Scintillation

Scintillation (fra latin scintillatio , "flimmer") - luminescens af kort varighed (varig fra nanosekunder til mikrosekunder ) som følge af interaktionen af et kontinuerligt scintillatormedium med ioniserende stråling ( alfapartikler , gammakvanter , hurtige elektroner, protoner og andre ladede partikler ) .

Fænomenet scintillation bruges til at detektere partikler og stråling, for eksempel registrerer scintillationsdetektorer individuelle partikler [1] [2] .

Historie

Fænomenet blev opdaget af W. Crookes , der observerede gløden af zinksulfid, når det blev bestrålet med alfapartikler fra radioaktivt materiale.

Oprindelsesmekanisme

Den specifikke mekanisme og parametre ( spektrum , varighed) af scintillation afhænger af scintillatoren, det generelle princip er, at det elektroniske system af atomer eller molekyler i et kontinuerligt medium går i en exciteret tilstand efter at have interageret med en ladet partikel eller gamma-partikel , og vender tilbage til jorden, udsender uexciteret tilstand eller intermediære exciterede tilstande en eller flere optiske fotoner .

Den energi, der overføres til optisk stråling og lysstyrken af blitzen er meget afhængig af den absorberede partikels ioniserende evne , for eksempel er gløden forårsaget af alfapartikler og hurtige protoner meget højere end gløden forårsaget af interaktion med elektroner . Derudover afhænger scintillationsintensiteten af partiklens energi, hvilket gør det muligt at bestemme strålingens energispektrum.

Scintillation observeres i organiske stoffer såvel som i mange uorganiske materialer - krystaller, gasser og væsker.

Emissionsspektret for de fleste praktisk brugte scintillatorer ligger i de blå og ultraviolette dele af spektret.

Nogle scintillatorer

Uorganiske scintillatorer

Uorganiske scintillatorer bruges hovedsageligt til at detektere gammastråling, da gammastråling absorberes dårligt af organiske materialer, og jo tungere grundstoffer (kemiske grundstoffer med en højere nuklear ladning ) der anvendes, jo højere er absorptionen. Derfor anvendes enkeltkrystaller af natriumiodid aktiveret med thallium NaI(Tl) som scintillatorer i scintillationsdetektorer af gamma-partikler . Cæsiumfluorid CsF- enkeltkrystaller bruges til at øge hastigheden (reducere glødens varighed ) , men dette materiale er mindre effektivt med hensyn til lysudbytte (5% af lysudbyttet af NaI) [3] .

Organiske scintillatorer

I organiske molekyler er scintillation forårsaget af elektroniske overgange i -orbitaler af carbonatomer. De fleste organiske stoffer i fast tilstand danner molekylære krystaller , hvori molekylerne er svagt bundet af van der Waals-kræfter . $\pi$

Kulstofatomets grundtilstand er . Ifølge teorien om valensbindinger , i forbindelser, går en af -elektronerne af carbon ind i tilstanden , hvilket fører til overgangen af carbonatomet til tilstanden. For at beskrive de forskellige valensbindinger af carbon, fire orbitaler af valenselektroner 1 og 3 , antages at være blandet eller hybridiseret i flere forskellige konfigurationer. For eksempel, i den tetraedriske valenskonfiguration kombineres elektronorbitaler og danner fire blandede orbitaler. I en anden elektronkonfiguration, den trigonale konfiguration, forbliver en af -orbitalerne (for eksempel ) uændret, og tre hybridorbitaler skabes ved blanding og orbitaler. Orbitaler, der er symmetriske om bindingsakserne og molekylets plan ( ), kaldes -elektroner, og disse bindinger kaldes -bindinger. Orbitalen kaldes -orbital. -binding opstår, når to -orbitaler interagerer . Dette sker, når deres nodalplan er i samme plan. ${\displaystyle 1s^{2}2s^{2}2p^{2))$ $2s$ $2p$ $1s^{2}2s^{1}2p^{3}.$ $2s$ $2p$ $s$ $p^{3}$ $s$ $p_{z}$ $s,\ p_{x}$ $p_{y}$ $sp^{2}$ $\sigma$ $\sigma$ $p_{z}$ $\pi$ $\pi$ $\pi$

I nogle organiske molekyler interagerer -orbitaler og danner et fælles knudeplan. De danner delokaliserede -elektroner, som kan exciteres af stråling. Overgangen til grundtilstanden af delokaliserede -elektroner forårsager luminescens. $\pi$ $\pi$ $\pi$

Exciterede tilstande af -elektronsystemer kan forklares ved hjælp af den eksterne frie elektronmodel foreslået af Platt i 1949. Denne model bruges til at beskrive den elektroniske struktur af polykondenserede carbonhydrider , bestående af flere forbundne benzenringe , hvor intet carbonatom tilhører mere end to ringe, og hvert andet carbonatom er placeret i periferien af ringen. $\pi$

En aromatisk ring kan repræsenteres som en længdecirkel . Bølgefunktionen af elektronorbitalen skal opfylde den flade rotatortilstand: $l$

\psi (x)=\psi (x+l),

hvor er koordinaten langs cirklen.

x

Løsningerne af Schrödinger-bølgeligningen svarende til dette tilfælde er :

{\begin{aligned}\psi _{0}&=\left({\frac {1}{l}}\right)^{\frac {1}{2)),\\\psi _ {q1}&=\left({\frac {2}{l}}\right)^{\frac {1}{2}}\cos {\left({\frac {2\pi \ qx}{l }}\right)},\\\psi _{q2}&=\left({\frac {2}{l}}\right)^{\frac {1}{2}}\sin {\left( {\frac {2\pi \ qx}{l}}\right)},\\E_{q}&={\frac {q^{2}\hbar ^{2}}{2m_{0}l^ {2}}},\end{aligned}}

hvor er det orbitale kvanteantal af elektroner i et molekyle eller antallet af bølgefunktionsknuder;

q

m_{0}

er elektronmassen;

\hbar

er den reducerede Planck-konstant .

Da en elektron kan have to forskellige retninger af spin og kan rotere i begge retninger i en cirkel, er alle undtagen det laveste jordniveau dobbelt degenererede .

Figur 1 viser -elektronenerginiveauerne for et organisk molekyle. Absorptionen af stråling er ledsaget af molekylære vibrationer og en overgang til tilstanden Fra denne tilstand sker der en overgang til tilstanden ledsaget af fluorescens , mens nogle af overgangene til triplettilstande forekommer. Excitering af triplettilstande er også mulig på andre måder. $\pi$ $S_{1}$ $S_{0}$

Triplettilstandene er karakteriseret ved at henfalde med meget længere tid end singlettilstandene, hvilket fører til den såkaldte langsomme overgang til grundtilstanden, mens fluorescensprocessen er hurtig og kaldes den hurtige komponent af scintillation. Afhængigt af det konkrete tilfælde er energitabet pr. enhedsvejlængde for en bestemt partikel ( ) opdelt i "hurtig" og "langsom" emission og forekommer med forskellige sandsynligheder. Således er de relative intensiteter af lysoutput af henfaldet af disse tilstande forskellige for forskellige . Denne forskel i formen af lysimpulsen er synlig på dens faldende side, da den er forbundet med henfaldet af exciterede triplettilstande (figur 2). $dE/dx$ $dE/dx.$

Noter

↑ Birks, John B. Teorien og praksis for scintillationstælling. - Pergamon Press, Ltd., 1964.
↑ Knoll, Glenn F. Radiation Detection and Measurement. - John Wiley & Sons, 2000. - ISBN 978-0-471-07338-3 .
↑ Indledende kernefysik. Krane. 1987.

Se også

Litteratur

Scintillation // Socialt partnerskab - Fjernsyn. - M .: Great Russian Encyclopedia, 2016. - S. 496. - ( Great Russian Encyclopedia : [i 35 bind] / chefredaktør Yu. S. Osipov ; 2004-2017, v. 31). - ISBN 978-5-85270-368-2 .