Сцинтилляторы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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

1 Характеристики сцинтилляторов
2 Неорганические сцинтилляторы
- 2.1 Неорганические керамические сцинтилляторы
3 Органические сцинтилляторы
4 Газовые сцинтилляторы
5 Жидкие сцинтилляторы
6 См. также
7 Ссылки

[править] Характеристики сцинтилляторов

[править] 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).

[править] 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.

[править] 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 можно представить в виде гауссианы с дисперсией $σ$ . В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используется полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum), отнесённая к медиане линии и выраженная в процентах. FWHM в 2,355 раза больше дисперсии гауссианы. 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 кэВ).

[править] 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 является недостатком. Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов — от десятков наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

[править] Радиационная прочность

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

[править] Квенчинг-фактор, или альфа-бета отношение

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.

[править] 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
	Время высвечивания, мкс	Максимум спектра высвечивания, ангстрем	Коэффициент эффективности (по отношению к антрацену)	Примечание
NaI(Tl)	0,25	4100	2,0	гигроскопичен
CsI(Tl)	0,5	5600	0,6	фосфоресценция
LiI(Sn)	1,2	4500	0,2	очень гигроскопичен
LiI(Eu)				очень гигроскопичен
ZnS(Ag)	1,0	4500	2,0	порошок
CdS(Ag)	1,0	7600	2,0	небольшие монокристаллы

[править] 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.^[2]

[править] 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:

	$λ max$ эмиссии [нм]	Время высвечивания [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.^[3]^[4]

[править] 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.

[править] Жидкие сцинтилляторы

[править] См. также

[править] Ссылки

Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

[0] БСЭ. Статья «Детекторы ядерных излучений»

[1] Обзорная статья про историю керамики

[2] характеристики сцитилляторных материалов BICRON(англ.)

[3] Официальный сайт компании BICRON(англ.)

[1]

[2]

[3]

[4]