Сцинтиллятор - Scintillator

Сцинтилляционный кристалл, окруженный различными сборками сцинтилляционных детекторов.

Экструдированный пластиковый сцинтилляторный материал, флуоресцирующий под УФ инспекционная лампа на Фермилаб для MINERνA проект

А сцинтиллятор это материал, который демонстрирует мерцание, собственность свечение,^[1] когда взволнован ионизирующего излучения. Люминесцентные материалы при ударе падающей частицы поглощают ее энергию и сцинтиллят (т. Е. Повторно излучают поглощенную энергию в виде света).^[а] Иногда возбужденное состояние метастабильный, 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: задержка флуоресценция или же фосфоресценция. Соответствие зависит от типа перехода и, следовательно, от длины волны испускаемого оптического фотона.

Принцип действия

Сцинтилляционный детектор или сцинтилляционный счетчик получается, когда сцинтиллятор соединен с электронным датчиком света, таким как фотоумножитель (PMT), фотодиод, или же кремниевый фотоумножитель. ФЭУ поглощают свет, излучаемый сцинтиллятором, и повторно излучают его в виде электронов через фотоэлектрический эффект. 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 с обратным смещением, достаточным для работы в лавинный режим, позволяя каждому пикселю массива быть чувствительным к одиночным фотонам.

История

Первое устройство, в котором использовался сцинтиллятор, было построено в 1903 году сэром Уильям Крукс и использовал ZnS экран.^[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 была явно утомительной. Сцинтилляторы привлекли дополнительное внимание в 1944 г., когда Curran и Бейкер заменил измерение невооруженным глазом на недавно разработанный ГУП. Так родился современный сцинтилляционный детектор.^[2]

Приложения для сцинтилляторов

Альфа-сцинтилляционный зонд для обнаружения поверхностного загрязнения при калибровке

Сцинтилляторы используются американским правительством в качестве детекторов излучения национальной безопасности. Сцинтилляторы также могут использоваться в детекторы частиц, разведка новых энергоресурсов, рентгеновская безопасность, ядерные камеры, компьютерная томография и разведка газа. Другие применения сцинтилляторов включают компьютерные томографы и гамма-камеры в медицинской диагностике, а также экраны в старых компьютерных мониторах и телевизорах с ЭЛТ. Также были предложены сцинтилляторы.^[4] как часть теоретических моделей использования энергии гамма-излучения за счет фотоэлектрического эффекта, например, в ядерная батарея.

Использование сцинтиллятора в сочетании с фотоэлектронным умножителем находит широкое применение в портативные измерительные приборы используется для обнаружения и измерения радиоактивное загрязнение и мониторинг ядерного материала. Сцинтилляторы излучают 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

У сцинтилляторов много желаемых свойств, таких как высокая плотность, высокая скорость работы, низкая Стоимость, радиационная стойкость, производственные возможности и долговечность эксплуатационных параметров. Высокая плотность уменьшает размер материала душа для получения высокой энергии γ-кванты и электроны. Диапазон Комптон разбросан количество фотонов для γ-лучей 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, вести, кадмий ), значительно увеличивая вклад фотоэлектрический эффект (~ Z⁴). Повышенная фото фракция 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. 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 важным аспектом 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 - это расходы, но и 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, высокий останавливающая сила, 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 PMT (хотя сдвигатели длины волны иногда можно использовать), показатель преломления рядом 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%). Светоотдача сильно зависит от типа падающей частицы или фотона и от его энергии, что, следовательно, сильно влияет на тип сцинтилляционного материала, который будет использоваться для конкретного применения. Наличие гасящие эффекты приводит к снижению светоотдачи (то есть к снижению эффективности сцинтилляции). Тушение относится ко всем процессам безызлучательного снятия возбуждения, в которых возбуждение сводится в основном к теплу.^[6] Однако общая эффективность генерации сигнала детектора также зависит от квантовая эффективность от ФЭУ (обычно ~ 30% в пике), и от эффективности передачи и сбора света (которая зависит от типа материала отражателя, покрывающего сцинтиллятор и световоды, длины / формы световодов, любого поглощения света, так далее.). Световой поток часто измеряется количеством сцинтилляционных фотонов, произведенных на кэВ вложенной энергии. Типичные числа (когда падающая частица представляет собой электрон): ≈40 фотонов / кэВ для Naя(Тл), ~ 10 фотонов / кэВ для пластиковых сцинтилляторов и ~ 8 фотонов / кэВ для германат висмута (BGO).

Считается, что сцинтилляционные детекторы являются 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 ярко выраженные для частиц тяжелее протон при низких энергиях).^[1]

Устойчивость и хорошее поведение в условиях высоких температур и высокой вибрации особенно важны для таких приложений, как разведка нефти (каротаж, измерение при бурении). 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 удаленного мониторинга 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 испущенных сцинтилляционных фотонов N в одном событии сцинтилляции часто можно описать линейной суперпозицией одного или двух экспоненциальных затуханий. Для двух распадов имеем вид:^[1]

$${\displaystyle N=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right)}$$

куда τ_ж и τ_s - константы быстрого (или быстрого) и медленного (или замедленного) затухания. Многие сцинтилляторы характеризуются двумя временными составляющими: одним быстрым (или быстрым), другим медленным (или замедленным). В то время как быстрая составляющая обычно доминирует, относительная амплитуда А и B двух компонентов зависит от сцинтилляционного материала. Оба этих компонента также могут быть функцией потерь энергии. dE/dx. В случаях, когда эта зависимость потерь энергии сильна, общая постоянная времени затухания зависит от типа падающей частицы. Такие сцинтилляторы позволяют различать форму импульса, то есть идентифицировать частицы на основе характеристик затухания электрического импульса ФЭУ. Например, когда BaF₂ γ-кванты обычно возбуждают быструю составляющую, тогда как α-частицы возбуждают медленную составляющую: таким образом, их можно идентифицировать по времени затухания сигнала ФЭУ.

Типы сцинтилляторов

Органические кристаллы

Органические сцинтилляторы ароматический углеводород соединения, которые содержат бензол кольцевые структуры связаны между собой различными способами. Их люминесценция обычно затухает в течение нескольких наносекунд.^[9]

Некоторые органические сцинтилляторы представляют собой чистые кристаллы. Наиболее распространенные типы: 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 прочные, но их реакция анизотропный (что портит энергетическое разрешение, когда источник не коллимированный ), и они не поддаются механической обработке и не могут быть выращены 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

Это жидкие растворы одного или нескольких органических сцинтилляторов в органический растворитель. Типичными растворенными веществами являются флюоры, такие как п-терфенил (C
₁₈ЧАС
₁₄), PBD (C
₂₀ЧАС
₁₄N
₂О), бутил ПБД (C
₂₄ЧАС
₂₂N
₂О), PPO (C
₁₅ЧАС
₁₁НЕТ), и сдвигатель длины волны Такие как ПОПАП (C
₂₄ЧАС
₁₆N
₂О). Наиболее широко используемые растворители: толуол, ксилол, бензол, фенилциклогексан, триэтилбензол, и декалин. Жидкие сцинтилляторы легко загружаются другими добавками, такими как устройства для сдвига длины волны, чтобы соответствовать спектральному диапазону чувствительности конкретного ФЭУ, или ¹⁰B увеличить обнаружение нейтронов эффективность сцинтилляционный счетчик сам (поскольку ¹⁰B имеет высокое сечение взаимодействия с тепловые нейтроны ). Для многих жидкостей растворяется кислород может действовать как гасящий агент и приводить к уменьшению светоотдачи, отсюда и необходимость герметизировать раствор в бескислородной герметичной камере.^[6]

Пластиковые сцинтилляторы

Термин «пластиковый сцинтиллятор» обычно относится к сцинтилляционному материалу, в котором первичный флуоресцентный излучатель, называемый флюором, подвешен в основание, твердая полимерная матрица. 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. Полиэтиленнафталат Было обнаружено, что он сам по себе демонстрирует 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 в себя довольно высокий световой поток и относительно быстрый сигнал с 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

Наиболее распространенными основаниями, используемыми в пластиковых сцинтилляторах, являются ароматические пластмассы, полимеры с ароматическими кольцами в качестве боковых групп вдоль основной цепи полимера, среди которых поливинилтолуол (PVT) и полистирол (PS) самые известные. В то время как основа флуоресцирует в присутствии ионизирующего излучения, ее низкий выход и незначительная прозрачность для собственного излучения делают необходимым использование флюоров 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 может похвастаться 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

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 флуоресцентного излучения, называемого преобразователем спектра или преобразователем, что часто приводит 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

Неорганические сцинтилляторы обычно представляют собой кристаллы, выращенные при высокой температуре. печи, Например, щелочной металл галогениды, часто с небольшим количеством активатор примесь. Наиболее широко используется Naя(Тл) (таллий легированный йодид натрия ); его мерцающий свет синий. К другим кристаллам неорганических галогенидов щелочных металлов относятся: CSя(Тл), CSя(Na), CSя (чистый), CSF, Kя(Тл), Лия(Европа). Некоторые нещелочные кристаллы включают: BaF
₂, CaF
₂(Европа), ZnS (Ag), CaWO
₄, CdWO
₄, YAG (Ce) (Y
₃Al
₅О
₁₂(Ce)), GSO, LSO. (Дополнительные примеры см. Также люминофор ).

Недавно разработанные продукты включают LaCл
₃(Ce), хлорид лантана легированный церием, а также легированный церием бромид лантана, ЛаБр
₃(Ce). Они оба очень гигроскопичный (т. е. повреждается при воздействии влаги в воздухе), но обеспечивает отличный световой поток и разрешение по энергии (63 фотона / кэВ γ для ЛаБр
₃(Ce) против 38 фотонов / кэВ γ для Naя(Тл)), быстрый отклик (16 нс для ЛаБр
₃(Ce) против 230 нс для Naя(Тл)^[10]), отличной линейностью и очень стабильным световым потоком в широком диапазоне температур. Кроме того, ЛаБр₃(Ce) предлагает более высокую тормозную способность для γ-лучей (плотность 5,08 г / см³ против 3,67 г / см³ за Naя(Тл)^[10]). LYSO (Лу
_1.8Y
_0.2SiO
₅(Ce)) имеет еще более высокую плотность (7,1 г / см³, сравним с BGO ), негигроскопичен и имеет более высокий световой поток, чем BGO (32 фотона / кэВ γ), помимо того, что он достаточно быстрый (время затухания 41 нс против 300 нс для BGO).

Недостатком некоторых неорганических кристаллов, например NaI, является их гигроскопичность, свойство, которое требует, чтобы они помещались в герметичный контейнер для защиты от влаги. CsI ​​(Tl) и BaF₂ только немного гигроскопичны и обычно не нуждаются в защите. CSF, Naя(Тл), LaCл
₃(Ce), ЛаБр
₃(Ce) гигроскопичны, а BGO, CaF
₂(Европа), LYSO, и YAG (Ce) не.

Неорганические кристаллы можно разрезать до небольших размеров и расположить в виде массива, чтобы обеспечить чувствительность к положению. Такие массивы часто используются в медицинской физике или приложениях безопасности для обнаружения рентгеновских лучей или гамма-лучей:Zматериалы с 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), быстро BaF
₂ (0,7 нс; медленная составляющая на 630 нс), а также более новые продукты (LaCл
₃(Ce), 28 нс; ЛаБр
₃(Ce), 16 нс; LYSO, 41 нс).

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

Газовые сцинтилляторы

Газовые сцинтилляторы состоят из азот и благородные газы гелий, аргон, криптон, и ксенон, причем наибольшее внимание уделяется гелию и ксенону. Процесс сцинтилляции происходит из-за снятия возбуждения отдельных атомов, возбужденных прохождением падающей частицы. Это снятие возбуждения происходит очень быстро (~ 1 нс), поэтому срабатывание детектора довольно быстрое. Покрытие стенок емкости сдвигатель длины волны обычно необходимо, поскольку эти газы обычно выделяются в ультрафиолетовый ФЭУ лучше реагируют на видимую сине-зеленую область. В ядерной физике газовые детекторы использовались для обнаружения осколки деления или тяжелый заряженные частицы.^[16]

Очки

Самый распространенный стекло сцинтилляторы представляют собой активированный церием литий или силикаты бора. Поскольку и литий, и бор имеют большие нейтронные сечения, стеклянные детекторы особенно хорошо подходят для обнаружения тепловые (медленные) нейтроны. Литий используется более широко, чем бор, поскольку он выделяет больше энергии при захвате нейтрона и, следовательно, больший световой поток. Однако стеклянные сцинтилляторы также чувствительны к электронам и γ-квантам (для идентификации частиц можно использовать дискриминацию по высоте 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

Сцинтилляционные свойства перовскитов галогенида свинца органо-неорганического метиламония (МА) под действием протонного излучения впервые были описаны Shibuya et al. в 2002 ^[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 трехмерных и двумерных слоистых перовскитов при возбуждении рентгеновскими лучами. MAPbBr (CH
₃NH
₃PbBr
₃) излучает на длине волны 550 нм и MAPbI (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] напишите об урожайности до 200000 ph / МэВ. Тушение объясняется небольшой энергией связи e-h в экситоне, которая уменьшается от Cl до Br до I.^[20] Интересно, что можно заменить органическую группу MA на Cs + для получения полных неорганических галогенидных перовскитов CsPbX3. В зависимости от содержания Cl, Br, I триплетное излучение экситона, возбужденного рентгеновскими лучами, может быть изменено от 430 до 700 нм.^[21] Можно также разбавить Cs с 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 с сцинтилляторами с квантовыми точками CsPbBr3, и это важно для предотвращения самореабсорбции сцинтилляторов.

Физика сцинтилляции

Органические сцинтилляторы

Переходы, сделанные бесплатными валентные электроны из молекулы отвечают за образование сцинтилляционного света в органических кристаллах.^[9] Эти электроны связаны со всей молекулой, а не с отдельным атомом, и занимают так называемые -молекулярные орбитали. В основное состояние S₀ это синглетное состояние выше которых находятся возбужденные синглетные состояния (S^*, S^**, …), нижайший триплетное состояние (Т₀) и его возбужденные уровни (T^*, Т^**, …). А тонкая структура соответствующий молекулярный колебательный режимы связан 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]

Входящая частица может возбуждать либо электронный уровень, либо колебательный уровень. Синглетные возбуждения немедленно (<10 пс) распадаются на S^* состояние без излучения радиации (внутренняя деградация). S^* состояние затем распадается до основного состояния S₀ (обычно на один из колебательных уровней выше S₀) испуская сцинтилляцию фотон. Это компонент подсказки или флуоресценция. Прозрачность сцинтиллятора для испускаемого фотона обусловлена ​​тем, что энергия фотона меньше, чем требуется для S₀ → S^* переход (переход обычно происходит на колебательный уровень выше S₀).^{[22][требуется разъяснение ]}

Когда одно из триплетных состояний возбуждается, оно немедленно распадается до T₀ состояние без излучения излучения (внутренняя деградация). Поскольку T₀ → S₀ переход очень маловероятен, T₀ состояние вместо этого распадается, взаимодействуя с другим T₀ молекула:^[22]

$${\displaystyle T_{0}+T_{0}\rightarrow S^{*}+S_{0}+{\text{photons}}}$$

и оставляет одну из молекул в S^* состояние, которое затем распадается до S₀ с испусканием сцинтилляционного фотона. Поскольку T₀-T₀ взаимодействие требует времени, сцинтилляционный свет задерживается: это медленная или запаздывающая составляющая (соответствующая замедленной флуоресценции). Иногда прямая буква T₀ → S₀ переход происходит (тоже с задержкой), и соответствует явлению фосфоресценция. Обратите внимание, что наблюдаемая разница между задержанной флуоресценцией и фосфоресценцией заключается в различии длины волн испускаемого оптического фотона в S^* → S₀ переход по сравнению с T₀ → S₀ переход.

Органические сцинтилляторы можно растворить в органический растворитель для образования 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 на сцинтилляцию. растворенное вещество (детали перевода четко не выяснены).^[22]

Неорганические сцинтилляторы

Процесс сцинтилляции в неорганических материалах происходит из-за электронная зонная структура нашел в кристаллы и не является молекулярным по природе, как в случае с органическими сцинтилляторами.^[23] Падающая частица может возбудить электрон из валентная полоса либо к зона проводимости или экситон полоса (расположена чуть ниже зоны проводимости и отделена от валентной зоны энергетический разрыв; видеть рисунок ). Это оставляет связанный дыра сзади, в валентной полосе. Примеси создают электронные уровни в запрещенный пробел. Экситоны слабо связаны электронно-дырочные пары которые блуждают по кристаллическая решетка пока они целиком не будут захвачены примесными центрами. Последние затем быстро снимают возбуждение, испуская сцинтилляционный свет (быстрый компонент). В активатор примеси обычно выбираются так, чтобы излучаемый свет находился в видимом диапазоне или ближний УФ куда фотоумножители эффективны. Дырки, связанные с электронами в зоне проводимости, не зависят от последней. Эти дырки и электроны последовательно захватываются примесными центрами, возбуждающими определенные метастабильные состояния не доступен 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 обусловлен оптическим переходом Би³⁺
ион, основная составляющая кристалла.^[6] В вольфраматных сцинтилляторах CaWO
₄ и CdWO
₄ излучение связано с радиационным распадом автолокализованных экситонов.

Газы

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

Реакция на различные излучения

Тяжелые ионы

Сцинтилляционные счетчики обычно не идеальны для обнаружения тяжелые ионы по трем причинам:^[24]

1. очень высокая ионизирующая способность тяжелых ионов вызывает гасящие эффекты что приводит к уменьшению светоотдачи (например, при одинаковой энергии протон будет производить от 1/4 до 1/2 света электрон, пока альфы будет производить только около 1/10 света);
2. высота останавливающая сила 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 сильнее для органических веществ, чем для неорганических кристаллов. Следовательно, при необходимости, неорганические кристаллы, например CSя(Тл), ZnS (Ag) (обычно используется в тонких листах в качестве мониторов α-частиц), CaF
₂(Европа), следует предпочесть органические материалы. Типичные области применения: α-инструменты исследования, дозиметрия инструменты и тяжелые ионы dE/dx детекторы. Газовые сцинтилляторы также использовались в ядерная физика эксперименты.

Электроны

Эффективность обнаружения для электроны составляет практически 100% для большинства сцинтилляторов. Но поскольку электроны могут образовывать большой угол россыпи (иногда обратное рассеяние ), они могут выйти из детектора, не вкладывая в него всю свою энергию. Обратное рассеяние - это быстро возрастающая функция атомного номера Z сцинтилляционного материала. Органические сцинтилляторы, имеющие низкую Z чем неорганические кристаллы, поэтому лучше всего подходят для обнаружения низкоэнергетических (<10 МэВ) бета-частицы. Ситуация иная для электронов высоких энергий: поскольку они в основном теряют свою энергию на тормозное излучение при более высоких энергиях, болееZ материал лучше подходит для обнаружения фотона тормозного излучения и производства электромагнитный душ который он может вызвать.^[25]

Гамма излучение

Смотрите также: Гамма-лучи § Взаимодействие с веществом

Высоко-Z материалы, например неорганические кристаллы, лучше всего подходят для обнаружения гамма излучение. Гамма-лучи взаимодействуют с веществом тремя основными способами: фотоэлектрический эффект, Комптоновское рассеяние, и парное производство. Фотон полностью поглощается фотоэлектрическим эффектом и образованием пар, тогда как при любом данном комптоновском рассеянии вкладывается только частичная энергия. В поперечное сечение для фотоэлектрического процесса пропорциональна Z⁵, что для рождения пар, пропорционального Z², тогда как комптоновское рассеяние идет примерно как Z. Высота-Z Таким образом, материал благоприятствует первым двум процессам, что позволяет детектировать полную энергию гамма-излучения.^[25] Если гамма-лучи имеют более высокие энергии (> 5 МэВ), доминирует образование пар.

Нейтронов

Поскольку нейтрон не взимается, он не взаимодействует через Кулоновская сила и, следовательно, не ионизирует сцинтилляционный материал. Сначала он должен передать часть или всю свою энергию через сильную силу заряженному атомное ядро. Положительно заряженное ядро ​​затем производит ионизация. Быстрые нейтроны (обычно> 0,5 МэВ ^[6]) в первую очередь полагаются на отдача протон в (n, p) реакциях; материалы, богатые водород, например пластиковые сцинтилляторы поэтому лучше всего подходят для их обнаружения. Медленные нейтроны полагаться на ядерные реакции такие как (n, γ) или (n, α) реакции, чтобы произвести ионизацию. Их длина свободного пробега поэтому является довольно большим, если материал сцинтиллятора не содержит нуклиды, имеющие высокий поперечное сечение для этих ядерных реакций, таких как ⁶Ли или ¹⁰Б. Такие материалы, как LiI (Eu) или стекло силикаты поэтому особенно хорошо подходят для обнаружения медленных (тепловых) нейтронов.^[26]

Список неорганических сцинтилляторов

Ниже приводится список часто используемых неорганических кристаллов:

• BaF
  ₂ или же 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 с большей длиной волны (310 нм) и имеет затухание 630 нс. время. Он используется для приложений с быстрой синхронизацией, а также для приложений, в которых требуется различение формы импульса. Световой поток BaF
  ₂ составляет около 12 фотонов / кэВ.^[27] BaF
  ₂ не гигроскопичен.
• BGO или же германат висмута: германат висмута имеет более высокую тормозную способность, но более низкий оптический выход, чем Naя(Тл). Часто используется в детекторы совпадений для обнаружения спина к спине гамма излучение выпущен на позитрон уничтожение в позитронно-эмиссионная томография машины.
• CdWO
  ₄ или же вольфрамат кадмия: сцинтиллятор с высокой плотностью, высоким атомным номером, очень большим временем затухания (14 мкс) и относительно высоким световым потоком (примерно 1/3 светового потока Naя(Тл)). CdWO
  ₄ обычно используется для обнаружения рентгеновских лучей (компьютерные томографы). Имея очень мало ²²⁸Че и ²²⁶Загрязнение Ra, он также подходит для приложений с низкой активностью.
• CaF
  ₂(Европа) или же фторид кальция допированный европий: Материал не гигроскопичен, имеет время распада 940 нс и относительно низкуюZ. 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(Европа) также использовались с более толстыми плитами из Naя(Тл) сделать фосвич способен различать частицы α, β и γ.
• CaWO
  ₄ или же вольфрамат кальция: демонстрирует длительное время затухания 9 мкс и коротковолновое излучение с максимумом на 420 нм, совпадающим с кривой чувствительности двухщелочного ФЭУ.^[7] Световыход и энергетическое разрешение сцинтиллятора (6,6% для ¹³⁷Cs) сравнимо с CdWO
  ₄.^[28]
• CSя: нелегированный йодид цезия излучает преимущественно на длине волны 315 нм, обладает незначительной гигроскопичностью и очень коротким временем 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]
• CSя(Na) или иодид цезия, легированный натрием: кристалл менее яркий, чем CSя(Тл), но сравнима по светоотдаче с Naя(Тл). Длина волны максимального излучения составляет 420 нм, что хорошо согласуется с чувствительностью фотокатода двухщелочных ФЭУ. У него немного меньшее время распада, чем у CSя(Тл) (630 нс против 1000 нс для CSя(Тл)). CSя(Na) гигроскопичен и требует герметичного корпуса для защиты от влаги.
• CSя(Тл) или йодид цезия с примесью таллий: эти кристаллы - одни из самых ярких сцинтилляторов. Его максимальная длина волны излучения света находится в зеленой области 550 нм. CSя(Тл) лишь немного гигроскопичен и обычно не требует герметичного корпуса.
• Б-г
  ₂О
  ₂S или же оксисульфид гадолиния обладает высокой тормозной способностью благодаря относительно высокой плотности (7,32 г / см³) и высокий атомный номер гадолиний. Световой поток также хорош, что делает его полезным в качестве сцинтиллятора для рентгеновских изображений.
• ЛаБр
  ₃(Ce) (или же бромид лантана легированный церием): лучшая (новая) альтернатива Naя(Тл); более плотный, более эффективный, намного более быстрый (имеет время затухания около 20 нс), обеспечивает превосходное разрешение по энергии благодаря очень высокой светоотдаче. Кроме того, светоотдача очень стабильна и достаточно высока в очень широком диапазоне температур, что делает ее особенно привлекательной для высокотемпературных применений. В зависимости от применения внутренняя активность ¹³⁸Ла может быть недостатком. ЛаБр
  ₃(Ce) очень гигроскопичен.
• LaCл
  ₃(Ce) (или же хлорид лантана допированный церий ): очень быстрая, высокая светоотдача. LaCл
  ₃(Ce) это более дешевая альтернатива ЛаБр
  ₃(Ce). Кроме того, он довольно гигроскопичен.
• PbWO
  ₄ или же вольфрамат свинца: из-за высокогоZ, PbWO
  ₄ подходит для применений, где требуется высокая тормозная способность (например, обнаружение γ-излучения).
• Луя
  ₃ или же йодид лютеция
• LSO или же оксиортосиликат лютеция (Лу
  ₂SiO
  ₅): используется в позитронно-эмиссионная томография поскольку он проявляет свойства, аналогичные германату висмута (BGO), но с более высоким световыходом. Единственный его недостаток - внутренний фон от бета-распад естественного ¹⁷⁶Лу.
• LYSO (Лу
  _1.8Y
  _0.2SiO
  ₅(Ce)): сопоставимы по плотности с BGO, но намного быстрее и с гораздо большей светоотдачей; отлично подходит для медицинских изображений. LYSO негигроскопичен.
• Naя(Тл) или же йодид натрия допированный таллий: Naя(Тл) на сегодняшний день является наиболее широко используемым сцинтилляторным материалом. Он доступен в форме монокристалла или в 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. Naя(Тл) очень гигроскопичен и должен размещаться в герметичном корпусе.
• YAG (Ce) или же иттрий-алюминиевый гранат: YAG (Ce) негигроскопичен. Длина волны максимального излучения 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 от светового потока. Naя(Тл). 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 же сульфид цинка: ZnS (Ag) является одним из самых старых неорганических сцинтилляторов (первый эксперимент с использованием сцинтиллятора, выполненный сэром Уильям Крукс (1903 г.) использовался экран из ZnS). Однако он доступен только в виде поликристаллического порошка. Поэтому его использование ограничено тонкими экранами, используемыми в основном для обнаружения α-частиц.
• ZnWO
  ₄ или же вольфрамат цинка похоже на CdWO
  ₄ сцинтиллятор с длительной постоянной затухания 25 мкс и несколько меньшим световыходом.

Смотрите также

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

Примечания

1. В этой статье «частица» используется для обозначения «ионизирующего излучения» и может относиться к заряженному излучение твердых частиц, Такие как электроны и тяжелые заряженные частицы, или незаряженное излучение, такое как фотоны и нейтроны при условии, что у них достаточно энергии, чтобы вызвать ионизацию.

Рекомендации

1. Лев 1994, п. 158.
2. Лев 1994, п. 157.
3. Дайер 2001, п. 920.
4. Лиакос 2011.
5. L'Annunziata 2012.
6. Knoll 2010.
7. Михайлик и Краус 2010.
8. Михайлик, Вагнер и Краус 2017.
9. Лев 1994, п. 159.
10. Лев 1994, п. 161.
11. Лев 1994, п. 167.
12. Накамура и др. 2011 г..
13. Moser et al. 1993 г..
14. Салимгареева и Колесов 2005.
15. Guo et al. 2009 г..
16. Лев 1994, п. 166.
17. Shibuya et al. 2002 г..
18. van Eijk et al. 2008 г..
19. Birowosuto et al. 2016 г..
20. Aozhen et al. 2018 г..
21. Чен 2018.
22. Лев 1994, п. 162.
23. Лев 1994, п. 165.
24. Лев 1994, п. 173.
25. Лев 1994, п. 174.
26. Лев 1994, п. 175.
27. Кристаллы Сен-Гобен (2012). "BaF
    ₂ Сцинтилляционный материал на основе фторида бария » (PDF). Брошюра о продукте.
28. Moszyński et al. 2005 г..
29. Михайлик и др. 2015 г..

Источники

• Aozhen, X .; Hettiarachchi, C .; Витковский, М .; Дроздовский, В .; Birowosuto, M.D .; Wang, H .; Данг, К. (2018). «Термическое тушение и дозовые исследования рентгеновской люминесценции в монокристаллах галогенидных перовскитов». J. Phys. Chem. C. 122 (28): 16265–16273. Дои:10.1021 / acs.jpcc.8b03622.
• Birowosuto, M.D .; Cortecchia, D .; Дроздовский, В .; Brylew, K .; Lachmanski, W .; Bruno, A .; Соци, К. (2016). «Рентгеновская сцинтилляция в кристаллах галогенида свинца перовскита». Научные отчеты. 6 (1): 37254. Дои:10.1038 / srep37254.
• Чен, Quishui (2018). "Цельнонеорганические нанокристаллические сцинтилляторы перовскита". Природа. 561: 88–93. Дои: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 КИПиА. Вили-Блэквелл. ISBN  978-0471394846.
• Го, Цзимей; Бюхерль, Томас; Цзоу, Юбин; Го, Чжиюй; Тан, Гоюй (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 ... 69 г. Дои: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 проведения экспериментов по ядерной физике и физике элементарных частиц (2-е изд.). Springer. Дои: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. Дои: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». Физика Статус Solidi B. 252 (4): 804–810. arXiv:1411.6246. Bibcode:2015ПССБР.252..804М. Дои: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. Дои:10.1107 / S1600577517003484. ЧВК  5477482. PMID  28452755.
• L'Annunziata, Майкл (2012). Справочник по радиоактивному анализу (3-е изд.). Академический. ISBN  978-0123848734.
• Moser, S.W .; Harder, W. F .; Hurlbut, C. R .; Куснер, М. Р. (1993). «Принципы и практика проектирования пластиковых сцинтилляторов». Radiat. Phys. Chem. 41 (1–2): 31–36. Bibcode:1993RaPC ... 41 ... 31M. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1209/0295-5075/95/22001.
• Салимгареева, В. Н .; Колесов, С. В. (2005). «Пластиковые сцинтилляторы на основе полиметилметакрилата: Обзор". Instrum Exp Tech. 48 (3): 273–282. Дои: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 инструменты и методы в физических исследованиях A. 194 (2): 207–212. Дои:10.1016 / S0168-583X (02) 00671-7.
• ван Эйк, Карел; де Хаас, Йохан Т. М .; 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. Дои:10.1109 / NSSMIC.2008.4775096.

внешняя ссылка

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