Сцинтилляторы

Основной характеристикой сцинтилляционного вещества является так называемая конверсионная физическая эффективность, равная отношению энергии, преобразующейся в свет, к полной энергии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Конверсионная эффективность практически используемых сцинтилляторов имеет значения в пределах от долей процента до десятка процентов.

Высокая эффективность работы сцинтиллятора обеспечивается в том случае, если излучение выходит из сцинтиллятора наружу. Большая часть веществ оказывается непрозрачной для собственного излучения. Это легко понять, если принять во внимание, что энергия фотонов всегда равна разности энергий некоторых энергетических уровней. Фотоны, испускаемые при возвращении атомов из возбуждённого состояния в основное, резонансным образом поглощаются в веществе, вызывая переходы других атомов из основного состояния в возбужденное. Качество сцинтилляторов определяется не физической, а технической эффективностью, которая равна отношению энергии, уносимой фотонами, вышедшими из вещества, к энергии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Техническая эффективность зависит от формы и размера образца, состояния его поверхности, количества примесей и т.д.

Существуют разные типы сцинтилляторов (органические, неорганические, газовые, жидкие, пластиковые); механизмы высвечивания в них различны.

Органические сцинтилляторы. В органических кристаллах связи между молекулами слабы и электронные энергетические уровни практически не возмущены. Разность энергий колебательных уровней заметно меньше энергии первого возбужденного электронного состояния. Поэтому процесс излучения в кристалле мало отличается от процесса излучения отдельной молекулы.

На рисунке 9 изображены основной уровень молекулы (а) и её первое возбужденное состояние (б). Над каждым из этих уровней располагается полоса колебательных уровней. Следует отметить, что время жизни молекулы в первом возбужденном состоянии (~ 10^–8 с) много больше времени перехода между колебательными уровнями.

Рассмотрим упрощенную схему, поясняющую сцинтилляцию органических кристаллов (рисунок 9).

Рисунок 9 – Схема сцинтилляции органических кристаллов

Пусть в результате возбуждения, вызванного прохождением заряженной частицы, молекула перешла из основного состояния а в некоторое возбуждённое состояние г. Передавая излишнюю энергию в энергию колебательных степеней свободы, молекула за короткое время переходит в нижнее состояние первой возбужденной полосы б. Дальнейший переход из состояния б в одно из состояний основной полосы, например в, сопровождается испусканием света. Наконец происходит безрадиационный переход молекулы из состояния в в основное состояние.

Энергия светового кванта, излучаемого при переходе, оказывается меньше разности уровней а и в, что недостаточно для возбуждения молекул, находящихся в основном состоянии. Поглотить этот квант могут только молекулы, уровни колебаний которых соответствуют уровням, расположенным не ниже, чем в. Но таких молекул мало, поэтому самопоглощение света оказывается незначительным.

При испускании и при поглощении света молекулами возникает не одна линия испускания или поглощения (рисунок 9), а целые области (рисунок 10), которые частично перекрываются. Чем меньше область перекрытия спектров (заштрихована), тем прозрачнее сцинтиллятор для собственного излучения.

Органические кристаллы имеют сравнительно высокую конверсионную и техническую эффективность, но на практике применяются редко, главным образом из-за сложности изготовления. Значительно шире используются сцинтиллирующие растворы, состоящие из твердого или жидкого растворителя и сцинтиллирующей добавки. Такие сцинтилляторы имеют в два-три раза меньшую конверсионную эффективность, чем органические кристаллы. Однако благодаря простоте изготовления датчиков любого размера и формы и короткому времени высвечивания, сцинтиллирующие пластмассы практически вытеснили органические кристаллы.

Рисунок 10 – Спектры испускания и поглощения сложных молекул

Неорганические сцинтилляторы. При комнатной температуре чистые неорганические кристаллы не сцинтиллируют. Как известно, в чистых неорганических кристаллах электроны в основномсостоянии расположены в так называемой валентной зоне А (рисунок 11).

Проходя через кристалл, заряженная частица переводит часть электронов из основного в возбужденное состояние (в так называемую зону проводимости В). При диффузии в зоне проводимости электрон может оказаться вблизи свободного уровня валентной зоны, или дырки. Если происходит комбинирование электронов с дыркой, то световые кванты излучаются с энергией, определяемой шириной запрещенной зоны кристалла С. Этой шириной определяется и спектр поглощения кристалла. Поэтому излученные при рекомбинации световые кванты интенсивно поглощаются внутри кристалла, и свет наружу не выходит.

Рисунок 11 – Схема уровней неорганического кристалла

При введении в кристалл небольшого количества активатора (~ 0, 1 %) в кристалле образуются локальные энергетические уровни d, которые называют центрами люминесценции. Если подобрать активатор так, чтобы его уровни располагались в запрещённой зоне кристалла, то спектр излучаемых при переходах световых квантов не перекрывается спектром поглощения чистого кристалла и может поглощаться только самим активатором. Но так как концентрация последнего мала, то малым оказывается и поглощение света; световые кванты выходят из сцинтиллятора.

Механизм высвечивания неорганических кристаллов в действительности намного сложнее, чем описано, и до конца не изучен. Предполагают, что в активированных щёлочно-галлоидных кристаллах значительная доля энергии, потерянной частицей, преобразуется в энергию возбуждения связанных электронов, так называемых экситонов. Экситоны медленно перемещаются (мигрируют) в кристаллах. При миграции они могут захватываться центрами люминесценции, в которых и происходит высвечивание. Отметим, что время высвечивания неорганических кристаллов на несколько порядков больше, чем органических сцинтилляторов, что обусловлено значительным временем диффузии возбужденных электронов или дырок (или миграции экситонов).

Для справок приведена таблица характеристик наиболее часто используемых сцинтилляторов (таблица 2).

Таблица 2

Характеристики некоторых сцинтилляторов