Сцинтилляционный детектор.

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, был открыт Круксом в 1903 году и представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также полупроводниковые фотодиоды или микроканальные пластины (МКП).

Сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), источника электрического питания ФЭУ и радиотехнической аппаратуры, обеспечивающей усиление и регистрацию импульсов ФЭУ, называют сцинтилляционным счетчиком. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится через специальную оптическую систему (светопровод).

В качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках используются неорганические кристаллы, органические кристаллы, твердые пластмассовые сцинтилляторы, жидкие органические сцинтилляторы, газовые сцинтилляторы.

Принцип работы сцинтилляционного счетчика. Попадая в сцинтиллятор, заряженная частица производит ионизацию и возбуждение его молекул. Через очень короткое время (10^-6 - 10^-9 сек ) эти молекулы переходят в стабильное состояние, испуская фотоны - возникает вспышка света (сцинтилляция).

Вспышки света регистрируются с помощью светочувствительных устройств

(сенсоров), таких как ; фотоэлектронные умножители (ФЭУ), полупроводниковые фотодиоды или микроканальные пластины (МКП). В результате вторичной электронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходе сенсора появляется импульс напряжения, который усиливается и регистрируется радиотехнической.

Широкое использование сцинтилляционных детекторов можно объяснить их свойствами:

1. Наличие сцинтилляторов требуемого объема для любого типа излучений гамма — квантов, нейтронов, заряженных частиц.

2. Высоким временным разрешением (10^-7 - 10^-9 с.)

3. Высокой эффективностью регистрации. Сцинтилляционный счетчик с кристаллом NaI(Tl) регистрирует 20 – 40 % от числа попадающих на него гамма — квантов с Е = 662 кэВ, а счетчик Гейгера - Мюллера в тех же условиях лишь 0,5 %.

4. Относительно простой и дешевой электроникой.

К недостаткам сцинтилляционного метода следует отнести низкую разрешающую способность по энергии (6 - 8 % при энергии 662 кэВ) и сложность обработки спектров полученных на сцинтилляционном спектрометре. Даже для когда изотоп излучает гамма — кванты одной энергии, амплитудный спектр имеет довольно сложный вид.

Сцинтилляторы

Это вещества способные преобразовать энергию ядерных излучений в фотоны – кванты видимого или ультрафиолетового излучения.

Виды процессов люминесценции (высвечивания) фосфора. Причинами, вызывающими люминесценцию, могут быть химические реакции, свет, нагревание, механические напряжения и воздействие заряженных частиц на люминофор. Процессы люминесценции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции (высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10 ^-8 сек, интервал 10 ^-8 сек выбран потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов) и фосфоресценции (люминесценции, которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения). Вещество, которое можно использовать в качестве сцинтиллятора, должно обладать рядом свойств:

1. Обладать высокой конверсионной эффективностью (высоким энергетическим выходом), т. е. доля поглощенной энергии, которая идет на образование вспышки, должна быть как можно выше. Это отношение лежит в пределах от долей процента до 10 — 15 процентов.

2. Преобразование энергии в световую вспышку должно быть линейным. Световой выход (число фотонов в сцинтилляторе) должен быть пропорционален поглощенной энергии для широкого диапазона энергий.

3. Вещество сцинтиллятора должно быть прозрачным к собственному излучению, чтобы оно могло выйти из сцинтиллятора и попасть на сенсор (ФЭУ).

4. Длительность вспышки должна быть достаточно короткой, чтобы обеспечить необходимое быстродействие. Диапазон длин волн излучения должен как можно лучше перекрываться со спектром поглощения сенсора (фотокатода).

Неорганические сцинтилляторы.

Сцинтилляционные детекторы на основе неорганических кристаллов являются классическими детекторами, используемыми при регистрации гамма и рентгеновского излучения. Основной областью их применения этих кристаллов являются гамма — спектрометрия низких энергий до 3 МэВ и прикладные радиометрические измерения. В 70-х годах неорганические сцинтилляторы стали вытесняться из спектрометрии низких энергий более прецизионными полупроводниковыми детекторами. Однако, неорганические сцинтилляторы остаются вне конкуренции при регистрации малых потоков частиц, не требующих большого разрешения, спектрометрических детекторах больших размеров Монокристаллы NaI(Tl) и CsI(Tl) и сейчас являются базовыми детекторами гамма и рентгеновского излучения, используемыми для решения прикладных задач на основе ядерно - физических методов анализа и контроля, не смотря на появление новых перспективных сцинтиллирующих материалов.

Форма световой вспышки.

В развитии световой вспышки можно выделить три стадии:

1. передача энергии от налетающей частицы веществу сцинтиллятора (торможение заряженной частицы в веществе);

2. передача части этой энергии центрам свечения, их возбуждение (сложный процесс, в котором могут быть задействованы различные механизмы);

3. снятие возбуждения центров свечения путем испускания фотонов.

На первой стадии частица тормозиться, возбуждая и ионизируя среду.

В этом процессе образуются так называемые δ - электроны ( ̴ 1 кэВ), которые, в свою очередь, могут возбуждать и ионизировать вещество сцинтиллятора. На второй стадии происходит как бы разгорание сцинтиллятора, число возбужденных центров достигает максимума за промежуток времени, определяемый некой постоянной времени τ₁. Высвечивание фотонов происходит с постоянной времени τ. Форма светового импульса в этом случае может быть представлена с следующем виде:

Учитывая, что τ > τ₁ форма светового импульса при малых t определяется функцией: 1 — е , при больших t: e , т. е. передний фронт светового импульса определяется постоянной времени τ₁, а спад постоянной τ. Рис 1а.

Приведенное выше выражение описывает так называемый быстрый компонент вспышки. Существуют и более медленные компоненты. В неорганических сцинтилляторах, как правило, присутствуют медленные компоненты вспышки с разными характерными временами спада вплоть до десятков минут о более. Для NaI(Tl) обнаружено порядка десяти медленных компонент. В частности, фосфоресценция с характерным временем 0,15 с, отвечает за 9% всего светового выхода из кристалла. Наличие медленных компонент приводит к так называемому послесвечению кристалла, что накладывает ограничения на работу таких сцинтилляторов в интенсивных потоках излучений.

Рис. 1. Идеализированная форма световой вспышки (а), создаваемая потоком фотонов (б), (с) — потоком электронов на первом диноде.

Свойства сцинтиллятора NaI(Tl). Механизм возникновения световой вспышки.

Один из самых лучших неорганических кристаллов для гамма - спектроскопии

является натрий йод, активированный таллием - NaI(Tl) . Кристалл гигроскопичен, поэтому упакован в герметичную оболочку. Это цилиндр, у которого один торец (окно) прозрачно для входа фотонов сцинтилляционной вспышки. Другие поверхности кристалла, для обеспечения лучшего собирания света, покрываются светоотражательными материалами MgO или Al₂O₃. Для объяснения механизма возникновения светового импульса в твердом неорганическом кристаллическом сцинтилляторе, таким как NaI(Tl), воспользуемся представлением зонной теории строения кристаллов. Рис.2.

Рис.2. Энергетическая диаграмма кристаллического сцинтиллятора с внедренными атомами таллия — активатора.

Под действием быстрой заряженной частицы и вторичных δ — электронов электроны основного вещества кристалла переходят из валентной зоны в зону проводимости (левая часть рис.2). Происходит возбуждение кристалла. Физически это означает отрыв электронов от узлов кристаллической решетки, т. е. их ионизацию (образуется дырка — отсутствие электрона). Электроны и дырки двигаются в кристалле в данном случае независимо. Возвращение электронов в валентную зону напрямую и рекомбинация их с дырками является маловероятным процессом. Однако, если это имеет место, то излучается фотон в ультрафиолетовой области с λ ≤ 155 нм. Видимая область спектра занимает диапазон длин волн от380 нм до 780 нм. Приведем значение произведения фундаментальных констант постоянной Планка и скорости света:

hc = λE_λ ≡ 1240 эВ·нм

Зная энергию фотона можно легко получить соответствующую. Длину волны и наоборот. Видимой области света соответствует диапазон энергий фотонов

E_λ = 3,26 — 1,59 эВ. Итак, если фотон с λ ≤ 155 нм излучается , то вероятность зарегистрировать его ФЭУ ничтожна, так как спектральная чувствительность фотокатода, как правило, лежит в видимой области и вблизи этой области. Более того, вероятность выхода фотона с энергией ≥ 8 эВ из кристалла маловероятна, так как, двигаясь в среде, фотон может провзаимодействовать с электроном в валентной зоне, и поднять его в зону проводимости, т. е. будет иметь место самопоглощения излучения в кристалле. Для того, чтобы избежать самопоглощения и для смещения спектра излучения в видимую область, в кристалл-матрицу вводят примесные атомы - активаторы, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне. В правой части рис.2 схематически показана система уровней атомов Tl -активатора для кристалла NaI(Tl).

Процесс снятия возбуждения кристалла при наличии атомов активатора выглядит следующим образом: дырки дрейфуют по кристаллу и вблизи атома - активатора одна из них нейтрализуется, захватывая электрон от атома активатора, тем самым, ионизируя его. Электроны независимо дрейфуют по кристаллу и один из них, встретив ионизированный атом активатора,

нейтрализует и возбуждает его. Возбуждение активаторного центра снимается путем испускания фотона. Этот фотон, практически не поглощается в среде. (примесных атомов мало, а энергия недостаточна для перевода электрона из

валентной зоны в зону проводимости), выходит из кристалла и попадает на ФЭУ. Типичные времена дрейфа электронов и дырок наносекунды, а время высвечивания возбужденных атомов 50 — 500 нс. Эти длительности и обуславливают постоянные τ и τ₁, приведенные в таблице 1.

Если энергия, переданная узлу кристаллической решетки, недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, то может образоваться экситон, связанное состояние электрона и дырки. В средней части рис.2 показана такая пара — экситон. Двигаясь по кристаллу, экситон может столкнуться с атомом активатором, в результате электрон окажется в валентной зоне, что приведет к излучению фотонов в видимой области спектра.

При возбуждении атомов активатора могут возбуждаться состояния, разрядка которых запрещена правилами отбора. В результате теплового движения может произойти переход атомов в состояния, с которых разрядка в основное состояние разрешена. Таким образом, возникает задержанная флуоресценция. Кроме того существуют механизмы нерадиационного снятия возбуждения, которые не приводят к излучению фотонов. Это так называемые процессы тушения вспышки, которые уменьшают световой выход сцинтиллятора.

Таб.1 Свойства неорганических сцинтилляторов

Материал	Плот- ность, ρ (г/см3)	Светов. выход χ (%)	τ (τ1), (нс)	Относ. Свет. выход, % (фот./кэВ)	Энерг. разре- шение, %	Энерг. выход., η	λ max, (нм)
NaI(Tl)	3.67 5	230	230(5)	100(8,8)	6-8	0,16	415
CsI(Tl)	4.51	171	700 (20)	30(4,8)	10	0,06	550
BGO Bi4Ge3O12	7.13	22	300-600(нет)	12-13 (0,8)	10.1	0,013	480
BaF2	4.88		600 (<0.9)	3-5 (0,14)	18	-	195-220
CaF2-Eu	3.19		-	8.4(29)	9- 10.5	-	430
YalO3 : Ce	5.35		2.36 (17-35)	30-40 (2)	-	-	350-390
Y3Al5O12 :Ce	4.56	-	-	30 (1,4)	-	-	550
BeO	-	-	320 (10)	4,1-6,7	-	-	-
LaBr3 : (Ce)	5.3	-	-(30)	45-60	3-5	-	390
LaCl3 :(Ce)	-	-	-	50	-	-	-
ZnO			3.8	(10)		-	295
LSO:Ce Lu2SiO5 : Ce	7.4	-	-	75 (2,5)	10	-	420
CdWO4	-	-	-	(19.5)	7.5	-	500-600
GSO:Ce GdSiO5 : Ce	6.71	1.9	600	40	9.5	-	435-450
CdI2	5.76	-	-	10	-	-	540

Если энергия, переданная узлу кристаллической решетки, недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, то может образоваться экситон, связанное состояние электрона и дырки. В средней части рис.2 показана такая пара — экситон. Двигаясь по кристаллу, экситон может столкнуться с атомом активатором, в результате электрон окажется в валентной зоне, что приведет к излучению фотонов в видимой области спектра.

При возбуждении атомов активатора могут возбуждаться состояния, разрядка которых запрещена правилами отбора. В результате теплового движения может произойти переход атомов в состояния, с которых разрядка в основное состояние разрешена. Таким образом возникает задержанная флуоресценция. Кроме того существуют механизмы не радиационного снятия возбуждения, которые не приводят к излучению фотонов. Это так называемые процессы тушения вспышки, которые уменьшают световой выход сцинтиллятора.

Пример.

Сколько фотонов образуется во вспышке в сцинтилляторе NaI(Tl), если в нем поглотилась энергия равная 1 МэВ при прохождении заряженной частицы? Из таб.1 берем величину абсолютного энергетического выхода сцинтилляции, выход равен 16%. Следовательно, 160 кэВ пойдет на образование фотонов. Считаем, что испускаются фотоны с λ = 415 нм, что соответствует максимому в спектре излучения сцинтиллятора. Этой длине волны соответствует энергия 3 эВ. Таких фотонов будет испущено 160 ·10³ /3 ≈ 5,3 ·10⁴ .Эти фотоны и есть световой импульс, изображенный на рис.2а и 2б, где вертикальными отрезками прямых показан поток фотонов, выходящих из кристалла и попадающих на катод ФЭУ.

Органические сцинтилляторы.

В отличие от неорганических сцинтилляторов, где механизм вспышки определяется кристаллической структурой, в органических сцинтилляторах образование фонов вспышки слабо зависит от агрегатного состояния вещества,

так как связано с возбуждением и снятием возбуждения электронных состояний в отдельных молекулах.

После выделить несколько стадий в развитии световой вспышки:

1. Возбуждение молекул основного вещества- матрицы налетающей заряженной частицей,

2. Перенос части этой энергии к молекулам-центрам свечения,

3. Высвечивание фотонов.

Эти процессы занимают существенно меньше времени в органических сцинтилляторах, по сравнению неорганическими сцинтилляторами.

Кристаллические сцинтилляторы.

Наибольшее распространение получили:

антрацен световой выход ~4%, время высвечивания 3.1 10^-8 с, линейность лишь для больших энергий частиц;

стильбен имеет меньший световой выход 2%, но время высвечивания

7 10^-9 с, что позволяет регистрировать очень интенсивные излучения;

нафталин меньший световой выход 0.4% и время высвечивания 7.8 10^-8 с.

Пластмассовые сцинтилляторы.

Это твердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем прозрачном высокомолекулярном веществе.

Антрацен, стильбен (0,1-0,4%) в полистироле или полиметилметакриле (огрстекло).

Преимущества по сравнению с кристаллическими:

1. возможность изготовления сцинтилляторов очень больших размеров;

2. возможность использования пластмассовых сцинтилляторов в вакууме;

3. возможность введения в сцинтиллятор различных веществ необходимых в специальных экспериментах;

4. используются в виде отдельных заполимеризованных блоков или тонких пленок;

5. могут эксплуатироваться в диапазоне температур (-190 - +70) ^оС;

6. имеют малое время высвечивания 3 10^-9 с.

Таб.2 Сравнение свойств некоторых органических сцинтилляторов.