Szcintillátor - Scintillator

A szcintillátor olyan anyag, amely szcintillációt , a lumineszcencia tulajdonságát mutatja , amikor ionizáló sugárzás gerjeszt . A fényes anyagok, amikor egy bejövő részecske megüti őket, elnyelik annak energiáját és szcintillátumot (azaz fény formájában újra kibocsátják az elnyelt energiát). Néha a gerjesztett állapot metastabilis , így a gerjesztett állapotból az alacsonyabb állapotba való visszalépés késik (az anyagtól függően néhány nanosekundumtól óráig). A folyamat ekkor két jelenség egyikének felel meg: késleltetett fluoreszcencia vagy foszforeszcencia . A megfelelés függ az átmenet típusától, tehát a kibocsátott optikai foton hullámhosszától.

Működés elve

A szcintillációs detektort vagy szcintillációs számlálót akkor kapjuk meg, ha a szcintillátort egy elektronikus fényérzékelőhöz, például fotomulti -szorzó csőhöz (PMT), fotodiódához vagy szilícium fotomultiplikátorhoz csatlakoztatjuk . A PMT-k elnyelik a szcintillátor által kibocsátott fényt, és a fotoelektromos hatás révén elektronok formájában újra kibocsátják . Ezeknek az elektronoknak a későbbi szaporodása (néha fotoelektronoknak is nevezik) elektromos impulzust eredményez, amelyet ezután elemezhetnek, és érdemi információkat kaphatnak a szcintillátort eredetileg ért részecskéről. A vákuum fotodiodák hasonlóak, de nem erősítik a jelet, míg a szilícium fotodiodák ezzel szemben közvetlenül a szilíciumban lévő töltéshordozók gerjesztésével észlelik a bejövő fotonokat. A szilícium fotomultiplikátorok fotodióda-tömbökből állnak, amelyek fordított előfeszítésűek, elegendő feszültséggel ahhoz , hogy lavina módban működjenek , lehetővé téve a tömb minden pixelének érzékenyét egyetlen fotonra.

Történelem

Az első szcintillátort használó készüléket Sir William Crookes építette 1903 -ban, és ZnS képernyőt használt . A képernyő által előállított szcintillációk szabad szemmel láthatók voltak, ha mikroszkóppal nézték őket egy sötét szobában; az eszközt spinthariscope néven ismerték . A technika számos fontos felfedezéshez vezetett, de nyilván unalmas volt. A szcintillátorok további figyelmet kaptak 1944 -ben, amikor Curran és Baker a szabad szemmel végzett mérést felváltotta az újonnan kifejlesztett PMT -vel . Ezzel született meg a modern szcintillációs detektor.

Alkalmazások szcintillátorokhoz

A szcintillátorokat az amerikai kormány belbiztonsági sugárzás -érzékelőként használja. A szcintillátorok részecskeérzékelőkben , új energiaforrások feltárásában, röntgenbiztonságban, nukleáris kamerákban, számítógépes tomográfiában és gázkutatásban is alkalmazhatók. A szcintillátorok egyéb alkalmazási területei közé tartoznak a CT -szkennerek és a gamma -kamerák az orvosi diagnosztikában, valamint a régebbi stílusú CRT -számítógépes monitorok és televíziókészülékek képernyői. A szcintillátorokat az elméleti modellek részeként is javasolták a gamma-sugárzás energiájának fotovoltaikus hatáson keresztül történő hasznosítására, például egy atomerőműben .

A szcintillátor és a fénytöbbszöröző cső együttes használata széles körben elterjedt a kézi mérőórákban, amelyeket radioaktív szennyezés kimutatására és mérésére, valamint a nukleáris anyagok megfigyelésére használnak. A szcintillátorok fényt hoznak létre a fénycsövekben, hogy a kisülés ultraibolyáját láthatóvá alakítsák. A szcintillációs detektorokat a kőolajiparban is használják Gamma Ray naplók érzékelőjeként.

A szcintillátorok tulajdonságai

A szcintillátoroknak sok kívánatos tulajdonsága van, mint például a nagy sűrűség , a gyors működési sebesség, az alacsony költség , a sugárzási keménység , a termelési képesség és a működési paraméterek tartóssága. A nagy sűrűség csökkenti a zuhanyzók anyagméretét a nagy energiájú γ-kvantumok és elektronok számára. A Compton szórt fotonok tartománya az alacsonyabb energiájú γ-sugarakhoz szintén csökken a nagy sűrűségű anyagok révén. Ez az érzékelő nagy szegmentáltságát eredményezi, és jobb térbeli felbontást eredményez. Általában a nagy sűrűségű anyagok nehéz ionokat tartalmaznak a rácsban (pl. Ólom , kadmium ), ami jelentősen növeli a fotoelektromos hatás hozzájárulását (~ Z ⁴ ). A megnövekedett fotofrakció fontos bizonyos alkalmazásoknál, például a pozitron emissziós tomográfia esetében . Az ionizáló sugárzás elektromágneses komponensének nagy megállóteljesítménye nagyobb fotofrakciót igényel; ez lehetővé teszi a kompakt érzékelőt. A spektrumok jó felbontásához nagy működési sebességre van szükség. A szcintillációs detektorral végzett időmérés pontossága arányos a √ τ _{sc értékkel} . A rövid bomlási idők fontosak az időintervallumok mérése és a gyors egybeesési áramkörökben való működés szempontjából. A nagy sűrűség és a gyors válaszidő lehetővé teszi a részecskék fizikájában ritka események észlelését. A szcintillátor anyagában lerakódott részecske -energia arányos a szcintillátor válaszával. A feltöltött részecskék, a γ-kvantumok és az ionok eltérő lejtéssel rendelkeznek válaszuk mérésekor. Így a szcintillátorok felhasználhatók a különböző típusú γ-kvantumok és részecskék azonosítására a vegyes sugárzás fluxusaiban. A szcintillátorok másik szempontja az előállításuk költsége. A legtöbb kristályszcintillátor nagy tisztaságú vegyszereket és néha ritkaföldfémeket igényel, amelyek meglehetősen drágák. Nemcsak az anyagok költségesek, hanem sok kristály drága kemencéket, majdnem hat hónapos növekedési és elemzési időt igényel. Jelenleg más szcintillátorokat kutatnak a csökkentett termelési költségek miatt.

Számos más tulajdonság is kívánatos egy jó detektor szcintillátorban: alacsony gamma -kibocsátás (azaz nagy hatásfok a beeső sugárzás energiájának szcintillációs fotonná alakításához), átláthatóság saját szcintillációs fényévé (a jó fénygyűjtés érdekében), a vizsgált sugárzás, nagy megállóteljesítmény , jó linearitás az energia széles tartományában, rövid emelkedési idő a gyors időzítésű alkalmazásokhoz (pl. véletlen mérések), rövid bomlási idő az érzékelő holtidejének csökkentése és a magas események gyakorisága érdekében, emisszió a meglévő PMT -k spektrális érzékenységének megfelelő spektrális tartományban (bár néha hullámhossz -váltók is használhatók), az üveghez hasonló törésmutató (≈1,5), hogy optimálisan kapcsolódhasson a PMT -ablakhoz. Masszív és jó viselkedés magas hőmérsékleten lehet kívánatos ott, ahol rezgés- és magas hőmérséklet -ellenállás szükséges (pl. Olajkutatás). A szcintillátor anyag gyakorlati megválasztása általában kompromisszum ezen tulajdonságok között, hogy a legjobban illeszkedjen egy adott alkalmazáshoz.

A fent felsorolt ​​tulajdonságok közül a fénykibocsátás a legfontosabb, mivel mind az érzékelő hatékonyságát, mind felbontását befolyásolja (a hatékonyság az észlelt részecskék aránya az érzékelőbe ütköző részecskék teljes számához viszonyítva; az energiafelbontás az adott energiacsúcs félmaximumának teljes szélessége és a csúcshelyzet aránya, általában %-ban kifejezve). A fénykibocsátás erősen függ a beeső részecskék vagy fotonok típusától és energiájától, ezért erősen befolyásolja az adott alkalmazáshoz használt szcintillációs anyag típusát. A kioltó hatások jelenléte csökkenti a fénykibocsátást (azaz csökkenti a szcintillációs hatékonyságot). A kioltás minden olyan sugárzásmentes gerjesztési folyamatot jelent, amelyben a gerjesztés főleg hőre bomlik le. Az érzékelő általános jelképzési hatékonysága azonban a PMT kvantumhatékonyságától is függ (tipikusan csúcson ~ 30%), valamint a fényáteresztés és -gyűjtés hatékonyságától (ami a szcintillátort borító reflektor anyag típusától függ) és fényvezetők, a fényvezetők hossza/alakja, bármilyen fényelnyelés stb.). A fénykibocsátást gyakran számszerűsítik, mint egy szcintillációs fotont, amelyet keV lerakódott energiánként termelnek. A tipikus számok (ha a beeső részecske elektron): ≈40 foton/keV a Na I (T l ) , ~ 10 foton/keV műanyag szcintillátorok és ~ 8 foton/keV a bizmut -germanát ( BGO ) esetében.

A szcintillációs detektorokat általában lineárisnak tekintik. Ez a feltételezés két követelményen alapul: (1) hogy a szcintillátor fénykibocsátása arányos a beeső sugárzás energiájával; (2) hogy a fotomultiszorító cső által generált elektromos impulzus arányos a kibocsátott szcintillációs fénnyel. A linearitás feltételezése általában jó durva közelítés, bár előfordulhatnak eltérések (különösen a protonnál nehezebb részecskéknél kifejezetten alacsony energiánál).

Az ellenállás és a jó viselkedés magas hőmérsékletű, erős vibrációjú környezetben különösen fontos az olyan alkalmazásokhoz, mint az olajkutatás ( vezetékes naplózás , mérés fúrás közben). A legtöbb szcintillátor esetében a fénykibocsátás és a szcintillációs bomlási idő a hőmérséklettől függ. Ez a függőség nagyrészt figyelmen kívül hagyható szobahőmérsékletű alkalmazásoknál, mivel általában gyenge. A hőmérsékletfüggés a szerves szcintillátorok esetében is gyengébb, mint a szervetlen kristályoké, például a NaI-Tl vagy a BGO. A bomlási idő erőteljes függését a BGO szcintillátor hőmérsékletétől használják a hőmérséklet távoli megfigyelésére vákuumkörnyezetben. A kapcsolt PMT -k hőmérsékletérzékenységet is mutatnak, és károsodhatnak, ha mechanikai ütésnek vannak kitéve. Ezért magas hőmérsékletű, ellenálló PMT-ket kell használni magas hőmérsékletű, nagy rezgésű alkalmazásokhoz.

Az időbeli fejlődését száma kibocsátott szcintillációs fotonok N egyetlen szcintillációs esemény gyakran leírható lineáris szuperpozíció egy vagy két exponenciális bomlások. Két bomlás esetén a következő formát kapjuk:

ahol τ _f és τ _s a gyors (vagy gyors) és a lassú (vagy késleltetett) bomlási állandók. Sok szcintillátort két időkomponens jellemez: az egyik gyors (vagy gyors), a másik lassú (vagy késleltetett). Míg a gyors komponens általában dominál, a két komponens A és B relatív amplitúdója a szcintilláló anyagtól függ. Mindkét komponens a dE / dx energiaveszteség függvénye is lehet . Azokban az esetekben, amikor ez az energiaveszteség -függőség erős, a teljes bomlási időállandó a beeső részecskék típusától függően változik. Az ilyen szcintillátorok lehetővé teszik az impulzus alak megkülönböztetését, azaz a részecskék azonosítását a PMT elektromos impulzus bomlási jellemzői alapján. Például, ha BaF ₂ -t használnak, a γ -sugarak jellemzően a gyors komponenst gerjesztik, míg az α -részecskék a lassú komponenst: így lehetséges azonosítani őket a PMT jel bomlási ideje alapján.

A szcintillátorok típusai

Szerves kristályok

A szerves szcintillátorok aromás szénhidrogénvegyületek, amelyek különböző módon összekapcsolt benzolgyűrűs szerkezeteket tartalmaznak . Lumineszcenciájuk általában néhány nanosekundumon belül lebomlik.

Néhány szerves szcintillátor tiszta kristály. A leggyakoribb típusok az antracén ( C.
₁₄H
₁₀, Lecsengési idő ≈30 ns), sztilbén ( C
₁₄H
₁₂, 4,5 ns bomlási idő) és naftalin ( C
₁₀H
₈, néhány ns bomlási idő). Nagyon tartósak, de válaszuk anizotróp (ami rontja az energiafelbontást, ha a forrást nem kollimálják ), és nem lehet könnyen megmunkálni, és nem lehet nagy méretben termeszteni; ezért nem túl gyakran használják őket. Az antracén rendelkezik a legnagyobb fénykibocsátással az összes szerves szcintillátor közül, ezért referenciaként választották: más szcintillátorok fénykibocsátását néha az antracén fény százalékában fejezik ki.

Szerves folyadékok

Ezek egy vagy több szerves szcintillátor folyékony oldatai szerves oldószerben . A tipikus oldott anyagok a fluorok, például a p -terfenil -csoport ( C.
₁₈H
₁₄), PBD ( C.
₂₀H
₁₄N
₂O ), butil PBD ( C.
₂₄H
₂₂N
₂O ), PPO ( C.
₁₅H
₁₁NO ) és a hullámhossz -váltó, például a POPOP ( C
₂₄H
₁₆N
₂O ). A legelterjedtebb oldószerek a toluol , a xilol , a benzol , a fenil -ciklohexán , a trietil -benzol és a dekalin . A folyékony szcintillátorok könnyen feltölthetők más adalékokkal, például hullámhossz -váltókkal, hogy megfeleljenek egy adott PMT spektrális érzékenységi tartományának, vagy ¹⁰ B -val, hogy növeljék a szcintillációs számláló neutronfelderítési hatékonyságát (mivel a ¹⁰ B nagy kölcsönhatási keresztmetszettel rendelkezik a termikus neutronokkal) ). Sok folyadék esetében az oldott oxigén csillapítószerként működhet, és csökkent fényáramhoz vezethet, ezért szükség van az oldat oxigénmentes, légmentesen záródó burkolatban történő lezárására.

Műanyag szcintillátorok

A "műanyag szcintillátor" kifejezés tipikusan olyan szcintilláló anyagra vonatkozik, amelyben az elsődleges fluoreszkáló sugárzót, amelyet fluornak neveznek, az alapba , egy szilárd polimer mátrixba szuszpendálnak . Míg ezt a kombinációt jellemzően a fluor tömeges polimerizáció előtti feloldásával érik el, a fluort néha közvetlenül hozzákapcsolják a polimerhez, vagy kovalensen, vagy koordináció útján, mint sok Li6 műanyag szcintillátor esetében. A polietilén -naftalátról kiderült, hogy önmagában szcintillációt mutat, adalékanyagok nélkül, és várhatóan felváltja a meglévő műanyag szcintillátorokat a magasabb teljesítmény és az alacsonyabb ár miatt. A műanyag szcintillátorok előnyei közé tartozik a meglehetősen nagy fénykibocsátás és a viszonylag gyors jelzés, 2–4 nanosekundumos bomlási idővel, de a műanyag szcintillátorok talán legnagyobb előnye, hogy formázhatók, öntőformák vagy más eszközök segítségével, szinte bármilyen kívánt formába, gyakran magas fokú tartóssággal. A műanyag szcintillátorokról ismert, hogy fényteljesítményt mutatnak, ha az energia sűrűsége nagy ( Birks törvénye ).

Bázisok

A műanyag szcintillátorokban leggyakrabban használt bázisok az aromás műanyagok, a polimer gerinc mentén függő csoportként aromás gyűrűkkel rendelkező polimerek, amelyek közül a polivinil -toluol (PVT) és a polisztirol (PS) a legelterjedtebbek. Míg az alap ionizáló sugárzás jelenlétében fluoreszkál, alacsony hozama és elhanyagolható átlátszósága saját emissziójához képest szükségessé teszi a fluoreszkálók használatát egy praktikus szcintillátor építésében. Az aromás műanyagok mellett a leggyakoribb bázis a polimetil -metakrilát (PMMA), amely számos más bázissal szemben két előnnyel jár: magas ultraibolya és látható fény áttetszőség, mechanikai tulajdonságok és nagyobb törékenység a törékenységhez képest. A PMMA-hoz társuló fluoreszcencia hiányát gyakran kompenzálják aromás társoldószer, általában naftalin hozzáadásával. A PMMA -n alapuló műanyag szcintillátor ilyen módon büszkélkedhet saját sugárzásával, segítve az egyenletes fénygyűjtést.

Egyéb gyakori bázisok a polivinil-xilol (PVX) polimetil, 2,4-dimetil, 2,4,5-trimetil-sztirolok, polivinil-difenil, polivinil-naftalin, polivinil-tetrahidronaftalin, valamint ezek és más bázisok kopolimerei.

Fluores

Ezek a vegyületek, más néven luminoforok, elnyelik a bázis szcintillációját, majd nagyobb hullámhosszon bocsátanak ki, hatékonyan átalakítva a bázis ultraibolya sugárzását a könnyebben átadható látható fénysé. A csillapítási hossz tovább növelhető egy második fluor hozzáadásával, amelyet spektrumváltónak vagy átalakítónak neveznek, ami gyakran kék vagy zöld fény kibocsátását eredményezi.

A gyakori fluorok közé tartoznak a polifenil-szénhidrogének, az oxazol és az oxadiazol-arilok, különösen az n-terfenil (PPP), a 2,5-difenil-oxazol (PPO), az 1,4-di- (5-fenil-2-oxazolil) -benzol (POPOP), 2-fenil-5- (4-bifenilil) -1,3,4-oxadiazol (PBD) és 2- (4'-terc-butil-fenil) -5- (4 "-bifenilil) -1,3,4 -oxadiazol (B-PBD).

Szervetlen kristályok

A szervetlen szcintillátorok általában magas hőmérsékletű kemencékben termesztett kristályok , például alkálifém -halogenidek , gyakran kis mennyiségű aktivátor -szennyeződéssel. A legelterjedtebb a Na I (T l ) ( talliummal adalékolt nátrium -jodid ); szcintillációs fénye kék. További szervetlen alkáli -halogenid kristályok: Cs I (T l ) , Cs I (Na) , Cs I (tiszta), CsF , K I (T l ) , Li I (Eu) . Néhány nem alkáli kristály a következők: BGO , BaF
₂, CaF
₂(Eu) , ZnS (Ag) , CaWO
₄, CdWO
₄, YAG (Ce) ( Y
₃Al
₅O
₁₂(Ce) ), GSO , LSO . (További példákért lásd még a foszforokat ).

Az újonnan kifejlesztett termékek közé tartozik a LaC l
₃(Ce) , cériummal adalékolt lantán-klorid , valamint cérium-adalékolt lantán-bromid , LaBr
₃(Ce) . Mindkettő nagyon higroszkópos (azaz sérült, ha a levegőben lévő nedvességnek van kitéve), de kiváló fénykibocsátást és energiafelbontást kínálnak (63 foton/keV γ a LaBr esetében)
₃(Ce) versus 38 foton/keV γ Na I (T l ) esetén ), gyors válasz (16 ns LaBr esetén)
₃(Ce) versus 230 ns Na I (T l ) esetén ), kiváló linearitás és nagyon stabil fénykibocsátás széles hőmérséklet -tartományban. Ezen kívül LaBr ₃ (Ce) kínál magasabb fékerőt a γ sugarak (sűrűsége 5,08 g / cm ³ versus 3,67 g / cm ³ a Na I (T L ) ). LYSO ( Lu
_1.8Y
_0.2SiO
₅(Ce) ) még nagyobb sűrűségű (7,1 g/cm ³ , összehasonlítva a BGO-val ), nem higroszkópos, és nagyobb a fénykibocsátása, mint a BGO (32 foton/keV γ), ráadásul meglehetősen gyors (41) bomlási idő, szemben a 300 ns értékkel a BGO esetében ).

Bizonyos szervetlen kristályok, például a NaI hátránya a higroszkóposságuk, ami azt igényli, hogy légmentesen záródó edényben tárolják, hogy megvédjék őket a nedvességtől. A CsI (Tl) és a BaF ₂ csak enyhén higroszkóposak, és általában nem igényelnek védelmet. CsF, Na I (T l ) , LaC l
₃(Ce) , LaBr
₃(Ce) higroszkóposak, míg a BGO , CaF
₂(Eu) , LYSO és YAG (Ce) nem.

A szervetlen kristályok kis méretre vághatók és tömbkonfigurációba rendezhetők a pozícióérzékenység biztosítása érdekében. Az ilyen tömböket gyakran használják az orvosi fizikában vagy biztonsági alkalmazásokban a röntgensugarak vagy a γ-sugarak kimutatására: az ilyen típusú alkalmazásokhoz általában előnyösek a nagy Z , nagy sűrűségű anyagok (pl. LYSO, BGO).

A szervetlen kristályokban a szcintilláció általában lassabb, mint a szerves kristályokban, jellemzően 1,48 ns -tól ZnO (Ga) és 9000 ns között CaWO esetén
₄. Kivétel a CsF } (~ 5 ns), gyors BaF
₂(0,7 ns; a lassú komponens 630 ns -nál), valamint az újabb termékek ( LaC l
₃(Ce) , 28 ns; LaBr
₃(Ce) , 16 ns; LYSO , 41 ns).

A képalkotó alkalmazásoknál a szervetlen kristályok egyik előnye a nagyon magas fényhozam. A LuI esetében nemrégiben jelentettek néhány nagy fényhozamú szcintillátort 100 000 foton/MeV felett 662 keV -nél
₃(Ce) , SrI
₂(Eu) , és Cs
₂HfCl
₆.

Gázos szcintillátorok

A gáz -szcintillátorok nitrogénből és hélium , argon , kripton és xenon nemesgázokból állnak , a hélium és a xenon kapja a legnagyobb figyelmet. A szcintillációs folyamat annak köszönhető, hogy a bejövő részecskék áthaladása által gerjesztett egyes atomok gerjesztése megszűnik. Ez a gerjesztésmentesítés nagyon gyors (~ 1 ns), így az érzékelő reakciója meglehetősen gyors. Általában szükség van a tartály falainak bevonására hullámhossz-váltóval , mivel ezek a gázok jellemzően az ultraibolya sugárzásban bocsátanak ki, és a PMT-k jobban reagálnak a látható kék-zöld területre. A nukleáris fizikában gázhalmazállapotú detektorokat használtak a hasadási töredékek vagy a nehéz töltésű részecskék kimutatására .

Szemüveg

A leggyakoribb üveg szcintillátorok vannak cérium -aktivált lítium- vagy bór-szilikátok . Mivel mind a lítium, mind a bór nagy keresztmetszettel rendelkezik , az üvegdetektorok különösen alkalmasak a termikus (lassú) neutronok kimutatására . A lítiumot szélesebb körben használják, mint a bórt, mivel nagyobb energiát szabadít fel a neutron befogásakor, és ezért nagyobb fénykibocsátást eredményez. Az üvegszcintillátorok azonban érzékenyek az elektronokra és a γ -sugarakra is (az impulzusmagasság -megkülönböztetés alkalmazható a részecskék azonosítására). Mivel nagyon robusztusak, jól alkalmazkodnak a zord környezeti feltételekhez is. Válaszidejük ≈10 ns, fénykibocsátásuk azonban alacsony, jellemzően az antracénénak körülbelül 30% -a.

Megoldás alapú perovskite szcintillátorok

A szerves-szervetlen metil-ammónium (MA) ólom-halogenid perovszkitek szcintillációs tulajdonságairól proton besugárzás alatt először Shibuya et al. 2002-ben jelentették az első γ-sugárzású impulzusmagasság-spektrumot, bár még mindig rossz az energiafelbontása, ( (C.
₆H
₅(CH
₂)
₂NH
₃)
₂PbBr
₄) van Eijk et al. 2008-ban . Birowosuto és al. tanulmányozta a 3-D és 2-D rétegű perovskitok szcintillációs tulajdonságait röntgen gerjesztés alatt. MAPbBr ₃ ( CH
₃NH
₃PbBr
₃) 550 nm -en és MAPbI ₃ ( CH
₃NH
₃PbI
₃) 750 nm hullámhosszon, ami a vegyületek sávrés közelében található exciton emissziónak tulajdonítható. A Pb-halogenid perovszkitek ezen első generációjában a kibocsátás szobahőmérsékleten erősen leáll, és kevesebb, mint 1000 ph/MeV marad fenn. 10 K -nál azonban intenzív emisszió figyelhető meg, és írjon a 200000 ph/MeV -ig terjedő hozamokról. A kioltást a kis eh kötési energiának tulajdonítják az excitonban, amely Cl -re Br -re csökken I -re. Érdekes módon a szerves MA -csoportot Cs+ -ra cserélhetjük, hogy teljes szervetlen CsPbX ₃ -halogenid -perovszkiteket kapjunk . A Cl, Br, I tartalomtól függően a hármas röntgensugárral gerjesztett gerjesztés 430 nm-ről 700 nm-re hangolható. Hasonló hangolás eléréséhez Cs -t Rb -vel is hígíthatjuk. A legutóbbi fejlemények azt mutatják, hogy a szerves-szervetlen és az összes szervetlen Pb-halogenid-perovskit különféle érdekes szcintillációs tulajdonságokkal rendelkezik. Azonban a közelmúltbeli kétdimenziós perovskit egykristályok kedvezőbbek lesznek, mivel sokkal nagyobb Stokes-eltolódásuk lehet 200 nm-ig, mint a CsPbBr ₃ kvantumpont szcintillátorokhoz képest, és ez elengedhetetlen a szcintillátorok önfelszívódásának megakadályozásához.

A szcintilláció fizikája

Szerves szcintillátorok

A molekulák szabad vegyértékű elektronjai által végrehajtott átmenetek felelősek a szcintillációs fény organikus kristályokban történő előállításáért. Ezek az elektronok az egész molekulához kapcsolódnak, nem pedig egy adott atomhoz, és elfoglalják az úgynevezett molekuláris pályákat . A alapállapotú S ₀ egy szingulett állapotba , amely felett vannak a gerjesztett szingulett Államok (S ^* , S ^** , ...), a legalacsonyabb triplett állapotú (T ₀ ), és annak gerjesztett szintek (T ^* , T ^** , ...) . A molekuláris rezgési módoknak megfelelő finom szerkezet kapcsolódik mindegyik elektronszinten. Az elektronszintek közötti energia -távolság e1 eV; a rezgésszintek közötti távolság körülbelül 1/10 része az elektronszinteknek.

Egy bejövő részecske gerjeszti akár egy elektron szintet vagy a rezgési szintet. A szingulett gerjesztések azonnal bomlanak (<10 ps) S ^* állapotba sugárzás kibocsátása nélkül (belső lebomlás). Az S ^* állapot ezután szcintillációs foton kibocsátásával az S ₀ alapállapotba (jellemzően az S ₀ feletti rezgésszintek valamelyikére) bomlik le . Ez az azonnali komponens vagy fluoreszcencia . A szcintillátor átlátszósága a kibocsátott fotonhoz annak a ténynek köszönhető, hogy a foton energiája kisebb, mint ami egy S ₀ → S ^* átmenethez szükséges (az átmenet általában S ₀ feletti rezgésszintre esik ).

Amikor az egyik hármasállapot izgatott, azonnal T ₀ állapotba bomlik sugárzás kibocsátása nélkül (belső lebomlás). Mivel a T ₀  → S ₀ átmenet nagyon valószínűtlen, a T ₀ állapot ehelyett lebomlik, ha kölcsönhatásba lép egy másik T ₀ molekulával:

és az egyik molekulát S ^* állapotban hagyja , amely aztán szcintillációs foton felszabadulásával S ₀ -ra bomlik . Mivel a T ₀ -T ₀ kölcsönhatás időbe telik, a szcintillációs fény késik: ez a lassú vagy késleltetett komponens (megfelel a késleltetett fluoreszcenciának). Néha közvetlen T ₀  → S ₀ átmenet következik be (szintén késik), és megfelel a foszforeszcencia jelenségének . Vegye figyelembe, hogy a késleltetett fluoreszcencia és a foszforeszcencia közötti megfigyelési különbség az S ^*  → S ₀ átmenetben kibocsátott optikai foton hullámhosszának különbsége a T ₀  → S ₀ átmenethez képest.

A szerves szcintillátorokat feloldhatjuk szerves oldószerben, hogy folyékony vagy műanyag szcintillátort kapjunk. A szcintillációs eljárás ugyanaz, mint a szerves kristályoknál (fent); az energiaelnyelés mechanizmusa különbözik: az energiát először az oldószer szívja fel, majd továbbítja a szcintillációs oldott anyaghoz (az átvitel részletei nem egyértelműek).

Szervetlen szcintillátorok

A szervetlen anyagok szcintillációs folyamata a kristályokban található elektronikus sávszerkezetnek köszönhető, és nem molekuláris jellegű, mint a szerves szcintillátorok esetében. Egy bejövő részecske gerjeszthet egy elektront a vegyértéksávból a vezetési sávba vagy az exciton sávba (közvetlenül a vezetési sáv alatt található, és a valencia sávotól energiarés választja el ; lásd a képet ). Ez egy kapcsolódó lyukat hagy maga után, a vegyérték -sávban. A szennyeződések elektronikus szinteket hoznak létre a tiltott résben . Az excitonok lazán kötött elektron-lyuk párok, amelyek addig vándorolnak a kristályrácson, amíg a szennyező központok összességükben el nem fogják. Utóbbi ezután gyorsan eltávolítja az izgalmat szcintillációs fény kibocsátásával (gyors komponens). Az aktivátor szennyeződéseit általában úgy választják meg, hogy a kibocsátott fény a látható tartományban vagy az UV-közeli tartományban legyen, ahol a fotomultiplikátorok hatékonyak. A vezetési sáv elektronjaihoz kapcsolódó lyukak függetlenek az utóbbitól. Ezeket a lyukakat és elektronokat egymás után rögzítik a szennyeződésközpontok, amelyek bizonyos metastabil állapotokat gerjesztenek, amelyek nem hozzáférhetők az excitonokhoz. A metastabil szennyeződések állapotának késleltetett gerjesztése ismét szcintillációs fényt (lassú komponenst) eredményez.

A BGO ( bizmut -germánium -oxid ) tiszta szervetlen szcintillátor, aktivátor -szennyeződés nélkül. Ott a szcintillációs folyamat a Bi optikai átmenetének köszönhető³⁺
ion, a kristály fő alkotóeleme. A wolfram -szcintillátorokban CaWO
₄és CdWO
₄ a kibocsátás az önbefogott excitonok sugárzó bomlásának köszönhető.

Gázok

Gázokban a szcintillációs folyamat annak köszönhető, hogy a bejövő részecskék áthaladása által gerjesztett egyes atomok gerjesztése megszűnik (nagyon gyors folyamat: ≈1 ns).

Válasz a különböző sugárzásokra

Nehéz ionok

A szcintillációs számlálók általában nem ideálisak nehéz ionok kimutatására három okból:

1. a nehéz ionok nagyon nagy ionizáló ereje csillapító hatásokat vált ki, amelyek csökkent fénykibocsátást eredményeznek (pl. egyenlő energiák esetén a proton az elektron 1/ 4-1 /2 -ét , míg az alfák csak kb. A fény);
2. a részecskék nagy megállóképessége a gyors komponens csökkenését is eredményezi a lassú komponenshez képest, növelve az érzékelő holtidejét;
3. erős nemlinearitás figyelhető meg az érzékelő válaszában, különösen alacsonyabb energiák esetén.

A fénykibocsátás csökkenése erősebb a szerves anyagoknál, mint a szervetlen kristályoknál. Ezért szükség esetén szervetlen kristályok, pl. Cs I (T l ) , ZnS (Ag) (jellemzően vékony lapokban használják α-részecske monitorként), CaF
₂(Eu) , előnyben kell részesíteni a szerves anyagokat. Tipikus alkalmazások az α- felmérő műszerek , a dozimetriai műszerek és a nehézionos dE / dx detektorok. Gázszerű szcintillátorokat használtak a nukleáris fizika kísérleteiben is.

Elektronok

Az elektronok észlelési hatékonysága a legtöbb szcintillátor esetében lényegében 100%. De mivel az elektronok nagy szög szórást (néha visszaszórást ) végezhetnek, kiléphetnek az érzékelőből anélkül, hogy teljes energiáját leraknák benne. A visszaszórás a szcintillátor anyag Z atomszámának gyorsan növekvő függvénye . A szerves szcintillátorok, amelyek Z- értéke alacsonyabb, mint a szervetlen kristályoké, ezért a legalkalmasabbak az alacsony energiájú (<10 MeV) béta-részecskék kimutatására . Más a helyzet a nagy energiájú elektronok esetében: mivel a nagyobb energiáknál többnyire törés közben veszítik el energiájukat, a magasabb Z- értékű anyag jobban megfelel a töréssugárzott foton kimutatására és az általa kiváltott elektromágneses zuhany előállítására .

Gamma sugarak

A gamma-sugarak kimutatására a magas Z- tartalmú anyagok, pl. Szervetlen kristályok a legalkalmasabbak . A gamma -sugár és az anyag kölcsönhatásának három alapvető módja: a fotoelektromos hatás , a Compton -szórás és a párképzés . A foton teljesen felszívódik a fotoelektromos effektusban és a párgyártásban, miközben csak részleges energia rakódik le egy adott Compton -szórásban. A fotoelektromos folyamat keresztmetszete arányos Z ⁵ -tel , a páros gyártásé Z ^{2 -vel} , míg a Compton szórás nagyjából Z -vel megy . A magas Z-tartalmú anyag tehát előnyben részesíti az előbbi két eljárást, lehetővé téve a gamma-sugárzás teljes energiájának észlelését. Ha a gamma -sugarak nagyobb energiájúak (> 5 MeV), akkor a pártermelés dominál.

Neutronok

Mivel a neutron nincs feltöltve, nem lép kapcsolatba a Coulomb -erővel, és ezért nem ionizálja a szcintillációs anyagot. Először energiájának egy részét vagy egészét kell átadnia az erős erőn keresztül egy töltött atommagnak . A pozitív töltésű atommag ezután ionizációt termel . A gyors neutronok (általában> 0,5 MeV) elsősorban a visszarúgó protonra támaszkodnak (n, p) reakciókban; ezért a hidrogénben gazdag anyagok , például a műanyag szcintillátorok a legalkalmasabbak a kimutatásukra. A lassú neutronok olyan atomreakciókra támaszkodnak , mint az (n, γ) vagy (n, α) reakciók, hogy ionizációt hozzanak létre. Az átlagos szabad úthossz tehát elég nagy, kivéve, ha a szcintillátor anyagot tartalmaz nuklidok nagy keresztmetszete számára ezen nukleáris reakciók, mint például ⁶ Li vagy ¹⁰ B. olyan anyagok, mint például Lil (Eu), vagy üveg szilikátok ezért különösen jól használható a kimutatási lassú (termikus) neutronokból.

Szervetlen szcintillátorok listája

Az alábbiakban felsoroljuk a leggyakrabban használt szervetlen kristályokat:

• BaF
  ₂vagy bárium -fluorid : BaF
  ₂nagyon gyors és lassú összetevőt tartalmaz. A gyors szcintillációs fény az UV -sávban (220 nm) bocsát ki, és 0,7 ns bomlási idejű (a legkisebb bomlási idő bármely szcintillátor esetében), míg a lassú szcintillációs fény hosszabb hullámhosszon (310 nm) bocsát ki, és 630 ns bomlással rendelkezik. idő. Gyors időzítésű alkalmazásokhoz, valamint olyan alkalmazásokhoz használatos, amelyekhez pulzusformák megkülönböztetése szükséges. A BaF fényhozama
  ₂körülbelül 12 foton/keV. BaF
  ₂ nem higroszkópos.
• BGO vagy bizmut -germanát : a bizmut -germanát nagyobb fékhatással rendelkezik, de alacsonyabb optikai hozammal rendelkezik, mint a Na I (T l ) . Gyakran használják véletlen detektorokban a pozitronemmissziós tomográfiai gépekben a pozitron megsemmisülés után kibocsátott hátsó-hátsó gamma-sugarak kimutatására .
• CdWO
  ₄vagy kadmium -volframát : nagy sűrűségű, nagy atomszámú szcintillátor, nagyon hosszú bomlási idővel (14 μs) és viszonylag nagy fénykibocsátással (a Na I (T l ) fényének körülbelül 1/3 -a ). CdWO
  ₄rutinszerűen használják röntgenfelvételre (CT-szkennerek). Nagyon kevés ²²⁸ Th és ²²⁶ Ra szennyeződése miatt alacsony aktivitásszámláló alkalmazásokhoz is alkalmas.
• CaF
  ₂(Eu) , vagy kalcium-fluorid adalékolt európium : A anyag nem higroszkópos, van egy 940 ns lecsengési ideje, és a viszonylag alacsony Z . Ez utóbbi tulajdonsága miatt ideális az alacsony energiájú β részecskék detektálására az alacsony visszaszóródás miatt, de nem nagyon alkalmas γ detektálásra. CaF vékony rétegei
  ₂(Eu) szintén alkalmaztak egy vastagabb födém a Na I (T L ) , hogy phoswiches közötti különbségtételre képes α, β, és γ részecskék.
• CaWO
  ₄vagy kalcium -volframát : hosszú bomlási idő 9 μs és rövid hullámhosszú emisszió, maximum 420 nm -en, a bisz -alkáli PMT érzékenységi görbéje. A szcintillátor fényhozama és energiafelbontása (6,6% ¹³⁷ Cs esetén) összehasonlítható a CdWO -val
  ₄.
• Cs I : az el nem öntött cézium -jodid túlnyomórészt 315 nm -en bocsát ki, csak enyhén higroszkópos, és nagyon rövid bomlási ideje (16 ns), ezért alkalmas gyors időzítésű alkalmazásokhoz. A fénykibocsátás szobahőmérsékleten meglehetősen alacsony, de hűtéssel jelentősen megnő.
• Cs I (Na) vagy nátriummal adalékolt cézium -jodid: a kristály kevésbé fényes, mint a Cs I (T l ) , de fénykibocsátásában összehasonlítható a Na I -vel (T l ) . A maximális emisszió hullámhossza 420 nm -en van, jól illeszkedik a bi -alkáli PMT -k fotokatód érzékenységéhez. A bomlási ideje valamivel rövidebb, mint a Cs I (T l ) (630 ns, szemben a Cs I (T l ) 1000 ns értékével ). A Cs I (Na) higroszkópos, és légmentesen záró burkolatot igényel a nedvesség elleni védelemhez.
• Cs I (T l ) vagy talliummal adalékolt cézium -jodid : ezek a kristályok az egyik legfényesebb szcintillátor. A maximális hullámhosszú fénykibocsátás a zöld tartományban van, 550 nm -en. A Cs I (T l ) csak enyhén higroszkópos, és általában nem igényel légmentesen záródó burkolatot.
• Gd
  ₂O
  ₂Az S vagy a gadolínium -oxiszulfid viszonylag nagy sűrűsége (7,32 g/cm ³ ) és a gadolínium nagy atomszáma miatt nagy megállóképességgel rendelkezik . A fénykibocsátás is jó, ezért szcintillátorként hasznos röntgen képalkotó alkalmazásokhoz.
• LaBr
  ₃(Ce) (vagy cériummal adalékolt lantán -bromid ): a Na I (T l ) jobb (új) alternatívája ; sűrűbb, hatékonyabb, sokkal gyorsabb (kb. ~ 20ns lebomlási idővel), kiváló energiafelbontást kínál a nagyon nagy fénykibocsátásnak köszönhetően. Ezenkívül a fénykibocsátás nagyon stabil és meglehetősen magas, nagyon széles hőmérséklet -tartományban, így különösen vonzó a magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz. Az alkalmazástól függően a ¹³⁸ La belső aktivitása hátrányt jelenthet. LaBr
  ₃(Ce) nagyon higroszkópos.
• LaC l
  ₃(Ce) (vagy cériummal adalékolt lantán -klorid ): nagyon gyors, nagy fénykibocsátás. LaC l
  ₃(Ce) a LaBr olcsóbb alternatívája
  ₃(Ce) . Ezenkívül meglehetősen higroszkópos.
• PbWO
  ₄vagy ólom-wolframát : magas Z , PbWO miatt
  ₄ alkalmas olyan alkalmazásokhoz, ahol nagy megállóteljesítményre van szükség (pl. γ -sugárérzékelés).
• Lu I
  ₃vagy lutécium -jodid
• LSO vagy lutécium -oxiortoszilikát ( Lu
  ₂SiO
  ₅): pozitron emissziós tomográfiában használják, mert a bizmut -germanáthoz ( BGO ) hasonló tulajdonságokkal rendelkezik , de nagyobb fényhozammal rendelkezik. Egyetlen hátránya a természetes ¹⁷⁶ Lu béta -bomlásának belső háttere .
• LYSO ( Lu
  _1.8Y
  _0.2SiO
  ₅(Ce) ): sűrűségben összehasonlítható a BGO -val, de sokkal gyorsabb és sokkal nagyobb fénykibocsátással; kiválóan alkalmas orvosi képalkotó alkalmazásokhoz. A LYSO nem higroszkópos.
• Na I (T L ) , vagy nátrium-jodid adalékolt tallium : Na I (T L ) messze a leggyakrabban használt szcintillátor anyagot. Kapható egykristályos formában vagy strapabíróbb polikristályos formában (nagy vibrációjú környezetben, pl. Vezetékes naplózás az olajiparban). Egyéb alkalmazások közé tartozik a nukleáris medicina, az alapkutatás, a környezeti monitoring és a légi felmérések. A Na I (T l ) nagyon higroszkópos, és légmentesen záródó házban kell elhelyezni.
• YAG (Ce) vagy ittrium-alumínium gránát : A YAG (Ce) nem higroszkópos. A maximális emissziós hullámhossz 550 nm-en van, jól illeszkedik a vörös ellenállású PMT-khez vagy fotódiódákhoz. Viszonylag gyors (70 ns bomlási idő). Fényteljesítménye körülbelül 1/3 -a a Na I -nek (T l ) . Az anyag olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek különösen vonzóvá teszik az elektronmikroszkópos alkalmazásokhoz (pl. Nagy elektronkonverziós hatékonyság, jó felbontás, mechanikai szilárdság és hosszú élettartam).
• ZnS (Ag) vagy cink -szulfid : A ZnS (Ag) egyike a régebbi szervetlen szcintillátoroknak (Sir William Crookes (1903) szcintillátorral végzett első kísérlete ZnS -szűrővel). Azonban csak polikristályos por formájában kapható. Használata ezért csak az α -részecskék kimutatására használt vékony szitákra korlátozódik.
• ZnWO
  ₄vagy a cink -volframát hasonló a CdWO -hoz
  ₄ szcintillátor, hosszú bomlási állandó 25 μs és kissé alacsonyabb fényhozam.

Lásd még

• Gamma -spektroszkópia
• Folyadék szcintillációs számlálás
• Szcintillációs számláló
• Szikrázó bolométer
• Neutron felismerés
• Teljes abszorpciós spektroszkópia

Megjegyzések

Hivatkozások

Források

Külső linkek