Szcintillátorok

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. szeptember 24-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .

A szcintillátorok olyan anyagok, amelyek szcintillációt mutatnak ( ionizáló sugárzás ( gamma-kvantumok , elektronok , alfa-részecskék stb. ) elnyelésekor fényt bocsátanak ki . Általános szabály, hogy egy adott típusú sugárzásnál a kibocsátott fotonok száma megközelítőleg arányos az elnyelt energiával, amely lehetővé teszi az energiaspektrum-sugárzás megszerzését.

A nukleáris szcintillációs detektorok a szcintillátorok fő alkalmazási területei. A szcintillációs detektorban a szcintilláció során kibocsátott fényt egy fotodetektoron gyűjtik (ez általában egy fotosokszorozó fotokatód - PMT , fotodiódákat és más fotodetektorokat sokkal ritkábban használnak ), áramimpulzussá alakítják, felerősítik és rögzítik. vagy más rögzítési rendszer [1] .

A szcintillátorok jellemzői

Fényteljesítmény

Fényteljesítmény - a szcintillátor által kibocsátott fotonok száma bizonyos mennyiségű energia elnyelésekor (általában 1 MeV ). A nagy fényteljesítmény 50-70 ezer foton/MeV. Minél nagyobb a fénykibocsátás, annál érzékenyebb a szcintillátor, ezért hajlamosak nagy fénykibocsátással rendelkező szcintillátorokat használni. Azonban a lényegesen kisebb fénykibocsátással rendelkező szcintillátorok (például ólom-volframát ) is használhatók nagy energiájú részecskék kimutatására.

Emissziós spektrum

Az emissziós spektrumnak a lehető legoptimálisabban kell illeszkednie a használt fotodetektor spektrális érzékenységéhez. A spektrum inkonzisztenciája a fotodetektorral negatívan befolyásolja az energiafelbontást.

Energiaengedély

Még ha azonos energiájú részecskék is elnyelődnek, a szcintillációs detektor fotodetektorának kimenetén az impulzus amplitúdója eseményről eseményre változik. Össze van kötve:

a fotonok fotodetektoron történő gyűjtésének és az azt követő erősítésének statisztikai jellegével,
a szcintillátor különböző pontjairól eltérő valószínűséggel jutnak el a fotonok a fotodetektorhoz,
a megjelenített fotonszám terjedésével.

Ennek eredményeként a statisztikailag felhalmozott energiaspektrumban a vonal (amely ideális detektornál a delta függvényt képviselné ) elmosódottnak bizonyul, gyakran [2] σ 2 diszperziójú Gauss - féleként ábrázolható . A detektor energiafelbontásának jellemzőjeként a szórás σ ( a diszperzió négyzetgyöke ) és gyakrabban a vonal teljes szélessége félmagasságban (FWHM, angolból. Full Width on Half Maximum ; néha félszélességnek nevezett ), a vonal mediánjához kapcsolódik és százalékban van kifejezve. Az FWHM Gauss-féle σ - szerszám . Mivel az energiafelbontás energiafüggő (jellemzően E -1/2 -vel arányos ), egy adott energiára kell megadni. Leggyakrabban a cézium-137 gamma vonal energiájára adják meg a felbontást ( 661,7 keV ). $2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2{,}355$

Felvillanási idő

Emissziós időnek nevezzük azt az időt, ameddig a szcintillátorban elnyelt, egy gyors töltésű részecske áthaladása által gerjesztett energia fénysugárzássá alakul. A szcintillátor emisszió időfüggősége a részecske abszorpciójának pillanatától (lumineszcencia görbe) általában csökkenő kitevőként vagy általában több csökkenő kitevő összegeként ábrázolható:

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

A képletben a legnagyobb amplitúdóval és időállandóval rendelkező kifejezés a teljes szcintillátor lumineszcencia idejét jellemzi. A gyors emisszió után szinte minden szcintillátornak van egy lassan csökkenő utófényes „farka”, ami az időfelbontás szempontjából gyakran hátránya a detektált részecskék számlálási sebességének. ${\displaystyle \displaystyle A_{i))$ ${\displaystyle \tau _{i))$

Általában a fenti képletben szereplő sok kitevő összege a gyakorlathoz kellő pontossággal ábrázolható két kitevő összegeként:

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

hol van a „gyors” emisszió időállandója ,

{\displaystyle \tau _{f))

{\displaystyle \tau _{s))

- a "lassú" megvilágítás időállandója,

A,\

B

az izzás és az utánvilágítás amplitúdója.

Az izzás és az utánvilágítás amplitúdója a szcintillátorban elnyelt energiától, a gyors részecskék és a gamma-sugarak ionizáló képességétől függ. Például az adalékolt bárium-fluoridból készült szcintillátorokban a gamma-kvantum abszorpciója által kiváltott izzás amplitúdója jelentősen meghaladja az alfa-részecske abszorpciója által okozott izzás amplitúdóját, amelynek abszorpciója, éppen ellenkezőleg, utánvilágítás amplitúdója érvényesül. Ez a jelenség lehetővé teszi az ionizáló sugárzás természetének megkülönböztetését.

A szervetlen szcintillátorok tipikus izzási ideje több száz nanoszekundumtól több tíz mikroszekundumig terjed. A szerves szcintillátorok (műanyag és folyékony) nanomásodperceken belül felvillannak.

Sugárzás erőssége

A besugárzott szcintillátorok fokozatosan lebomlanak. Azt a sugárdózist, amelyet a szcintillátor a tulajdonságok jelentős romlása nélkül képes ellenállni, sugárzási erősségnek nevezzük.

Oltási tényező

A különböző természetű, de azonos energiájú részecskék szcintillátorban elnyelve általában eltérő fénykibocsátást adnak. A nagy ionizációs sűrűségű részecskék ( protonok , alfa-részecskék, nehézionok , hasadási fragmentumok) kevesebb fotont termelnek a legtöbb szcintillátorban, mint a gamma-sugárzás, a béta-részecskék , a müonok vagy a röntgensugarak . Egy adott típusú részecske fénykibocsátásának és az egyenlő energiájú gamma-sugarak fénykibocsátásának arányát kioltási tényezőnek nevezik (az angol quenching - "quenching" szóból). Az elektronok (béta-részecskék) kioltási tényezője általában közel van az egységhez. Az alfa-részecskék kioltó tényezőjét α/β aránynak nevezzük; sok szerves szcintillátor esetében közel 0,1.

Szervetlen szcintillátorok (az aktivátor zárójelben van feltüntetve)

	Megvilágítási idő , µs	Emissziós spektrum maximum , nm	Hatékonysági arány ( az antracénhez viszonyítva )	jegyzet
NaI ( Tl )	0,25	410	2.0	nedvszívó
CsI ( Tl )	0.5	560	0.6	foszforeszcencia
LiI ( Sn )	1.2	450	0.2	nagyon higroszkópos
LiI ( Eu )				nagyon higroszkópos
ZnS ( Ag )	1.0	450	2.0	por
CdS ( Ag )	1.0	760	2.0	kis egykristályok

Szervetlen szcintillátorok

Leggyakrabban szervetlen egykristályokat használnak szcintillátorként. Néha a fénykibocsátás növelése érdekében a kristályt aktivátorral (vagy úgynevezett adalékanyaggal) adalékolják. Így a NaI(Tl) szcintillátorban a nátrium-jodid kristályos mátrixa tallium - aktiváló központokat tartalmaz (százalékos szennyeződés). Az aktivátor nélkül világító szcintillátorokat intrinsicnek nevezzük .

Szervetlen kerámia szcintillátorok

Az átlátszó kerámia szcintillátorok Al 2 O 3 (Lukalox), Y 2 O 3 (Ittralox) oxidok és Y 3 Al 5 O 12 és YAlO 3 oxidok származékai , valamint MgO, BeO [3] alapú átlátszó kerámia anyagokból készülnek . .

Szerves szcintillátorok

	${\displaystyle \lambda _{\max ))$ kibocsátás [nm]	Megvilágítási idő [ns]	Fényhozam (NaI-hez viszonyítva)
Naftalin	348	96	0.12
Antracén	440	harminc	0.5
paraterfenil	440	5	0,25

A szerves szcintillátorok általában két- vagy háromkomponensű keverékek [4] . Az elsődleges fluoreszcencia központok gerjesztődnek a beeső részecskék általi gerjesztés miatt. Amikor ezek a gerjesztett állapotok lecsengenek, fény bocsát ki az ultraibolya hullámhossz - tartományban . Ennek az ultraibolya fénynek az abszorpciós hossza azonban meglehetősen rövid: a fluoreszcens központok átlátszatlanok a saját kibocsátott fényük számára.

A fénykibocsátást úgy hajtják végre, hogy a szcintillátorhoz egy második komponenst adnak, amely elnyeli az eredetileg kibocsátott ultraibolya fényt, és azt izotróp módon, hosszabb hullámhosszal újra sugározza (úgynevezett spektrumváltó vagy shifter ).

A szerves szcintillátorok két hatóanyagát vagy feloldják egy szerves folyadékban, vagy összekeverik egy szerves anyaggal, hogy polimer szerkezetet alakítsanak ki. Ezzel a technológiával bármilyen geometriai alakú és méretű folyékony vagy műanyag szcintillátor előállítható. A legtöbb esetben a szcintillátorlemezek vastagsága 1-30 mm.

A szerves szcintillátorok felvillanási ideje jóval rövidebb (néhány-tíz nanoszekundum nagyságrendű) a szervetlen szcintillátorokhoz képest, de kisebb a fénykibocsátásuk .

Más szerves szcintillátorok is léteznek, például az amerikai BICRON cég . A Bicron BC 400…416 szcintillátorok polivinil-toluol alapúak [ 5] [6] .

Gázszcintillátorok

A gázszcintillációs számlálók atomok által kibocsátott fényt használnak, amelyek a töltött részecskék velük való kölcsönhatása során gerjesztődnek, majd visszatérnek az alapállapotba. A gerjesztett szintek élettartama a nanoszekundumos tartományba esik. A gázszcintillátorok fényhozama viszonylag alacsony a gázok alacsony sűrűsége miatt. A cseppfolyósított inert gázok azonban gázszcintillátorként is használhatók.

Folyékony szcintillátorok

Lásd még

Jegyzetek

↑ Nukleáris sugárzás detektorok - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból .
↑ Egyes esetekben a szcintillátor spektrumában lévő vonalak nagymértékben eltérhetnek a Gauss-tól, például aszimmetria miatt.
↑ Áttekintő cikk a kerámia történetéről . Letöltve: 2009. március 11. Az eredetiből archiválva : 2008. május 29. (határozatlan)
↑ Perkins D. Bevezetés a nagy energiájú fizikába. - M., Mir , 1975. - p. 71-73
↑ A BICRON szcillátor anyagok jellemzői Archivált 2008. december 8. a Wayback Machine -nél
↑ A BICRON hivatalos webhelye archiválva : 2008. március 15. a Wayback Machine -nél