Scintilatoare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 septembrie 2020; verificările necesită 2 modificări .

Scintilatoarele sunt substanțe care prezintă scintilație (emițând lumină la absorbția radiațiilor ionizante ( quanta gamma , electroni , particule alfa etc. ). De regulă, numărul de fotoni emiși pentru un anumit tip de radiație este aproximativ proporțional cu energia absorbită, ceea ce face posibilă obţinerea radiaţiei spectrale de energie.

Detectoarele de scintilație nucleară sunt principala aplicație a scintilatoarelor. Într-un detector de scintilație, lumina emisă în timpul scintilației este colectată pe un fotodetector (de regulă, acesta este un fotocatod fotomultiplicator - PMT , fotodiodele și alte fotodetectoare sunt utilizate mult mai rar ), convertită într-un impuls de curent, amplificat și înregistrat de unul. sau alt sistem de înregistrare [1] .

Caracteristicile scintilatoarelor

Ieșire luminoasă

Ieșire de lumină - numărul de fotoni emiși de scintilator atunci când o anumită cantitate de energie este absorbită (de obicei 1 MeV ). O ieșire de lumină mare este considerată a fi de 50-70 de mii de fotoni pe MeV. Cu cât este mai mare puterea de lumină, cu atât scintilatorul este mai sensibil, așa că tind să folosești scintilatoare cu putere de lumină mare. Cu toate acestea, scintilatoarele cu putere luminoasă semnificativ mai mică (de exemplu, tungstat de plumb ) pot fi, de asemenea, utilizate pentru a detecta particulele de înaltă energie.

Spectrul de emisie

Spectrul de emisie ar trebui să se potrivească cât mai optim cu sensibilitatea spectrală a fotodetectorului utilizat. Incoerența spectrului cu fotodetectorul afectează negativ rezoluția energetică.

Autorizație energetică

Chiar și atunci când particulele cu aceeași energie sunt absorbite, amplitudinea impulsului la ieșirea fotodetectorului detectorului de scintilație variază de la eveniment la eveniment. Este conectat:

cu natura statistică a proceselor de colectare a fotonilor pe un fotodetector și amplificarea ulterioară,
cu probabilitate diferită de livrare a fotonului către fotodetector din diferite puncte ale scintilatorului,
cu o răspândire a numărului de fotoni afișați.

Ca urmare, în spectrul de energie acumulată statistic, linia (care pentru un detector ideal ar reprezenta funcția delta ) se dovedește a fi neclară, ea poate fi adesea [2] reprezentată ca un gaussian cu dispersie σ 2 . Ca o caracteristică a rezoluției energetice a detectorului, abaterea standard σ ( rădăcina pătrată a dispersiei) și, mai des, lățimea completă a liniei la jumătatea înălțimii (FWHM, din engleză. Full Width on Half Maximum ; uneori numită jumătate de lățime ), raportată la mediana liniei și exprimată în procente. FWHM Gaussienii sunt ori σ . Deoarece rezoluția energetică este dependentă de energie (de obicei proporțională cu E -1/2 ), ar trebui specificată pentru o anumită energie. Cel mai adesea, rezoluția este dată pentru energia liniei gamma cesiu-137 ( 661,7 keV ). $2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2{,}355$

Timp flash

Timpul în care energia absorbită în scintilator, excitată de trecerea unei particule încărcate rapid, este transformată în radiație luminoasă, se numește timp de emisie. Dependența emisiei scintilatorului de timpul din momentul absorbției unei particule (curba de luminescență) poate fi de obicei reprezentată ca un exponent descrescător sau, în general, ca suma mai multor exponenți descrescători:

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

Termenul din formula cu cea mai mare amplitudine și constantă de timp caracterizează timpul total de luminiscență a scintilatorului. Aproape toate scintilatoarele după emisie rapidă au o „coadă” luminoasă care scade lent, ceea ce este adesea un dezavantaj, din punct de vedere al rezoluției în timp, al ratei de numărare a particulelor detectate. $\displaystyle A_{i)$ $\tau _{i)$

De obicei, suma multor exponenți din formula de mai sus poate fi reprezentată cu suficientă acuratețe pentru practică ca suma a doi exponenți:

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

unde este constanta de timp a emisiei „rapide”,

\tau _{f)

\tau _{s)

- constanta de timp de iluminare „lentă”,

A,\

B

sunt amplitudinile strălucirii și, respectiv, a strălucirii.

Amplitudinile strălucirii și luminii ulterioare depind de energia absorbită în scintilator, de capacitatea de ionizare a particulelor rapide și de razele gamma. De exemplu, în scintilatoarele realizate din fluorură de bariu dopată, amplitudinea strălucirii cauzate de absorbția unui quantum gamma depășește semnificativ amplitudinea strălucirii cauzate de absorbția unei particule alfa , la absorbția căreia, dimpotrivă, predomină amplitudinea luminii ulterioare. Acest fenomen face posibilă distingerea naturii radiațiilor ionizante.

Timpul de strălucire tipic al scintilatoarelor anorganice este de la sute de nanosecunde la zeci de microsecunde. Scintilatoarele organice (plastic și lichid) clipesc în nanosecunde.

Forța radiației

Scintilatoarele iradiate se degradează treptat. Doza de radiație pe care o poate suporta un scintilator fără o deteriorare semnificativă a proprietăților se numește puterea radiației.

Factorul de stingere

Particule de natură diferită, dar cu aceeași energie, atunci când sunt absorbite într-un scintilator, în general, dau o putere de lumină diferită. Particulele cu o densitate mare de ionizare ( protoni , particule alfa, ioni grei , fragmente de fisiune) produc mai puțini fotoni în majoritatea scintilatoarelor decât razele gamma, particulele beta , muonii sau razele X. Raportul dintre puterea de lumină a unui anumit tip de particule și puterea de lumină a razelor gamma cu energie egală se numește factor de stingere (din engleză quenching - „quenching”). Factorul de stingere al electronilor (particulele beta) este de obicei aproape de unitate. Factorul de stingere pentru particulele alfa se numește raport α/β ; pentru multe scintilatoare organice este aproape de 0,1.

Scintilatoare anorganice (activatorul este indicat între paranteze)

	Timp de iluminare , µs	Spectrul de emisie maxim , nm	Raportul de eficiență ( față de antracen )	Notă
NaI ( Tl )	0,25	410	2.0	higroscopic
CsI ( Tl )	0,5	560	0,6	fosforescenţă
LiI ( Sn )	1.2	450	0,2	foarte higroscopic
LiI ( Eu )				foarte higroscopic
ZnS ( Ag )	1.0	450	2.0	pudra
CdS ( Ag )	1.0	760	2.0	mici cristale simple

Scintilatoare anorganice

Cel mai adesea, monocristalele anorganice sunt folosite ca scintilatoare. Uneori, pentru a crește puterea de lumină, cristalul este dopat cu un activator (sau așa-numitul dopant). Astfel, în scintilatorul NaI(Tl), matricea cristalină de iodură de sodiu conține centri activatori ai taliului (o impuritate la nivel de sutimi de procent). Scintilatoarele care strălucesc fără un activator sunt numite intrinseci .

Scintilatoare ceramice anorganice

Scintilatoarele ceramice transparente sunt produse din materiale ceramice transparente pe bază de oxizi de Al 2 O 3 (Lukalox), Y 2 O 3 (Ittralox) și derivați ai oxizilor Y 3 Al 5 O 12 și YAlO 3 , precum și MgO, BeO [3] .

Scintilatoare organice

	$\lambda _{\max )$ emisii [nm]	Timp de iluminare [ns]	Randament luminos (față de NaI)
Naftalină	348	96	0,12
antracen	440	treizeci	0,5
Paraterfenil	440	5	0,25

Scintilatoarele organice sunt de obicei amestecuri cu două sau trei componente [4] . Centrii primari de fluorescență sunt excitați din cauza excitației de către particulele incidente. Când aceste stări excitate se diminuează, lumina este emisă în intervalul de lungimi de undă ultraviolete . Lungimea de absorbție a acestei lumini ultraviolete este, totuși, destul de scurtă: centrele de fluorescență sunt opace față de propria lor lumină emisă.

Ieșirea luminii este realizată prin adăugarea la scintilator a unei a doua componente care absoarbe lumina ultravioletă emisă inițial și o reradiază izotrop cu lungimi de undă mai mari (așa-numitul spectrum shifter, sau shifter ).

Cele două ingrediente active din scintilatoarele organice sunt fie dizolvate într-un lichid organic, fie amestecate cu un material organic, astfel încât să formeze o structură polimerică. Folosind această tehnologie, este posibil să se producă un scintilator lichid sau plastic de orice formă și dimensiune geometrică. În cele mai multe cazuri, foile de scintilator sunt realizate cu o grosime de la 1 la 30 mm.

Scintilatoarele organice au timpi de aprindere mult mai scurti (de ordinul a câteva până la zeci de nanosecunde) în comparație cu scintilatoarele anorganice, dar au o putere de lumină mai mică .

Mai există și alte scintilatoare organice, precum compania americană BICRON . Scintilatoarele Bicron BC 400…416 sunt produse pe bază de poliviniltoluen [5] [6] .

Scintilatoare cu gaz

Contoarele de scintilație de gaz utilizează lumina emisă de atomi, care sunt excitați în timpul interacțiunii particulelor încărcate cu acestea și apoi revin la starea fundamentală. Durata de viață a nivelurilor excitate se află în intervalul de nanosecunde. Randamentul luminii în scintilatoarele cu gaz este relativ scăzut datorită densității scăzute a gazelor. Cu toate acestea, gazele inerte lichefiate pot fi folosite și ca scintilatoare de gaz.

Scintilatoare lichide

Vezi și

Note

↑ Detectoare de radiații nucleare - articol din Marea Enciclopedie Sovietică .
↑ În unele cazuri, liniile din spectrul scintilatorului pot diferi foarte mult de cele gaussiene, de exemplu, prin asimetrie.
↑ Articol de ansamblu despre istoria ceramicii . Preluat la 11 martie 2009. Arhivat din original la 29 mai 2008. (nedefinit)
↑ Perkins D. Introducere în fizica energiilor înalte. - M., Mir , 1975. - p. 71-73
↑ Caracteristicile materialelor scitilatorului BICRON Arhivat 8 decembrie 2008 la Wayback Machine
↑ Site-ul oficial BICRON Arhivat 15 martie 2008 la Wayback Machine