Scintillatorer

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 24 september 2020; kontroller kräver 2 redigeringar .

Scintillatorer är ämnen som uppvisar scintillation (avger ljus vid absorption av joniserande strålning ( gammakvanta , elektroner , alfapartiklar , etc. ) Som regel är antalet fotoner som emitteras för en given typ av strålning ungefär proportionellt mot den absorberade energin, vilket gör det möjligt att få energispektrastrålning.

Kärnscintillationsdetektorer är huvudapplikationen för scintillatorer. I en scintillationsdetektor samlas ljuset som emitteras under scintillation på en fotodetektor (som regel är detta en fotomultiplikatorfotokatod - PMT , fotodioder och andra fotodetektorer används mycket mindre ofta ), omvandlas till en strömpuls, förstärks och registreras av en eller annat inspelningssystem [1] .

Egenskaper för scintillatorer

Ljuseffekt

Ljuseffekt - antalet fotoner som emitteras av scintillatorn när en viss mängd energi absorberas (vanligtvis 1 MeV ). En stor ljuseffekt anses vara 50-70 tusen fotoner per MeV. Ju högre ljuseffekt, desto känsligare är scintillatorn, så tenderar att använda scintillatorer med hög ljuseffekt. Men scintillatorer med betydligt lägre ljuseffekt (till exempel blyvolframat ) kan också användas för att detektera högenergipartiklar.

Emissionsspektrum

Emissionsspektrumet bör vara så optimalt anpassat som möjligt till den använda fotodetektorns spektrala känslighet. Inkonsekvensen i spektrumet med fotodetektorn påverkar energiupplösningen negativt.

Energitillstånd

Även när partiklar med samma energi absorberas, varierar amplituden för pulsen vid utgången av fotodetektorn på scintillationsdetektorn från händelse till händelse. Det är anslutet:

med den statistiska karaktären av processerna för att samla in fotoner på en fotodetektor och efterföljande förstärkning,
med olika sannolikhet för fotonleverans till fotodetektorn från olika punkter i scintillatorn,
med en spridning av det visade antalet fotoner.

Som ett resultat, i det statistiskt ackumulerade energispektrumet, visar sig linjen (som för en ideal detektor skulle representera deltafunktionen ) vara suddig, den kan ofta [2] representeras som en Gauss med dispersion σ 2 . Som en egenskap för detektorns energiupplösning, standardavvikelsen σ ( kvadratroten av dispersionen) och, oftare, linjens fulla bredd vid halv höjd (FWHM, från engelskan. Full Width on Half Maximum ; ibland kallas halvbredd ), relaterad till linjens median och uttryckt i procent. FWHM Gausser är tider σ . Eftersom energiupplösningen är energiberoende (typiskt proportionell mot E −1/2 ), bör den specificeras för en specifik energi. Oftast ges upplösningen för energin hos cesium-137 gammalinjen ( 661,7 keV ). $2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2{,}355$

Flashtid

Den tid under vilken energin som absorberas i scintillatorn, exciterad av passage av en snabbladdad partikel, omvandlas till ljusstrålning, kallas emissionstiden. Scintillatoremissionens beroende av tid från absorptionsögonblicket för en partikel (luminescenskurva) kan vanligtvis representeras som en minskande exponent eller i allmänhet som summan av flera minskande exponenter:

\displaystyle I\sim \sum _{i}A_{i}\exp(-t/\tau _{i}).

Termen i formeln med den största amplituden och tidskonstanten kännetecknar den totala scintillatorluminescenstiden. Nästan alla scintillatorer efter snabb emission har en långsamt fallande efterglödande "svans", vilket ofta är en nackdel, ur tidsupplösningssynpunkt, för räknehastigheten för detekterade partiklar. ${\displaystyle \displaystyle A_{i))$ ${\displaystyle \tau _{i))$

Vanligtvis kan summan av många exponenter i formeln ovan representeras med tillräcklig noggrannhet för övning som summan av två exponenter:

I=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right).

var är tidskonstanten för den "snabba" emissionen,

{\displaystyle \tau _{f))

{\displaystyle \tau _{s))

- tidskonstant för "långsam" belysning,

A,\

B

är amplituderna för glöd respektive efterglöd.

Amplituder för glöd och efterglöd beror på energin som absorberas i scintillatorn, snabba partiklars joniserande förmåga och gammastrålar. Till exempel, i scintillatorer gjorda av dopad bariumfluorid, överstiger amplituden av glöden som orsakas av absorptionen av ett gammakvant avsevärt amplituden av glöden som orsakas av absorptionen av en alfapartikel , vid absorption av vilken tvärtom efterglödsamplitud råder. Detta fenomen gör det möjligt att urskilja arten av joniserande strålning.

Den typiska glödtiden för oorganiska scintillatorer är från hundratals nanosekunder till tiotals mikrosekunder. Organiska scintillatorer (plast och flytande) blinkar inom nanosekunder.

Strålningsstyrka

Bestrålade scintillatorer bryts gradvis ned. Den stråldos som en scintillator tål utan att egenskaperna försämras nämnvärt kallas strålningsstyrka.

Släckningsfaktor

Partiklar av olika natur, men med samma energi, ger i allmänhet en annan ljuseffekt när de absorberas i en scintillator. Partiklar med hög joniseringstäthet ( protoner , alfapartiklar, tunga joner , fissionsfragment) producerar färre fotoner i de flesta scintillatorer än gammastrålar, beta-partiklar , myoner eller röntgenstrålar . Förhållandet mellan ljuseffekten för en given typ av partikel och ljuseffekten från gammastrålar med lika energi kallas quenching factor (från engelska quenching - "quenching"). Dämpningsfaktorn för elektroner (betapartiklar) är vanligtvis nära enhet. Dämpningsfaktorn för alfapartiklar kallas α/β -förhållandet; för många organiska scintillatorer är det nära 0,1.

Oorganiska scintillatorer (aktivator anges inom parentes)

	Belysningstid , µs	Emissionsspektrum maximum , nm	Effektivitetsförhållande ( relativt antracen ) _	Notera
NaI ( Tl )	0,25	410	2.0	hygroskopisk
CsI ( Tl )	0,5	560	0,6	fosforescens
LiI ( Sn )	1.2	450	0,2	mycket hygroskopisk
LiI ( Eu )				mycket hygroskopisk
ZnS ( Ag )	1.0	450	2.0	pulver
CdS ( Ag )	1.0	760	2.0	små enkristaller

Oorganiska scintillatorer

Oftast används oorganiska enkristaller som scintillatorer. Ibland, för att öka ljuseffekten, dopas kristallen med en aktivator (eller så kallad dopningsmedel). I NaI(Tl)-scintillatorn innehåller sålunda den kristallina matrisen av natriumjodid talliumaktiverande centra (en förorening i nivån hundradelar av en procent). Scintillatorer som lyser utan aktivator kallas intrinsic .

Oorganiska keramiska scintillatorer

Transparenta keramiska scintillatorer tillverkas av transparenta keramiska material baserade på Al 2 O 3 (Lukalox), Y 2 O 3 (Ittralox) oxider och derivat av Y 3 Al 5 O 12 och YAlO 3 oxider , samt MgO, BeO [3] .

Organiska scintillatorer

	${\displaystyle \lambda _{\max ))$ utsläpp [nm]	Belysningstid [ns ]	Ljusutbyte (relativt NaI)
Naftalen	348	96	0,12
Antracen	440	trettio	0,5
Paraterfenyl	440	5	0,25

Organiska scintillatorer är vanligtvis två- eller trekomponentsblandningar [4] . Primära fluorescenscentra exciteras på grund av excitation av infallande partiklar. När dessa exciterade tillstånd sönderfaller, sänds ljus ut i det ultravioletta våglängdsområdet . Absorptionslängden för detta ultravioletta ljus är dock ganska kort: fluorescenscentrumen är ogenomskinliga för sitt eget emitterade ljus.

Utmatningen av ljus utförs genom att till scintillatorn lägga till en andra komponent som absorberar det initialt emitterade ultravioletta ljuset och återutstrålar det isotropiskt med längre våglängder (den så kallade spektrumskiftaren, eller shifter ).

De två aktiva ingredienserna i organiska scintillatorer löses antingen i en organisk vätska eller blandas med ett organiskt material för att bilda en polymerstruktur. Med denna teknik är det möjligt att producera en vätske- eller plastscintillator av vilken geometrisk form och storlek som helst. I de flesta fall tillverkas scintillatorskivor med en tjocklek på 1 till 30 mm.

Organiska scintillatorer har mycket kortare blixttider (i storleksordningen några till tiotals nanosekunder) jämfört med oorganiska scintillatorer, men har en lägre ljuseffekt .

Andra organiska scintillatorer finns också, som det amerikanska företaget BICRON . Scintillatorer Bicron BC 400…416 tillverkas på basis av polyvinyltoluen [5] [6] .

Gasscintillatorer

Gasscintillationsräknare använder ljus som emitteras av atomer, som exciteras under interaktionen av laddade partiklar med dem och sedan återgår till grundtillståndet. Livstiderna för exciterade nivåer ligger i nanosekundersintervallet. Ljusutbytet i gasscintillatorer är jämförelsevis lågt på grund av den låga densiteten av gaser. Men flytande inerta gaser kan också användas som gasscintillatorer.

Flytande scintillatorer

Se även

Anteckningar

↑ Kärnstrålningsdetektorer - artikel från Great Soviet Encyclopedia .
↑ I vissa fall kan linjerna i scintillatorns spektrum skilja sig mycket från Gauss, till exempel genom asymmetri.
↑ Översiktsartikel om keramikens historia . Hämtad 11 mars 2009. Arkiverad från originalet 29 maj 2008. (obestämd)
↑ Perkins D. Introduktion till högenergifysik. - M., Mir , 1975. - sid. 71-73
↑ Egenskaper för BICRON-scitillatormaterial Arkiverad 8 december 2008 på Wayback Machine
↑ BICRONs officiella webbplats Arkiverad 15 mars 2008 på Wayback Machine