Scintillatorer

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 24. september 2020; checks kræver 2 redigeringer .

Scintillatorer er stoffer, der udviser scintillation (udsender lys ved absorption af ioniserende stråling ( gammakvanter , elektroner , alfapartikler osv .) Som regel er antallet af fotoner , der udsendes for en given type stråling, tilnærmelsesvis proportionalt med den absorberede energi, som gør det muligt at opnå energispektrastråling.

Nukleare scintillationsdetektorer er den vigtigste anvendelse af scintillatorer. I en scintillationsdetektor opsamles lyset, der udsendes under scintillation, på en fotodetektor (som regel er dette en fotomultiplikatorfotokatode - PMT , fotodioder og andre fotodetektorer bruges meget sjældnere ), omdannet til en strømimpuls, forstærket og optaget af en eller et andet optagesystem [1] .

Karakteristika for scintillatorer

Lysudgang

Lysoutput - antallet af fotoner, der udsendes af scintillatoren, når en vis mængde energi absorberes (normalt 1 MeV ). Et stort lysoutput anses for at være 50-70 tusind fotoner pr. MeV. Jo højere lysudbytte, jo mere følsom er scintillatoren, så du har en tendens til at bruge scintillatorer med høj lysudbytte. Scintillatorer med væsentligt lavere lysudbytte (for eksempel blywolframat ) kan dog også bruges til at detektere højenergipartikler.

Emissionsspektrum

Emissionsspektret bør være så optimalt tilpasset som muligt til den anvendte fotodetektors spektrale følsomhed. Inkonsistensen i spektret med fotodetektoren påvirker energiopløsningen negativt.

Energitilladelse

Selv når partikler med samme energi absorberes, varierer amplituden af pulsen ved udgangen af scintillationsdetektorens fotodetektor fra hændelse til hændelse. Det er forbundet:

med den statistiske karakter af processerne med at indsamle fotoner på en fotodetektor og efterfølgende amplifikation,
med forskellig sandsynlighed for fotonlevering til fotodetektoren fra forskellige punkter i scintillatoren,
med en spredning af det viste antal fotoner.

Som et resultat, i det statistisk akkumulerede energispektrum, viser linjen (som for en ideel detektor ville repræsentere deltafunktionen ) at være sløret, den kan ofte [2] repræsenteres som en Gauss med dispersion σ 2 . Som en karakteristik af detektorens energiopløsning, standardafvigelsen σ ( kvadratroden af dispersionen) og, oftere, den fulde bredde af linjen i halv højde (FWHM, fra engelsk. Full Width on Half Maximum ; nogle gange kaldet halvbredde ), relateret til linjens median og udtrykt i procent. FWHM Gausser er tider σ . Fordi energiopløsningen er energiafhængig (typisk proportional med E −1/2 ), bør den specificeres for en bestemt energi. Oftest er opløsningen givet for energien af cæsium-137 gammalinjen ( 661,7 keV ). $2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2{,}355$

Flash tid

Den tid, hvor energien absorberet i scintillatoren, exciteret ved passage af en hurtigt ladet partikel, omdannes til lysstråling, kaldes emissionstiden. Scintillator-emissionens afhængighed af tid fra absorptionstidspunktet for en partikel (luminescenskurve) kan normalt repræsenteres som en aftagende eksponent eller generelt som summen af flere aftagende eksponenter:

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

Udtrykket i formlen med den største amplitude og tidskonstant karakteriserer den samlede scintillatorluminescenstid. Næsten alle scintillatorer efter hurtig emission har en langsomt faldende efterglød "hale", hvilket ofte er en ulempe, set ud fra et tidsopløsningssynspunkt, af tællehastigheden af detekterede partikler. ${\displaystyle \displaystyle A_{i))$ $\tau _{i}$

Normalt kan summen af mange eksponenter i ovenstående formel repræsenteres med tilstrækkelig nøjagtighed til praksis som summen af to eksponenter:

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

hvor er tidskonstanten for den "hurtige" emission,

{\displaystyle \tau _{f))

{\displaystyle \tau _{s))

- tidskonstant for "langsom" belysning,

A,\

B

er amplituderne af henholdsvis glød og efterglød.

Amplituderne af glød og efterglød afhænger af den energi, der absorberes i scintillatoren, hurtige partiklers ioniserende evne og gammastråler. For eksempel, i scintillatorer lavet af doteret bariumfluorid, overstiger amplituden af gløden forårsaget af absorptionen af et gammakvante betydeligt amplituden af gløden forårsaget af absorptionen af en alfapartikel , ved absorption af hvilken, tværtimod efterglød amplitude råder. Dette fænomen gør det muligt at skelne arten af ioniserende stråling.

Den typiske glødetid for uorganiske scintillatorer er fra hundredvis af nanosekunder til titusvis af mikrosekunder. Organiske scintillatorer (plastik og flydende) blinker inden for nanosekunder.

Strålingsstyrke

Bestrålede scintillatorer nedbrydes gradvist. Den strålingsdosis, som en scintillator kan modstå uden væsentlig forringelse af egenskaberne, kaldes strålingsstyrke.

Slukningsfaktor

Partikler af forskellig natur, men med samme energi, giver, når de absorberes i en scintillator, generelt set et andet lysudbytte. Partikler med en høj ioniseringstæthed ( protoner , alfapartikler, tunge ioner , fissionsfragmenter) producerer færre fotoner i de fleste scintillatorer end gammastråler, beta-partikler , myoner eller røntgenstråler . Forholdet mellem lysudbyttet af en given type partikel og lysudbyttet af gammastråler med samme energi kaldes quenching-faktoren (fra engelsk quenching - "quenching"). Slukningsfaktoren for elektroner (betapartikler) er normalt tæt på enhed. Slukningsfaktoren for alfapartikler kaldes α/β -forholdet; for mange organiske scintillatorer er den tæt på 0,1.

Uorganiske scintillatorer (aktivator er angivet i parentes)

	Belysningstid , µs	Emissionsspektrum maksimum , nm	Effektivitetsforhold ( i forhold til anthracen )	Bemærk
NaI ( Tl )	0,25	410	2.0	hygroskopisk
CsI ( Tl )	0,5	560	0,6	fosforescens
LiI ( Sn )	1.2	450	0,2	meget hygroskopisk
LiI ( Eu )				meget hygroskopisk
ZnS ( Ag )	1.0	450	2.0	pulver
CdS ( Ag )	1.0	760	2.0	små enkeltkrystaller

Uorganiske scintillatorer

Oftest anvendes uorganiske enkeltkrystaller som scintillatorer. Nogle gange, for at øge lysudbyttet, er krystallen dopet med en aktivator (eller såkaldt dopant). I NaI(Tl)-scintillatoren indeholder den krystallinske matrix af natriumiodid således thalliumaktiverende centre (en urenhed på niveauet hundrededele af en procent). Scintillatorer, der lyser uden en aktivator, kaldes iboende .

Uorganiske keramiske scintillatorer

Transparente keramiske scintillatorer er fremstillet af transparente keramiske materialer baseret på Al 2 O 3 (Lukalox), Y 2 O 3 (Ittralox) oxider og derivater af Y 3 Al 5 O 12 og YAlO 3 oxider samt MgO, BeO [3] .

Organiske scintillatorer

	$\lambda _{\max }$ emissioner [nm]	Belysningstid [ ns ]	Lysudbytte (i forhold til NaI)
Naphthalen	348	96	0,12
Antracen	440	tredive	0,5
Paraterphenyl	440	5	0,25

Organiske scintillatorer er normalt to- eller trekomponentblandinger [4] . Primære fluorescenscentre exciteres på grund af excitation af indfaldende partikler. Når disse exciterede tilstande henfalder, udsendes lys i det ultraviolette bølgelængdeområde . Absorptionslængden af dette ultraviolette lys er imidlertid ret kort: fluorescenscentrene er uigennemsigtige for deres eget udsendte lys.

Outputtet af lys udføres ved at tilføje en anden komponent til scintillatoren, der absorberer det oprindeligt udsendte ultraviolette lys og genudstråler det isotropisk med længere bølgelængder (den såkaldte spectrum shifter eller shifter ).

De to aktive ingredienser i organiske scintillatorer er enten opløst i en organisk væske eller blandet med et organisk materiale for at danne en polymerstruktur. Ved hjælp af denne teknologi er det muligt at fremstille en flydende eller plastisk scintillator af enhver geometrisk form og størrelse. I de fleste tilfælde fremstilles scintillatorplader med en tykkelse på 1 til 30 mm.

Organiske scintillatorer har meget kortere flashtider (i størrelsesordenen nogle få til titusinder af nanosekunder) sammenlignet med uorganiske scintillatorer, men har et lavere lysudbytte .

Der findes også andre organiske scintillatorer, såsom det amerikanske firma BICRON . Scintillatorer Bicron BC 400…416 er fremstillet på basis af polyvinyltoluen [5] [6] .

Gasscintillatorer

Gasscintillationstællere bruger lys, der udsendes af atomer, som exciteres under interaktionen af ladede partikler med dem og derefter vender tilbage til grundtilstanden. Levetiden for ophidsede niveauer ligger i nanosekundersområdet. Lysudbyttet i gasscintillatorer er forholdsvis lavt på grund af den lave tæthed af gasser. Flydende inerte gasser kan dog også bruges som gasscintillatorer.

Flydende scintillatorer

Se også

Noter

↑ Nukleare strålingsdetektorer - artikel fra Great Soviet Encyclopedia .
↑ I nogle tilfælde kan linjerne i scintillatorens spektrum adskille sig meget fra Gauss, for eksempel ved asymmetri.
↑ Oversigtsartikel om keramikkens historie . Hentet 11. marts 2009. Arkiveret fra originalen 29. maj 2008. (ubestemt)
↑ Perkins D. Introduktion til højenergifysik. - M., Mir , 1975. - s. 71-73
↑ Karakteristika for BICRON-scitillatormaterialer Arkiveret 8. december 2008 på Wayback Machine
↑ BICRONs officielle hjemmeside Arkiveret 15. marts 2008 på Wayback Machine