Оглавление
- 1 Сцинтиллятор
- 1.1 Сцинтилляторы и их свойства
- 1.2 История сцинтилляторов
- 1.3 Области применения сцинтилляторов
- 1.4 Свойства сцинтилляторов
- 1.5 Практический выбор сцинтилляторов
- 1.6 Устойчивость и эксплуатационные характеристики
- 1.7 Временные компоненты сцинтилляции
- 1.8 Типы сцинтилляторов
- 1.9 Стеклянные сцинтилляторы
- 1.10 Перовскитные сцинтилляторы
- 1.11 0D organic metal halide hybrid (OMHH)
- 1.12 Физика мерцания органических сцинтилляторов
- 1.13 Физика мерцания неорганических сцинтилляторов
- 1.14 Сцинтилляция в газах
- 1.15 Реакция на различные излучения
- 1.16 Характеристики сцинтилляторов
- 1.17 Применение сцинтилляторов
- 1.18 Электроны
- 1.19 Гамма-лучи
- 1.20 Нейтроны
- 1.21 Список неорганических сцинтилляторов
- 1.22 Полный текст статьи:
- 2 Сцинтиллятор
Сцинтиллятор
-
Сцинтилляторы и их свойства
- Сцинтилляторы проявляют сцинтилляцию при возбуждении ионизирующим излучением.
- Люминесцентные материалы поглощают энергию частиц и излучают свет.
- Сцинтилляционные детекторы используют ФЭУ для преобразования света в электрический импульс.
-
История сцинтилляторов
- Первое устройство с сцинтиллятором построено в 1903 году.
- В 1944 году Карран и Бейкер заменили невооруженный глаз на ФЭУ.
-
Области применения сцинтилляторов
- Используются в детекторах частиц, рентгеновской безопасности, ядерной медицине и других областях.
- Применяются в компьютерной томографии, газоразведке, люминесцентных лампах и нефтяной промышленности.
-
Свойства сцинтилляторов
- Высокая плотность, скорость работы, устойчивость к излучению и долговечность.
- Высокая светоотдача и быстрое время отклика важны для некоторых применений.
- Стоимость производства сцинтилляторов может быть высокой, но ведутся исследования для снижения себестоимости.
-
Практический выбор сцинтилляторов
- Светоотдача является наиболее важным свойством, влияющим на эффективность и разрешающую способность.
- Светоотдача зависит от типа частицы и её энергии.
- Линейность сцинтилляционных детекторов основана на пропорциональности светоотдачи и электрического импульса.
-
Устойчивость и эксплуатационные характеристики
- Устойчивость к высоким температурам и вибрации важна для разведки нефти.
- Светоотдача и время затухания зависят от температуры, но при комнатной температуре зависимость слабая.
- Для высоких температур и вибрации используются высокотемпературные ФЭУ.
-
Временные компоненты сцинтилляции
- Сцинтилляторы характеризуются двумя временными компонентами: быстрой и медленной.
- Быстрая составляющая обычно преобладает, а относительная амплитуда зависит от материала.
-
Типы сцинтилляторов
- Органические кристаллы: антрацен, стильбен, нафталин, долговечны, но анизотропны.
- Органические жидкости: фторы, растворители, добавки, высокая светоотдача.
- Пластиковые сцинтилляторы: полиэтиленнафталат, высокая светоотдача, быстрая передача сигнала.
- Неорганические кристаллы: NaI (Tl), CsI (Tl), BGO, BaF2, высокая светоотдача, гигроскопичность.
- Газовые сцинтилляторы: азот, гелий, аргон, криптон, ксенон, быстрый отклик.
- Стеклянные сцинтилляторы: активированные церием силикаты лития или бора, подходят для обнаружения тепловых нейтронов.
-
Стеклянные сцинтилляторы
- Чувствительны к электронам и γ-лучам
- Прочные и подходят для суровых условий
- Время отклика ≈10 нс, светоотдача ≈30% от антрацена
-
Перовскитные сцинтилляторы
- Органо-неорганические перовскиты из галогенида свинца
- Излучение при комнатной температуре подавляется, но при 10 К интенсивное
- Современные двумерные монокристаллы предпочтительнее
-
0D organic metal halide hybrid (OMHH)
- Высокая экситонная связь, фотолюминесцентная квантовая эффективность почти равна единице
- Высокая скорость нагрева и отсутствие реабсорбции
- Потенциальное применение в сцинтилляторах
-
Физика мерцания органических сцинтилляторов
- Переходы свободных валентных электронов
- Синглетные возбуждения затухают, триплетные распадаются
- Прозрачность обусловлена энергией фотона
-
Физика мерцания неорганических сцинтилляторов
- Электронная зонная структура кристаллов
- Экситоны блуждают по решетке, затем гаснут, испуская свет
- Примеси создают электронные уровни, дырки и электроны захватываются
-
Сцинтилляция в газах
- Ослабление возбуждения атомов при прохождении частицы
- Очень быстрый процесс: ≈1 нс
-
Реакция на различные излучения
- Тяжелые ионы снижают светоотдачу из-за высокой ионизирующей способности
-
Характеристики сцинтилляторов
- Высокая останавливающая способность частиц уменьшает количество быстрой составляющей, увеличивая время простоя детектора.
- Нелинейности в характеристиках детектора сильнее при низких энергиях.
- Органические материалы имеют более низкую светоотдачу, чем неорганические кристаллы.
-
Применение сцинтилляторов
- Органические материалы подходят для обнаружения бета-частиц с низкой энергией.
- Неорганические кристаллы лучше для обнаружения гамма-лучей и нейтронов.
-
Электроны
- Эффективность обнаружения электронов у большинства сцинтилляторов составляет 100%.
- Электроны могут рассеиваться под большим углом, что снижает их эффективность.
- Органические сцинтилляторы лучше подходят для бета-частиц с низкой энергией.
-
Гамма-лучи
- Материалы с высоким Z лучше подходят для обнаружения гамма-лучей.
- Гамма-лучи взаимодействуют с веществом через фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар.
- Материалы с высоким Z благоприятствуют фотоэффекту и образованию пар.
-
Нейтроны
- Нейтроны не ионизируют сцинтилляционный материал, а передают энергию атомному ядру.
- Быстрые нейтроны образуются за счет отдачи протона, медленные — за счет ядерных реакций.
- Материалы, богатые водородом, подходят для обнаружения быстрых нейтронов, LiI (Eu) и стеклосиликаты — для медленных.
-
Список неорганических сцинтилляторов
- BaF2: быстрый и медленный компоненты, используется для быстрого определения времени.
- BGO: высокая останавливающая способность, низкий оптический выход, используется в детекторах совпадений.
- CdWO4: высокая плотность, длительное время затухания, используется для обнаружения рентгеновских лучей.
- CaF2 (Eu): низкое обратное рассеяние, подходит для обнаружения β-частиц.
- CaWO4: длительное время затухания, коротковолновое излучение, используется в двухщелочных ФЭУ.
- CsI: короткое время затухания, низкая светоотдача при комнатной температуре.
- CsI(Na): сравним по светоотдаче с NaI(Tl), гигроскопичен.
- CsI (Tl): высокая светоотдача, незначительная гигроскопичность.
- GaAs: криогенный полупроводниковый сцинтиллятор, высокая светоотдача в инфракрасном диапазоне.
- Gd2O2S: высокая останавливающая способность, хорошая светоотдача.
- LaBr3 (Ce): высокая светоотдача, стабильна в широком диапазоне температур.
- LaCl3 (Ce): быстрый, высокая светоотдача, гигроскопичен.
- PbWO4: высокая тормозная способность, подходит для обнаружения гамма-излучения.
- LuI3: высокая светоотдача, используется в позитронно-эмиссионной томографии.
- LSO: высокая светоотдача, собственный фон при бета-распаде.
- LYSO: высокая светоотдача, негигроскопичен.
- NaI (Tl): наиболее широко используемый сцинтиллятор, гигроскопичен.
- YAG (Ce): негигроскопичен, высокая эффективность преобразования электронов.
- ZnS (Ag): используется в тонких экранах для обнаружения α-частиц.
- ZnWO4: аналогичен CdWO4, длительная постоянная затухания.