Сцинтилляторы — вещества, проявляющие сцинтилляцию кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое сцинтилляторы, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое сцинтилляторы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Атомная и Ядерная физика.

сцинтилляторы — вещества, проявляющие сцинтилляцию (излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближенно пропорционально поглощенной энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения.

Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприемнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя — ФЭУ, значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприемники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой .

Характеристики сцинтилляторов

Световыход

Световыход — количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определенного количества энергии (обычно 1 МэВ). Большим световыходом считается величина 50—70 тыс. фотонов на МэВ. Чем выше световыход, тем более чувствителен сцинтиллятор, поэтому стремятся применять сцинтилляторы с большим световыходом. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца).

Спектр высвечивания

Спектр высвечивания должен быть по возможности оптимально согласован со спектральной чувствительностью используемого фотоприемника. Несогласованность по спектру с фотоприемником негативно сказывается на энергетическом разрешении.

Энергетическое разрешение

Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприемника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано:

• со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприемнике и последующего усиления,
• с различной вероятностью доставки фотона к фотоприемнику из разных точек сцинтиллятора,
• с разбросом высвечиваемого числа фотонов.

В результате в статистически накопленном энергетическом спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, ее часто можно представить в виде гауссианы с дисперсией σ². В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используются среднеквадратическое отклонение σ (квадратный корень из дисперсии) и, чаще, полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum; иногда называется полушириной), отнесенные к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в раза больше σ. Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально E^−1/2), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 (661,7 кэВ).

Время высвечивания

Типичная кривая высвечивания неорганического сцинтиллятора, возбужденного поглощением быстрой заряженной частицы. После кратковременной яркой вспышки свечение относительно медленно затухает.

Время, в течение которого поглощенная в сцинтилляторе, возбужденного прохождением быстрой заряженной частицы энергия преобразуется в световое излучение, называют временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или, в общем случае, как сумма нескольких убывающих экспонент:

Слагаемое в формуле с наибольшей амплитудой и постоянной времени характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Почти все сцинтилляторы после быстрого высвечивания имеют медленно спадающий «хвост» послесвечения, что зачастую является недостатком, с точки зрения временного разрешения, скорости счета регистрируемых частиц.

Обычно сумму многих экспонент в приведенной формуле с достаточной для практики точностью можно представить в виде суммы двух экспонент:

где — постоянная времени «быстрого» высвечивания,

— постоянная времени «медленного» высвечивания,

— амплитуды свечения и послесвечения соответственно.

Амплитуды свечения и послесвечения зависят от энергии, поглощенной в сцинтилляторе, ионизирующей способности быстрых частиц и гамма-квантов. Например, в сцинтилляторах изготовленных из легированного фторида бария амплитуда свечения, вызванного поглощением гамма-кванта существенно превышает амплитуду свечения, вызванного поглощением альфа-частицы, при поглощении которой наоборот, превалирует амплитуда послесвечения. Это явление позволяет различать природу ионизирующего излучения.

Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов — от сотен наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

Радиационная прочность

Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.

Квенчинг-фактор

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, альфа-частицы, тяжелые ионы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы, мюоны или рентген. Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching — «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β-отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.

Неорганические сцинтилляторы

Кристалл NaI(Tl) размером 40×40 мм в алюминиевом кожухе со стеклянным окном

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Иногда для увеличения световыхода кристалл легируют активатором (или так называемым допантом). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными.

Неорганические керамические сцинтилляторы

Прозрачные керамические сцинтилляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов Al₂O₃ (Лукалокс), Y₂O₃ (Иттралокс) и производных оксидов Y₃Al₅O₁₂ и YAlO₃, а также MgO, BeO .

Органические сцинтилляторы

	эмиссии [нм]	Время высвечивания [нс]	Световыход (относительно NaI)
Нафталин	348	96	0,12
Антрацен	440	30	0,5
Паратерфенил	440	5	0,25

Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух- или трехкомпонентные смеси . Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счет возбуждения налетающими частицами. При распаде этих возбужденных состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Длина поглощения этого ультрафиолетового света, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.

Вывод света осуществляется добавлением к сцинтиллятору второго компонента, поглощающего первично излученный ультрафиолетовый свет и переизлучающего его изотропно с бо́льшими длинами волн (так называемого сместителя спектра, или шифтера).

Две активных компоненты в органических сцинтилляторах или растворяются в органической жидкости или смешиваются с органическим материалом так, чтобы образовать полимерную структуру. По такой технологии можно производить жидкий или пластмассовый сцинтиллятор любой геометрической формы и размера. В большинстве случаев изготавливаются листы сцинтиллятора толщиной от 1 до 30 мм.

Органические сцинтилляторы имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц — десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший световыход.

Также существуют другие органические сцинтилляторы, например американской компании BICRON. Сцинтилляторы Bicron BC 400…416 производятся на основе поливинилтолуола .

Газовые сцинтилляторы

Газовые сцинтилляционные счетчики используют свет, излученный атомами, которые возбуждаются в процессе взаимодействия с ними заряженных частиц и затем возвращаются в основное состояние. Времена жизни возбужденных уровней лежат в наносекундном диапазоне. Световыход в газовых сцинтилляторах в силу низкой плотности газов сравнительно невысок. Однако в качестве газовых сцинтилляторов могут также применяться сжиженные инертные газы.

ТИПЫ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Сцинтилляторы бывают разных типов в зависимости от вещества, из которого они сделаны. В целом это деление на типы можно представить как деление в органические и неорганические сцинтилляторы. Неорганические сцинтилляторы — это чаще всего неорганические монокристаллы. Есть также еще газовые сцинтилляторы и стекла. Органические сцинтилляторы — это органические кристаллы, а также пластики и, интересующие нас, жидкие сцинтилляторы. Все эти типы характеризует, прежде всего, разный механизм сцинтилляций. Неорганические сцинтилляторы характеризуются большим световыходом, однако, также и большим временем высвечивания (порядка микросекунд). Органические же наоборот характеризуются небольшим световыходом, но их время высвечивания мало (порядка десятков наносекунд). Примером неорганического сцинтиллятора является NaI (натрий-йод), гидроскопичное вещество, с огромным световыходом. Пример органических — антрацен (C14H10).
Кроме различных свойств светимости есть и другое важное практическое отличие. Неорганические кристаллы трудно вырастить большого размера. Как и кристаллы вообще. А газовые сцинтилляторы, стекла, пластики и жидкие сцинтилляторы могут быть существенного объема.

МЕХАНИЗМ СЦИНТИЛЛЯЦИЙ

Переизлучение молекулярных уровней

В целом механизм сцинтилляций состоит в том, что возбуждение, создаваемое пролетающей частицей, сначала приходится на некую неизлучающую среду, а уже затем доходит до некоторого излучающего центра. В общем случае оно также может быть поглощено введенным веществом шифтера, который переизлучит свет на той длине волны, которую лучше принимает ФЭУ. В неорганических кристаллах перенос возбуждения атомов решетки обеспечивается дырочно-частичным механизмом, а излучающие центры являются примесями в кристалл. В органических сцинтилляторах возбуждается не зональные уровни всего вещества в целом, а молекулярные уровни отдельных атомов, а перенос осуществляется переизлучением. Рассмотрим это подробнее.
В органических сцинтилляторах под воздействием регистрируемого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние. Также возможна ионизация и диссоциация молекул (это приводит к старению сцинтиллятора).

Световыход зависимости от концентрации сцинтиллирующего вещества

В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, как правило, образуется в возбужденном состоянии. Первоначально возбужденная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время испускает фотон высокой энергии. Этот фотон поглощается другой молекулой, причем часть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движение, и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией по сравнению с предыдущим. И так будет до тех пор, пока вся энергия переизлучения не уйдет в тепловую энергию. Но в сцинтилляторах есть какая-то небольшая (порядка нескольких процентов) добавка другого вещества, такая, что оно может возбудиться, от переизлученного основным веществом фотона, а затем излучить на другой частоте. Сцинтиллятор светит благодаря ней. Особенность заключается в том, что при небольшом количестве этого сцинтиллирующего вещества выход будет мал, из-за того, что будет мал шанс возбуждения его молекул, а при большом он будет мал из-за того, что излучение будет перепоглощаться, и энергия будет уходить в тепловое движение.
Также органические сцинтилляторы излучают в основном в ультрафиолетовом диапозоне. Для того, чтобы сделать сцинтиллятор светящем в оптическом диапозоне, вводится, как и говорилось, специальное вещество — шифтер, которое поглощает ультрафиолетовое излучение, и переизлучает на нужной длине волны. К примеру, используется оксазолил бензола - РОРОР.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ДЕТЕКТОРА

Принципиально детектор состоит из двух частей: емкости со сцинтиллятором и из светоприемника. Емкость должна быть окружена хорошо отражающими свет зеркалами. ФЭУ обязательно нужно защищать от магнитных полей, к которым он чувствителен. Он должен быть расположен так, чтобы его показания не зависели от того где именно в емкости произошла вспышка. Также вся конструкция должна быть затенена от посторонних источников света.

ОСОБЕННОСТИ ЖИДКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Жидкие сцинтилляторы — это растворы сцинтиллирующего вещества в некоторой органической жидкости. Их особенности, как органических сцинтилляторов, это малое время высвечивания (порядка десятков наносекунд) и малая эффективности, даже в сравнении с органическими кристаллами. Механизм возбуждения описан выше для всех органических сцинтилляторов.
Эти сцинтилляторы, в силу того, что это жидкость, обладают уникальными сферами применения. Во-первых, в жидкие сцинтилляторы можно без каких-нибудь проблем вводить добавки чувствительные к какому-то определенному виду излучения. Например, к нейтронам (для этого вводятся делящиеся в результате реакции с нейтроном изотопы). Во-вторых, жидкие сцинтилляторы можно делать любого объема. Их можно буквально заливать в гигантские емкости, для того, чтобы надежно регистрировать слабореагирующие с веществом частицы (например, нейтрино). Точно также их можно делать любой формы, которую требует эксперимент. Для этого нужно правильным образом расположить в любой, которая нужна по объему и форме, емкости сцинтилляторы ФЭУ.
Таким образом, жидкие сцинтилляторы качественно отличаются от всех остальных. В то время как твердые сцинтилляторы — это уже готовые, причем чаще всего не очень большие (за исключением пластиковых), детекторы, то из жидких сцинтилляционных детектор можно буквально собрать под конкретную задачу.
Разные частицы регистирируются в жидких сциинтилляторах по разному. Электроны надежно регистрируются в любых сцинтилляционных детекторах. Особенность органических, и жидких сцинтилляторов в том числе, в том, что они лучше регистрируют низкоэнергетичные электроны и хуже высокоэнергетичные. Ионы, протоны и альфа-частицы регистрируются не идеально. Во-первых, из-за сильных ионизационных эффектов, во-вторых, из-за большой массы. Это ведет, во-первых, к уменьшению световыхода при небольших энергиях, во-вторых, к тому, что спектр легких и тяжелых частиц отличается. У тяжелых частиц обычно сильнее послесвечение при сцинтилляции.
Нейтроны не взаимодействуют электромагнитно с веществом. Поэтому для того, чтобы их зарегистрировать, нужно чтобы нейтрон провзаимодейстовал с протоном. Сами по себе органические детекторы приемлемо регистрируют быстрые нейтроны, благодаря водороду в их составе. Для регистрации же медленных нейтронов, например, можно ввести 6Li или 10B. Эти изотопы имеют высокое сечение захвата медленного нейтрона. С жидким сцинтиллятором это делается без труда.
Наконец для регистрации гамма-квантов нужен большой атомный вес, чего у жидких сцинтилляторов нет, или большой объем, чего есть. А для регистрации нейтрино у них вообще нет конкурентов, так как тут важен, прежде всего, объем вещества.

ПРИМЕРЫ ЖИДКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

р-терфенил

Ксилол
Сейчас есть множество видов сцинтилляторов, причем, зачастую компания производитель называет их собственным именем. Однако особенностью жидких сцинтилляторов является то, что экспериментатор может сам смешать нужное ему вещество для детектора из купленных ингредиентов. Проделать тоже самое с кристаллами, очевидно не получится. Примером являются такие смеси, как раствор р-терфенила (C18H14) в ксилоле (C6H4(СН3)2) с добавкой шифтера POPOP. Это достаточно часто используемый ранее сцинтиллятор. При концентрации р-терфинила 5г/л его плотность: 0,86 г/см3. Максимум светимости приходится на 350 нм. Время высвечивания: 2 нс. Светимость по отношению к NaJ: 0,25, по отношению к антрацену соответственно: 0,5. Другими часто используемыми растворителями являются: толуол, фенил-циклогесксан и PXE (PhenyloXylylethane). Сцинтиллирующими веществами: дифенилоксазол (PPO) и детрафенилбутадиен (PBD).

LIQUID SCINTILLATION COUNTING

Распространенный метод измерения бета-радиоактивности в лабораторных условиях — это так называемый Liquid scintillation counting. Суть этого метода в том, что образец, радиоактивность которого нужно измерить, растворяют в жидком сцинтилляторе, а затем помещают в прозрачную колбу, а ее в специальный прибор с двумя ФЭУ подключенными в схему совпадений (чтобы отсеять помехи).
Этот способ измерения радиоактивности эффективен в силу того, что любой испущенный электрон в любом случае попадет в сцинтиллятор.

НЕЙТРИННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Пожалуй, одно из самых интересных применений жидких сцинтилляторов — это их использование в качестве нейтринных детекторов. Суть в том, что нейтрино плохо взаимодействует с веществом. Ему нужен большой объем детектора для надежной регистрации. Однако в этом случае проблема заключается в собственно регистрации самого взаимодействия. Одно из решений — это использование гигантских по объему жидких сцинтилляционных детекторов. В этом случае продукты реакции легко отследить по сцинтилляциям, а по сопоставлению результатов многих ФЭУ можно определить место реакции.

Одним из таких детекторов является знаменитый KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) – это большой нейтринный детектор на острове Хонсю в Японии. В эксперименте участвуют 12 институтов США и Японии. На этом детекторе было впервых получено убедительное доказательство осцилляции нейтрино.
Идея эксперимента — была в сопоставлении результата измерений потока антинейтрино на KamLAND и точно рассчитанного потока антинейтрино от реакторов Кореи и Японии. Основной детектор установки содержит килотонну жидкого сцинтиллятора в прозрачной нейлоновой сфере диаметром 13 м (надо сказать, что сейчас есть и более масштабные проекты с 18-тью килотоннами сцинтиллятора). Сцинтиллятор состоит из раствора один к четырем псевдокумола в додекане с небольшой добавкой дифенилоксазола, который улучшает сцинтилляционные характеристики. На внутренней поверхности стальной сферы расположены 1879 фотоумножителей двух типов (17- и 20-дюймового диаметра). Момент срабатывания каждого ФЭУ отслеживается с точностью примерно 3.5 нс, что позволяет не только измерять энергию событий, но и восстанавливать координаты сцинтилляционной вспышки. Результатом этого эксперимента стала регистрация за 150 дней 54 антинейтрино, в то время как расчетная цифра была 86. Наличие дефицита в потоке антинейтрино свидетельствует в пользу существования антинейтринных осцилляций, т.е. перехода электронного антинейтрино в антинейтрино других типов - мюонного или тау.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Первым преимуществом сцинтилляторов является цена. Технологически сцинтилляционные детекторы достаточно просты, и как следствие дешевы. Это позволяет использовать их там, где требуется именно большое количество детекторов, а не их качество (например, как будет сказано далее, в нейтринных детекторах, и различных калориметрах). Во-вторых, эти детекторы позволяют определить энергию, потерянную частицей на пролет в среде сцинтиллятора. Импульс и координату они не измеряют (потому что ФЭУ весьма чувствительные к необходимым для этого измерения магнитным и электрическим полям). Доля энергии регистрируемой частицы, конвертируемая в энергию световой вспышки, называется световой выход. К примеру, световой выход антрацена составляет примерно 0.05, что означает примерно 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У часто используемого NaI световой выход примерно 0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт.
Однако недостатком является то, что эту самую энергию, сцинтилляторы определяют достаточно неточно (по сравнению с пропорциональными счетчиками и полупроводниковыми детекторами). На это влияет сразу множество факторов: статистический характер сцинтилляций, неточности самого ФЭУ, а также специфические характеристики сцинтиллятора, связанные с послесвечением (остаточным свечением после сцинтилляции, которое затрудняет определение энергии последующих частиц, и которое связано с люминесценцией, однако его природа в разных веществах разная), а также с самим видом спектра сцинтиллятора. Это приводит к тому, что использовать сцинтилляторы в качестве прецизионных детекторов нельзя.
Сцинтилляторы имеют мертвое время порядка микросекунд, или десятков наносекунд. Это можно отнести скорее к достоинствам сцинтиллятора, потому что в качестве центровых детекторов ведь у ионизационных камер и многих других детекторов мертвое время существенно больше.
К недостаткам сцинтилляторам относится также трудность эксплуатации части из них. Так многие сцинтилляторы гидроскопичны, а намокнув (или поглотив водяной пар из воздуха) перестают светить. Другим требуется низкая температура. Впрочем, это проблема вообще большей части детекторов, и как раз таки в этом отношении сцинтилляторные детекторы менее прихотливы, чем другие, которым зачастую требуется и низкая температура, и высокий вакуум.
Также определение энергии частицы в сцинтилляторе затрудняет то, что разные частицы теряют энергию по-разному и имеют разный световыход. Так называемый квенчинг-фактор отражает то насколько меньше фотонов дадут тяжелые частицы по сравнению с легкими.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Кристаллы
• Лазер
• Керамика
• Прозрачные керамические материалы
• Оптические материалы
• Волновод
• cпектрофотометрические анализаторы , нефелометрический анализ , флуориметрический анализ , абсорбционный анализ ,
• люминофор , люминесценция , фосфоресценция ,
• счётчик гейгера ,

Исследование, описанное в статье про сцинтилляторы, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое сцинтилляторы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Атомная и Ядерная физика