Сцинтилляторы | это... Что такое Сцинтилляторы? (original) (raw)

Сцинтилля́торы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя — ФЭУ, значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.[1]

Содержание

Характеристики сцинтилляторов

Световыход

Световыход — количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ). Большим световыходом считается величина 50—70 тыс. фотонов на МэВ. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца).

Спектр высвечивания

Спектр высвечивания должен быть оптимально согласован со светочувствительностью используемого фотоприёмника, чтобы не терять лишний свет. Несогласованный с чувствительностью приёмника спектр высвечивания негативно сказывается на энергетическом разрешении.

Энергетическое разрешение

Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано 1) со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления, 2) с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора, 3) с разбросом высвечиваемого числа фотонов. В результате в набранном спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, её часто[2] можно представить в виде гауссианы с дисперсией σ2. В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используются сигма (квадратный корень из дисперсии) и, чаще, полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum; иногда называется полушириной), отнесённые к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в 2\sqrt{2 \ln 2}\approx 2,355 раза больше σ. Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально _E_−1/2), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 (661.7 кэВ).

Время высвечивания

Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе энергия конвертируется в свет, называется временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или сумма нескольких экспонент: \displaystyle I \sim \sum_i A_i \exp(-t/\tau_i). Время \displaystyle \tau_i компоненты с наибольшей амплитудой \displaystyle A_i характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Некоторые сцинтилляторы при быстром высвечивании могут иметь медленно спадающий «хвост» послесвечения, что для большинства приложнений является недостатком. Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов — от десятков наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

Радиационная прочность

Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.

Квенчинг-фактор

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, альфа-частицы, тяжёлые ионы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы, мюоны или рентген. Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching — «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β-отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.

Неорганические сцинтилляторы

Кристалл NaI(Tl) размером 40×40 мм в алюминиевом кожухе со стеклянным окном.

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода в кристалл вводят так называемый активатор (или допант). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными.

Сцинтилляторы

| | Времявысвечивания, мкс | Максимумспектра высвечивания,нм | Коэффициентэффективности(по отношениюк антрацену) | Примечание | | | -------------------------------- | ------------------------------- | ---------------------------------------------------------- | ---------- | ----------------------- | | NaI(Tl) | 0,25 | 410 | 2,0 | гигроскопичен | | CsI(Tl) | 0,5 | 560 | 0,6 | фосфоресценция | | LiI(Sn) | 1,2 | 450 | 0,2 | очень гигроскопичен | | LiI(Eu) | очень гигроскопичен | | | | | ZnS(Ag) | 1,0 | 450 | 2,0 | порошок | | CdS(Ag) | 1,0 | 760 | 2,0 | небольшиемонокристаллы |

Неорганические керамические сцинтилляторы

Прозрачные керамические сцинтиляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов Al203 (Лукалокс), Y203 (Иттралокс) и производных оксидов Y3Al5012 и YAl03, а также MgO, BeO.[3]

Органические сцинтилляторы

Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух-трёхкомпонентные смеси. Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт потери энергии налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Длина поглощения этого ультрафиолета, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.

Вывод света осуществляется добавлением к сцинтиллятору второго компонента, поглощающего первично излученный свет и переизлучающего его изотропно с большими длинами волн (так называемого сместителя спектра, или шифтера).

Две активных компоненты в органических сцинтилляторах или растворяются в органической жидкости или смешиваются с органическим материалом так, чтобы образовать полимерную структуру. При такой технологии можно производить жидкий или пластиковый сцинтиллятор любой геометрической формы. В большинстве случаев изготавливаются листы сцинтиллятора толщиной от 1 до 30 мм.

Органические сцинтилляторы имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц — десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший световыход:

\lambda_\maxэмиссии[нм] Времявысвечивания[нс] Световыход(относительно NaI)
нафталин 348 96 0,12
антрацен 440 30 0,5
p-терфенил 440 5 0,25

Также существуют другие органические сцинтилляторы, например американской компании BICRON. Сцинтилляторы Bicron BC 400…416 производятся на основе поливинилтолуола.[4][5]

Газовые сцинтилляторы

Газовые сцинтилляционные счетчики используют свет, излученный атомами, которые возбуждаются в процессе взаимодействия с ними заряженных частиц и затем возвращаются в основное состояние. Времена жизни возбужденных уровней лежат в наносекундном диапазоне. Световыход в газовых сцинтилляторах в силу их низких плотностей сравнительно невысок. Однако в качестве газовых сцинтилляторов могут также применяться сжиженные инертные газы.

Жидкие сцинтилляторы

См. также

Примечания

  1. ↑ БСЭ. Статья «Детекторы ядерных излучений»
  2. ↑ В некоторых случаях линии в спектре сцинтиллятора могут сильно отличаются от гауссианы, например, несимметричностью.
  3. ↑ Обзорная статья про историю керамики
  4. ↑ характеристики сцитилляторных материалов BICRON (англ.)
  5. ↑ Официальный сайт компании BICRON (англ.)