинца перовскита» . Научные отчеты . 6 (1): 37254. DOI : 10.1038 / srep37254 .
  • Чен, Quishui (2018). «Цельнонеорганические сцинтилляторы на основе нанокристаллов перовскита». Природа . 561 : 88–93. DOI : 10.1038 / s41586-018-0451-1 .
  • Дюкло, Стивен Дж. (1998). «Сцинтилляционные люминофоры для медицинской визуализации» (PDF) . Интерфейс . 7 (2): 34–39. ISSN  1944-8783 .
  • Дайер, Стивен А. (2001). Обзор контрольно-измерительной аппаратуры . Вили-Блэквелл. ISBN 978-0471394846.
  • Го, Джимей; Бюхерль, Томас; Цзоу, Юбин; Го, Чжиюй; Тан, Гою (2009). «Сравнение производительности различных преобразователей для нейтронной радиографии и томографии на нейтронах деления». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 605 (1–2): 69–72. Bibcode : 2009NIMPA.605 ... 69g . DOI : 10.1016 / j.nima.2009.01.129 .
  • Кнолль, Гленн Ф. (2010). Обнаружение и измерение радиации (4-е изд.). Вайли. ISBN 978-0470131480.
  • Лео, Уильям Р. (1994). Методы ядерных экспериментов и экспериментов по физике элементарных частиц (2-е изд.). Springer. DOI : 10.1007 / 978-3-642-57920-2 . ISBN 978-3540572800.
  • Лиакос, Джон К. (2011). "Фотоэлектрические элементы, управляемые гамма-излучением, через сцинтилляционный интерфейс" . Журнал ядерной науки и технологий . 48 (12): 1428–1436. DOI : 10.1080 / 18811248.2011.9711836 .
  • Михайлик, В.Б .; Краус, Х. (2010). «Сцинтилляторы для криогенных применений; современное состояние» . Журнал физических исследований . 14 (4): 4201–4206.
  • Михайлик, В .; Капустянык, В .; Цыбульский, В .; Рудык, В .; Краус, Х. (2015). «Люминесцентные и сцинтилляционные свойства CsI: потенциальный криогенный сцинтиллятор». Physica Status Solidi B . 252 (4): 804–810. arXiv : 1411,6246 . Bibcode : 2015PSSBR.252..804M . DOI : 10.1002 / pssb.201451464 .
  • Михайлык, В .; Вагнер, А .; Краус, Х. (2017). «Бесконтактная криотермометрия времени жизни люминесценции для кристаллографии макромолекул» . Журнал синхротронного излучения . 24 (3): 636–645. DOI : 10.1107 / S1600577517003484 . PMC  5477482 . PMID  28452755 .
  • L'Annunziata, Майкл (2012). Справочник по анализу радиоактивности (3-е изд.). Академический. ISBN 978-0123848734.
  • Moser, SW; Сложнее, WF; Hurlbut, CR; Куснер, MR (1993). «Принципы и практика проектирования пластиковых сцинтилляторов». Radiat. Phys. Chem . 41 (1-2): 31-36. Bibcode : 1993RaPC ... 41 ... 31М . DOI : 10.1016 / 0969-806X (93) 90039-W .
  • Мошинский, М .; Balcerzyk, M .; Czarnacki, W .; Насальский, А .; Szczęśniak, T .; Kraus, H .; Михайлик, В.Б .; Сольский И.М. (2005). «Характеристика сцинтиллятора CaWO4 при комнатной температуре и температуре жидкого азота». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 553 (2): 578–591. Bibcode : 2005NIMPA.553..578M . DOI : 10.1016 / j.nima.2005.07.052 .
  • Nakamura, H .; Shirakawa, Y .; Takahashi, S .; Симидзу, Х. (2011). «Свидетельство излучения темно-синих фотонов при высокой эффективности обычным пластиком». EPL . 95 (2): 22001. Bibcode : 2011EL ..... 9522001N . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 95/22001 . hdl : 2433/141973 .
  • Салимгареева, ВН; Колесов, С.В. (2005). «Пластиковые сцинтилляторы на основе полиметилметакрилата: обзор ». Instrum Exp Tech . 48 (3): 273–282. DOI : 10.1007 / s10786-005-0052-8 .
  • Сибуя, К; Кошимидзу, М; Takeoka, Y; Асаи, К. (2002). «Сцинтилляционные свойства (C6H13NH3) 2PbI4: экситонная люминесценция органического / неорганического соединения структуры с множественными квантовыми ямами». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 194 (2): 207–212. DOI : 10.1016 / S0168-583X (02) 00671-7 .
  • ван Эйк, Карел; де Хаас, Йохан TM; Родный, Петр; Ходюк, Иван; Сибуя, Кенго; Нисикидо, Фумихико; Кошимидзу, Масанори (2008). «Сцинтилляционные свойства (C6H13NH3) 2PbI4: экситонная люминесценция органического / неорганического соединения структуры с множественными квантовыми ямами». Запись конференции симпозиума IEEE по ядерной науке . N69 (3): 3525–3528. DOI : 10,1109 / NSSMIC.2008.4775096 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Кристально чистое сотрудничество в ЦЕРНе
  • «Гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр» .
  • Сцинтилляционные кристаллы и их общие характеристики
  • «Сцинтилляционные свойства» . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Архивировано из оригинального 29 апреля 2016 года.