Просмотр кода страницы Сцинтилляторы

{{rq|sources|style}}
'''Сцинтилля́торы''' — вещества, проявляющие [[Сцинтилляция|сцинтилляцию]], то есть излучающие свет при поглощении [[Ионизирующее излучение|ионизирующего излучения]] ([[Гамма-излучение|гамма-квантов]], [[электрон]]ов, [[Альфа-частица|альфа-частиц]] и т.д.). Как правило, излучаемое количество [[фотон]]ов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения.

'''Сцинтилляционные детекторы''' ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это [[фотокатод]] фотоэлектронного умножителя — [[ФЭУ]], значительно реже используются [[фотодиод]]ы и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой<ref>{{Из БСЭ|заглавие=Детекторы ядерных излучений}}</ref>.

== Характеристики сцинтилляторов ==

=== Световыход ===
Световыход — количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно {{nobr|1 [[МэВ]]}}). Большим световыходом считается величина {{nobr|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 фотоприёмника. Несогласованность по спектру с фотоприёмником негативно сказывается на энергетическом разрешении.

=== Энергетическое разрешение ===
Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией [[амплитуда]] импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано:
* со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления,
* с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора,
* с разбросом высвечиваемого числа фотонов.
В результате в статистически накопленном энергетическом спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы [[дельта-функция|дельта-функцию]]) оказывается размытой, её часто<ref>В некоторых случаях линии в спектре сцинтиллятора могут сильно отличаются от гауссианы, например, несимметричностью.</ref> можно представить в виде [[гауссиана|гауссианы]] с [[Дисперсия случайной величины|дисперсией]] {{math|σ<sup>2</sup>}}. 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 [[полуширина|полушириной]]), отнесённые к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в <math>2\sqrt{2 \ln 2}\approx 2{,}355</math> раза больше {{math|σ}}. Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально ''E''<sup>−1/2</sup>), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии [[Цезий-137|цезия-137]] ({{nobr|661,7 кэВ}}).

=== Время высвечивания ===
{{main|Время высвечивания}}
[[Файл:Сцинтилляция.png|thumb|Типичная кривая высвечивания неорганического сцинтиллятора, возбуждённого поглощением быстрой заряженной частицы. После кратковременной яркой вспышки свечение относительно медленно затухает.]]
Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе, возбуждённого 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:

: <math>\displaystyle I \sim \sum_i A_i \exp(-t/\tau_i).</math>

Слагаемое в формуле с ''наибольшей'' амплитудой <math>\displaystyle A_i</math> и постоянной времени <math>\tau_i</math> 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 счёта регистрируемых частиц.

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

: <math>I = A\exp\left(-\frac{t}{{\tau}_f}\right) + B\exp\left(-\frac{t}{{\tau}_s}\right).</math>

: где <math>\tau_f</math> — [[постоянная времени]] «быстрого» высвечивания,
: <math>\tau_s</math> — постоянная времени «медленного» высвечивания,
: <math>A,\ </math> <math>B</math> — амплитуды свечения и послесвечения соответственно.

Амплитуды свечения и послесвечения зависят от энергии, поглощённой в сцинтилляторе, ионизирующей способности быстрых частиц и гамма-квантов. Например, в сцинтилляторах изготовленных из легированного [[Фторид бария|фторида бария]] амплитуда свечения, вызванного поглощением [[гамма-излучение|гамма-кванта]] существенно превышает амплитуду свечения, вызванного поглощением [[Альфа-частица|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 [[Ионизация|ионизации]] ([[протон]]ы, альфа-частицы, тяжёлые [[ион]]ы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, [[Бета-частица|бета-частицы]], [[мюон]]ы или [[Рентгеновское излучение|рентген]]. Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от {{lang-en|quenching}} — «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют {{math|α/β}}-отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.

{| class="wikitable" style="float:right; margin-left:1em; clear:right"
|+ Неорганические сцинтилляторы (в скобках указан активатор)
! 
!Время<br>высвечивания,<br>[[Секунда|мкс]]
!Максимум<br>спектра<br>высвечивания,<br>нм
!Коэффициент<br>эффективности<br>(по отношению<br>к [[антрацен]]у)
!Примечание
|-
|[[Иодид натрия|NaI]]([[Таллий|Tl]])||{{center|0,25}}||{{center|410}}||{{center|2,0}}
|гигроскопичен
|-
|[[иодид цезия|CsI]]([[Таллий|Tl]])||{{center|0,5}}||{{center|560}}||{{center|0,6}}
|[[фосфоресценция]]
|-
|[[Иодид лития|LiI]]([[Олово|Sn]])||{{center|1,2}}||{{center|450}}||{{center|0,2}}
|очень<br>гигроскопичен
|-
|[[Иодид лития|LiI]]([[Европий|Eu]])|| || ||
|очень<br>гигроскопичен
|-
|[[Сульфид цинка|ZnS]]([[Серебро|Ag]])||{{center|1,0}}||{{center|450}}||{{center|2,0}}
|порошок
|-
|[[Сульфид кадмия|CdS]]([[Серебро|Ag]])||{{center|1,0}}||{{center|760}}||{{center|2,0}}
|небольшие<br>монокристаллы
|}

== Неорганические сцинтилляторы ==
[[Файл:NaI Tl 40mm USSR 1964.jpg|thumb|Кристалл NaI(Tl) размером 40×40 мм в [[Алюминий|алюминиевом]] кожухе со стеклянным окном]]
Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода кристалл легируют активатором (или так называемым допантом). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице [[иодид натрия|иодида натрия]] содержатся активирующие центры [[таллий|таллия]] (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются ''собственными''.

=== Неорганические керамические сцинтилляторы ===
'''Прозрачные керамические сцинтилляторы''' получают из [[Прозрачные керамические материалы|прозрачных керамических материалов]] на базе оксидов Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (Лукалокс), Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (Иттралокс) и производных оксидов Y<sub>3</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub> и YAlO<sub>3</sub>, а также MgO, BeO<ref>{{Cite web |url=http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/568.html |title=Обзорная статья про историю керамики |access-date=2009-03-11 |archive-date=2008-05-29 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080529032419/http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/568.html |deadlink=no }}</ref>.

== Органические сцинтилляторы ==
{| class="wikitable" style="float:right; margin-left:1em; clear:right"
 !
 !<math>\lambda_\max</math><br>эмиссии<br>[нм]
 !Время<br>высвечивания<br>[нс]
 !Световыход<br>(относительно NaI)
 |-
 | [[Нафталин]]
 |  {{center|348}}
 |  {{center|96}}
 |  {{center|0,12}}
 |-
 | [[Антрацен]]
 |  {{center|440}}
 |  {{center|30}}
 |  {{center|0,5}}
 |-
 | Паратерфенил
 |  {{center|440}}
 |  {{center|5}}
 |  {{center|0,25}}
 |}
Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух- или трёхкомпонентные смеси<ref>''[[Перкинс, Дональд Хилл|Перкинс Д.]]'' Введение в физику высоких энергий. — М., [[Мир (издательство)|Мир]], 1975. — с. 71—73</ref>. Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт возбуждения налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в [[ультрафиолет]]овом диапазоне [[Длина волны|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 [[Изотропия|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 [[поливинилтолуол]]а<ref>[http://www.detectors.saint-gobain.com/Data/Element/Node/Category/Category_edit.asp?ele_ch_id=C0000000000000001855&Lang=US характеристики сцитилляторных материалов BICRON] {{Wayback|url=http://www.detectors.saint-gobain.com/Data/Element/Node/Category/Category_edit.asp?ele_ch_id=C0000000000000001855&Lang=US |date=20081208053139 }}{{ref-en}}</ref><ref>[http://www.bicron.com Официальный сайт компании BICRON] {{Wayback|url=http://www.bicron.com/ |date=20080315054431 }}{{ref-en}}</ref>.

== 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.
{{дополнить раздел|дата=2014-03-26}}

== Жидкие сцинтилляторы ==
{{пустой раздел|дата=2014-03-26}}

== См. также ==
{{wiktionary|сцинтиллятор}}
* [[Кристаллы]]
* [[Лазер]]
* [[Керамика]]
* [[Прозрачные керамические материалы]]
* [[Оптические материалы]]
* [[Волновод]]

== Примечания ==
{{примечания}}

[[Категория:Сцинтилляторы|*]]
[[Категория:Радиобиология]]
[[Категория:Датчики]]