Сцинтилляторлар: Ионизациялық сәулеленумен қоздырылатын жарқырағыш материалдар

Сцинтилляторлар – ионизациялық сәулеленумен қозғанда жарық шығаратын материалдар. Сцинтилляция, люминесценция, радиацияны анықтау туралы біліңіз.

21 мин оқу

100%

Дереккөз: Scintillator — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Иондаушы сәулеленумен қоздырылғанда жарқыратын материал. Сцинтиллятор (/'sɪnɪtɪlɪtər/ SINtilayter) – иондаушы сәулеленумен қоздырылғанда люминесценция қасиетін танытатын материал. Люминесцентті материалдар келіп түсетін бөлшектің әсерінен оның энергиясын сіңіріп алып, сцинтилляция жасайды (яғни сіңірілген энергияны жарық түрінде қайта шығарады). Кейде қозу күйі метастабильді болады, сондықтан қозу күйінен төменгі күйге демалу кешіктіріледі (материалға байланысты бірнеше наносекундтан сағаттарға дейін созылуы мүмкін). Бұл процесс екі құбылыстың біріне сәйкес келеді: кешіктірілген флуоресценция немесе фосфоресценция. Сәйкестік ауысу түріне және осыған байланысты шығарылатын оптикалық фотонның толқын ұзындығына байланысты.

Жұмыс істеу принципі

Сцинтилляторды фотокөбейтуші түтік (ФКТ), фотодиод немесе кремний фотокөбейтуші сияқты электрондық жарық сенсорымен байланыстырғанда сцинтиллятор детекторы немесе сцинтилляция санауышы алынады. ФКТ сцинтиллятордан шыққан жарықты сіңіріп алып, фотоэлектрлік эффект арқылы оны электрондар түрінде қайта шығарады. Бұл электрондардың (кейде фотоэлектрон деп аталады) кейінгі көбейтілуі электр импульсін тудырады, оны талдау арқылы сцинтилляторға алғашқыда тиген бөлшек туралы мағыналы ақпарат алуға болады. Вакуумдық фотодиодтар ұқсас, бірақ сигналды күшейте алмайды, ал кремний фотодиодтары керісінше, кремнийдегі заряд тасымалдаушыларын қозу арқылы келіп түскен фотондарды анықтайды. Кремний фотокөбейтушілер фотодиодтар массивінен тұрады, олар лавиналық режимде жұмыс істеу үшін жеткілікті кернеумен кері бұрмаланып, массивінің әрбір пикселінің жеке фотондарға сезімтал болуын қамтамасыз етеді.

Тарих

1903 жылы сэр Уильям Крукс алғашқы сцинтилляторды пайдаланған құрылғыны жасады, ол ZnS экранын қолданды. Экраннан шыққан сцинтилляциялар қараңғы бөлмеде микроскоп арқылы қарағанда жалаңаш көзбен көрінетін; бұл құрылғы спинтарископ деп аталды. Бұл техника бірқатар маңызды жаңалықтарға жол ашты, бірақ, әрине, көп уақыт алатын еді. 1944 жылы Курран мен Бейкер жалаңаш көзбен өлшеуді жаңадан дамытылған ФЭП (фотоэлектрондық көбейтілгіш) арқылы алмастырғанда сцинтилляторларға ерекше назар аударылды. Осылай қазіргі сцинтилляция детекторы дүниеге келді.

Сцинтилляторларға арналған қолданбалар

Америка үкіметі сцинтилляторларды ішкі қауіпсіздікке арналған радиациялық детекторы ретінде пайдаланады. Сцинтилляторларды бөлшектік детекторыларда, жаңа энергия көздерін іздеуде, рентгендік қауіпсіздікте, ядролық камераларда, компьютерлік томографияда және газды барлауда да қолдануға болады. Сцинтилляторлардың басқа да қолданылуларына медициналық диагностикадағы КТ сканерлері мен гамма-камералар, сондай-ақ ескі үлгідегі ЭЛТ компьютерлік мониторлар мен теледидарлардың экрандары жатады. Сцинтилляторлар гамма сәулесінің энергиясын фотоэлектрлік эффект арқылы қолданудың теориялық үлгілерінің құрамына, мысалы, ядролық батареяда енгізілген. Сцинтилляторды фотокөбейтуші түтікпен бірге қолдану радиоактивті ластануды анықтау және өлшеу, сондай-ақ ядролық материалды бақылауға арналған қолмен ұсталатын өлшегіштерде кеңінен қолданылады. Сцинтилляторлар флюоресценттік шамдарда жарық тудырады, ультракүлгін сәулені көрінетін жарыққа айналдырады. Сцинтилляциялық детекторылар мұнай өнеркәсібінде гамма-сәулелік каротажға арналған детекторы ретінде де қолданылады.

Сцинтилляторлардың қасиеттері

Сцинтилляторлардың көптеген қажетті қасиеттері бар, мысалы, жоғары тығыздық, жылдам жұмыс жылдамдығы, төмен құн, сәулеленуге төзімділік, өндіріс мүмкіндігі және жұмыс параметрінің тұрақтылығы. Жоғары тығыздық жоғары энергиялы γ кванттары мен электрондары үшін душ өлшемдерінің материалдық өлшемдерін азайтады. Төмен энергиялы γ-сәулелері үшін Комптон шашыраған фотондарының диапазоны да жоғары тығыздықтағы материалдар арқылы азаяды. Бұл детектордың жоғары сегментациясына және жақсы кеңістіктік ажыратымдылыққа әкеледі. Әдетте, жоғары тығыздықтағы материалдардың кристалдық торында ауыр иондар болады (мысалы, қорғасын, кадмий), бұл фотоэлектрлік әсердің үлесін едәуір арттырады (~Z4). Артық фотофракция позитрон-эмиссиялық томография сияқты кейбір қолданулар үшін маңызды. Иондаушы сәулеленудің электромагниттік компоненті үшін жоғары тоқтату күші үлкен фотофракцияны қажет етеді, бұл ықшам детектор құруға мүмкіндік береді. Жоғары жұмыс жылдамдығы спектрлердің жақсы ажыратылуы үшін қажет. Сцинтилляциялық детектормен уақыт өлшеудің дәлдігі пропорционалды. Ыдырау уақытының қысқа болуы уақыт аралықтарын өлшеу және жылдам сәйкестік схемаларында жұмыс істеу үшін маңызды. Жоғары тығыздық және жылдам жауап беру уақыты бөлшектер физикасында сирек оқиғаларды анықтауға мүмкіндік береді. Сцинтиллятордың материалына депонирленген бөлшектердің энергиясы сцинтиллятордың жауабына пропорционалды. Зарядталған бөлшектер, γ кванттары және иондар олардың жауабын өлшегенде әртүрлі еңістерге ие. Осылайша, сцинтилляторларды әртүрлі типтегі γ кванттарын және қоспалы сәулелену ағынындағы бөлшектерді анықтау үшін қолдануға болады. Сцинтилляторларды өндіру құны да маңызды. Көптеген кристалл сцинтилляторларға жоғары тазалықтағы химиялық заттар және кейде өте қымбат сирек металдар қажет. Материалдар ғана емес, көптеген кристалдарға қымбат пештер және шамамен алты ай өсіру және талдау уақыты қажет. Қазіргі уақытта өндіріс құнын төмендету үшін басқа сцинтилляторлар зерттелуде. Жақсы детектор сцинтилляторында басқа да бірнеше қасиеттер қажет: төмен гамма шығысы (яғни, түсетін сәулеленудің энергиясын сцинтилляциялық фотондарға айналдырудың жоғары тиімділігі), өзінің сцинтилляциялық жарығына мөлдірлік (жақсы жарық жинау үшін), зерттелетін сәулеленуді тиімді анықтау, жоғары тоқтату күші, энергияның кең диапазонында жақсы сызықтық, жылдам уақытты өлшеуге арналған қысқа көтерілу уақыты (мысалы, сәйкестік өлшеулер), детектордың өлі уақытын азайту және жоғары оқиғалар жиілігін қамтамасыз ету үшін қысқа ыдырау уақыты, қолданыстағы ПМТ-ның спектрлік сезімталдығына сәйкес келетін спектрлік диапазонда эмиссия (бірақ толқын ұзындығын өзгертушілер кейде қолданылуы мүмкін), PMT терезесіне оптималды жұптастыруға мүмкіндік беретін шыныға жақын (≈1.5) сындыру көрсеткіші. Мұнай барлау сияқты қолдануларда тербеліске және жоғары температураға төзімділік, беріктік және жақсы мінез-құлық қажет болуы мүмкін. Сцинтиллятор материалының практикалық таңдауы әдетте берілген қолдануға ең жақсы сәйкес келетін қасиеттер арасындағы компромисс болып табылады. Жоғарыда аталған қасиеттердің ішінде жарық шығару ең маңыздысы, өйткені ол детектордың тиімділігіне де, ажыратымдылығына да әсер етеді (тиімділік - детекторға түсетін барлық бөлшектердің жалпы санына анықталған бөлшектердің қатынасы; энергиялық ажыратымдылық - берілген энергия шыңының жартылай енінің шың орнына қатынасы, әдетте %-та көрсетіледі). Жарық шығару түсетін бөлшектің немесе фотонның түрі мен энергиясының маңызды функциясы болып табылады, сондықтан белгілі бір қолдану үшін қолданылатын сцинтилляциялық материалдың түрін анықтайды. Жарық сөндіру әсерінің болуы жарық шығарудың төмендеуіне әкеледі (яғни сцинтилляция тиімділігінің төмендеуі). Сөндіру - сәулеленусіз деэкцитация процестерінің барлығы, онда қозу негізінен жылуға айналады. Детектордың жалпы сигнал шығару тиімділігі сонымен қатар ПМТ-ның кванттық тиімділігіне (әдетте шыңда ~30%) және жарық беру мен жинау тиімділігіне (бұл сцинтилляторды және жарық бағыттағыштарды жабатын рефлектор материалының түріне, жарық бағыттағыштардың ұзындығы/пішініне, жарық сіңіруіне және т.б.) байланысты. Жарық шығару жиналған энергияның кев-іне шаққандағы сцинтилляциялық фотондардың саны ретінде көбінесе өлшенеді. Типтік мәндер (егер түсетін бөлшек электрон болса): NaI(Tl) үшін ≈40 фотон/кев, пластикалық сцинтилляторлар үшін ~10 фотон/кев және висмут германаты (BGO) үшін ~8 фотон/кев. Сцинтилляциялық детекторлар әдетте сызықты деп есептеледі. Бұл болжам екі талапқа негізделген: (1) сцинтиллятордың жарық шығаруы түсетін сәулеленудің энергиясына пропорционалды; (2) фотокөбейту түтігінен шығатын электрлік импульс шығарылған сцинтилляциялық жарыққа пропорционалды. Сызықтылық болжамы көбінесе жақсы жуықтама болып табылады, бірақ ауытқулар болуы мүмкін (әсіресе төмен энергияда протоннан ауыр бөлшектер үшін). Мұнай барлау сияқты қолдануларда температураға, жоғары тербеліс ортасында төзімділік және жақсы мінез-құлық өте маңызды. Көптеген сцинтилляторлар үшін жарық шығару және сцинтилляция ыдырау уақыты температураға байланысты. Бұл тәуелділік әдетте бөлме температурасында қолдану үшін әлсіз болғандықтан көбінесе ескерілмейді. Температураға тәуелділік органикалық сцинтилляторлар үшін NaI Tl немесе BGO сияқты бейорганикалық кристалдарға қарағанда әлсіз. BGO сцинтилляторындағы ыдырау уақытының температураға күшті тәуелділігі вакуум ортасында температураны қашықтан бақылау үшін қолданылады. Жұптастырылған ПМТ-лар да температураға сезімтал және механикалық соққыға ұшыраған жағдайда зақымдануы мүмкін. Сондықтан, жоғары температурада, жоғары тербеліс қолданулары үшін жоғары температураға төзімді ПМТ-лар қолданылуы керек. Бір сцинтилляциялық оқиғада шығарылған сцинтилляциялық фотондардың саны N-дің уақыт бойынша өзгеруін көбінесе бір немесе екі экспоненциалды ыдыраудың сызықтық суперпозициясы сипаттай алады. Екі ыдырау үшін бізде мына форма бар:

There are many desired properties of scintillators, such as high density, fast operation speed, low cost, radiation hardness, production capability, and durability of operational parameters. High density reduces the material size of showers for high energy γ quanta and electrons. The range of Compton scattered photons for lower energy γ rays is also decreased via high density materials. This results in high segmentation of the detector and leads to better spatial resolution. Usually high density materials have heavy ions in the lattice (e. g., lead, cadmium), significantly increasing the contribution of photoelectric effect (~Z4). The increased photo fraction is important for some applications such as positron emission tomography. High stopping power for electromagnetic component of the ionizing radiation needs greater photo fraction; this allows for a compact detector. High operating speed is needed for good resolution of spectra. Precision of time measurement with a scintillation detector is proportional to Short decay times are important for the measurement of time intervals and for the operation in fast coincidence circuits. High density and fast response time can allow detection of rare events in particle physics. Particle energy deposited in the material of a scintillator is proportional to the scintillator's response. Charged particles, γ quanta and ions have different slopes when their response is measured. Thus, scintillators could be used to identify various types of γ quanta and particles in fluxes of mixed radiation. Another consideration of scintillators is the cost of producing them. Most crystal scintillators require high purity chemicals and sometimes rare earth metals that are fairly expensive. Not only are the materials an expenditure, but many crystals require expensive furnaces and almost six months of growth and analyzing time. Currently, other scintillators are being researched for reduced production cost. Several other properties are also desirable in a good detector scintillator: a low gamma output (i. e., a high efficiency for converting the energy of incident radiation into scintillation photons), transparency to its own scintillation light (for good light collection), efficient detection of the radiation being studied, a high stopping power, good linearity over a wide range of energy, a short rise time for fast timing applications (e. g., coincidence measurements), a short decay time to reduce detector dead time and accommodate high event rates, emission in a spectral range matching the spectral sensitivity of existing PMTs (although wavelength shifters can sometimes be used), an index of refraction near that of glass (≈1.5) to allow optimum coupling to the PMT window. Ruggedness and good behavior under high temperature may be desirable where resistance to vibration and high temperature is necessary (e. g., oil exploration). The practical choice of a scintillator material is usually a compromise among those properties to best fit a given application. Among the properties listed above, the light output is the most important, as it affects both the efficiency and the resolution of the detector (the efficiency is the ratio of detected particles to the total number of particles impinging upon the detector; the energy resolution is the ratio of the full width at half maximum of a given energy peak to the peak position, usually expressed in %). The light output is a strong function of the type of incident particle or photon and of its energy, which therefore strongly influences the type of scintillation material to be used for a particular application. The presence of quenching effects results in reduced light output (i. e., reduced scintillation efficiency). Quenching refers to all radiationless deexcitation processes in which the excitation is degraded mainly to heat. The overall signal production efficiency of the detector, however, also depends on the quantum efficiency of the PMT (typically ~30% at peak), and on the efficiency of light transmission and collection (which depends on the type of reflector material covering the scintillator and light guides, the length/shape of the light guides, any light absorption, etc.). The light output is often quantified as a number of scintillation photons produced per keV of deposited energy. Typical numbers are (when the incident particle is an electron): ≈40 photons/keV for NaI(Tl), ~10 photons/keV for plastic scintillators, and ~8 photons/keV for bismuth germanate (BGO). Scintillation detectors are generally assumed to be linear. This assumption is based on two requirements: (1) that the light output of the scintillator is proportional to the energy of the incident radiation; (2) that the electrical pulse produced by the photomultiplier tube is proportional to the emitted scintillation light. The linearity assumption is usually a good rough approximation, although deviations can occur (especially pronounced for particles heavier than the proton at low energies). Resistance and good behavior under high temperature, high vibration environments is especially important for applications such as oil exploration (wireline logging, measurement while drilling). For most scintillators, light output and scintillation decay time depends on the temperature. This dependence can largely be ignored for room temperature applications since it is usually weak. The dependence on the temperature is also weaker for organic scintillators than it is for inorganic crystals, such as NaI Tl or BGO. Strong dependence of decay time on the temperature in BGO scintillator is used for remote monitoring of temperature in vacuum environment. The coupled PMTs also exhibit temperature sensitivity, and can be damaged if submitted to mechanical shock. Hence, high temperature rugged PMTs should be used for high temperature, high vibration applications. The time evolution of the number of emitted scintillation photons N in a single scintillation event can often be described by linear superposition of one or two exponential decays. For two decays, we have the form:

мұнда τf және τs - жылдам (немесе жедел) және баяу (немесе кешіктірілген) ыдырау тұрақтылары. Көптеген сцинтилляторлар 2 уақыт компоненттерімен сипатталады: біреуі жылдам (немесе жедел), екіншісі баяу (немесе кешіктірілген). Жылдам компонент әдетте басым болса да, екі компоненттің салыстырмалы амплитудасы A және B сцинтилляциялық материалға байланысты. Бұл екі компонент те энергия жоғалту dE/dx функциясы болуы мүмкін. Бұл энергия жоғалту тәуелділігі күшті болған жағдайларда, жалпы ыдырау уақыты тұрақтысы түсетін бөлшектің түріне байланысты өзгереді. Мұндай сцинтилляторлар импульстің пішінін ажыратуға мүмкіндік береді, яғни ПМТ электрлік импульсінің ыдырау сипаттамаларына негізделген бөлшектерді анықтау. Мысалы, BaF2 қолданылғанда, γ-сәулелер әдетте жылдам компонентті қоздырады, ал α бөлшектері баяу компонентті қоздырады: осылайша, оларды ПМТ сигналының ыдырау уақыты бойынша анықтауға болады.

Органикалық кристалдар

Органикалық сцинтилляторлар – әртүрлі тәсілдермен байланысқан бензол сақиналы құрылымдарды қамтитын, хош иісті көмірсутектер. Олардың люминесценциясы әдетте бірнеше наносекунд ішінде азаяды. Кейбір органикалық сцинтилляторлар таза кристалдар болып табылады. Ең көп қолданылатындары – антрацен (ыдырау уақыты ≈30 нс), стильбен (4,5 нс ыдырау уақыты) және нафтален (бірнеше нс ыдырау уақыты). Олар өте төзімді, бірақ олардың жауабы анизотропты (бұл бағытталмаған көз болғанда энергияны ажырату мүмкіндігін нашарлатады), оларды өңдеу қиын, сондай-ақ үлкен өлшемде өсіруге болмайды; сондықтан олар көбінесе қолданылмайды. Антрацен – барлық органикалық сцинтилляторлардың арасында ең көп жарық шығаратындықтан, ол эталон ретінде таңдалады: басқа сцинтилляторлардың жарық шығару қабілеті кейде антраценнің жарық шығару шамасының процентінде беріледі.

Органикалық сұйықтықтар

Олар органикалық еріткіштегі бір немесе бірнеше органикалық сцинтилляторлардың сұйық ерітінділері. Типтік еріген заттар – фторлар, мысалы, p-терфенил, ПБД, бутил ПБД, ППО және толқын ұзындығын өзгертуші, мысалы, ПОПОП. Көбінесе қолданылатын еріткіштер – толуол, ксилен, бензол, фенилциклогексан, триэтилбензол және декалин. Сұйық сцинтилляторларды белгілі бір фотоэлектрондық көбейтілгіштің (ФЭК) спектрлік сезімталдық диапазонына сәйкес келу үшін толқын ұзындығын өзгертушілер сияқты басқа да қоспалармен немесе сцинтилляциялық санау құралының нейтрондарды анықтау тиімділігін арттыру үшін 10B (өйткені 10B жылулық нейтрондармен жоғары өзара әрекеттесу қимасына ие) жүктеу оңай. Жаңа тәсілдер бірнеше еріткіштерді біріктіруді немесе әртүрлі металдарды жүктеуді қамтиды. Көптеген сұйықтықтар үшін еріген оттегі сөндіргіш ретінде әрекет ете алады және жарық шығаруды төмендетуі мүмкін, сондықтан ерітіндіні оттегізсіз, герметикалық жабық кеңістікте сақтау қажет.

Пластмассадан жасалған сцинтилляторлар

"Пластикалық сцинтиллятор" термині әдетте сцинтилляциялық материалды білдіреді, онда негізгі флуоресценттік эмитер, фтор деп аталады, қатты полимерлік матрицада таратылады. Бұл комбинация көбінесе фтордың ірі көлемде полимерлендіруге дейін ерітілуі арқылы қол жеткізіледі, бірақ кейде фтор полимермен тікелей ковалентті байланыс арқылы немесе координациялық байланыс арқылы, мысалы, көптеген Li6 пластикалық сцинтилляторларында болатындай, байланыстырылады. Полиэтилен нафталаты ешқандай қоспасыз өзінен-өзі сцинтилляция көрсетеді және жоғары өнімділігі мен төмен бағасының арқасында қазіргі пластикалық сцинтилляторларды ығыстыруы күтілуде. Пластикалық сцинтилляторлардың артықшылықтарына жарық шығарудың салыстырмалы түрде жоғары деңгейі және шапшаң сигнал жатады, оның ыдырау уақыты 2–4 наносекунд құрайды, бірақ бәлкім, пластикалық сцинтилляторлардың ең маңызды артықшылығы – оларды қалыптар немесе басқа да тәсілдерді пайдалану арқылы кез келген қалаған пішінге келтіру мүмкіндігі, көбінесе жоғары беріктікпен. Пластикалық сцинтилляторлар энергия тығыздығы жоғары болғанда жарық шығарудың қанығуына бейім (Биркс заңы).

Негізгі

Пластикалық сцинтилляторларда ең көп қолданылатын негіздер – ароматты пластмассалар, полимерлік тізбектегі аспалы топтар ретінде ароматты сақиналары бар полимерлер, олардың ішінде поливинилтолуен (ПВТ) және полистирол (ПС) ең танымал. Негіз иондаушы сәулеленудің әсерінен флуоресценцияға түссе де, оның төмен шығымдылығы және өзінің сәулеленуіне мөлдірлігінің аз болуы практикалық сцинтиллятор жасау үшін фторларды қажет етеді. Ароматты пластмассалардан басқа, ең көп таралған негіз – полиметилметакрилат (PMMA), ол көптеген басқа негіздерге қарағанда екі артықшылыққа ие: жоғары ультракүлгін және көрінетін жарыққа мөлдірлік, жақсы механикалық қасиеттер және сынуға төзімділік. PMMA-ның флуоресценцияға ие болмауы көбінесе ароматты қосымша еріткіш, әдетте нафталин қосу арқылы толықтырылады. Осылайша, PMMA негізіндегі пластикалық сцинтиллятор өзінің сәулеленуіне мөлдір болып, жарықтың біркелкі жиналуын қамтамасыз етуге көмектеседі. Басқа да кең таралған негіздерге поливинилксилен (PVX), полиметил, 2,4-диметил, 2,4,5-триметил стирендер, поливинилдифенил, поливинилнафталин, поливинилтетрагидронафталин және осылар мен басқа негіздердің сополимерлері жатады.

Фторлар

Луминофорлар деп те аталатын бұл қосылыстар негіздің сцинтилляциясын сіңіріп, содан кейін ұзын толқынды жарық шығарады, нәтижесінде негіздің ультракүлгін сәулесі көбірек таралатын көзге көрінетін жарыққа айналады. Сәуле жұтылу ұзындығын одан әрі арттыру үшін екінші фтор қосылады, ол спектр өзгертуші немесе түрлендіргіш деп аталады, көбінесе көк немесе жасыл жарық шығарады. Көп қолданылатын фторларға полифенил көмірсутектері, оксазол және оксадиазол арилдері жатады, әсіресе n-терфенил (PPP), 2,5-дифенилоксазол (PPO), 1,4-ди(5-фенил-2-оксазолил)бензол (POPOP), 2-фенил-5-(4-бифенил)-1,3,4-оксадиазол (PBD) және 2-(4'-трет-бутилфенил)-5-(4''-бифенил)-1,3,4-оксадиазол (B PBD).

Органикалық емес кристалдар

Органикалық емес сцинтилляторлар әдетте жоғары температуралық пештерде өсірілген кристалдар, мысалы, сілті металдарының галоидтары, көбінесе аз мөлшерде активатор қоспасымен. Ең көп қолданылатыны – NaI(Tl) (талиймен легирленген натрий йодиді); оның сцинтилляциялық жарығы көк түсті. Басқа да органикалық емес сілті металдарының галоид кристалдары: CsI(Tl), CsI(Na), (таза), , KI(Tl), LiI(Eu). Кейбір сілті емес кристалдар: BGO, BaF2, , ZnS(Ag), , , , GSO, LSO. (Қосымша мысалдар үшін фосфорларға да қараңыз). Жақында әзірленген өнімдерге цериймен легирленген , лантан хлориді, сондай-ақ цериймен легирленген лантан бромиді жатады. Олар екеуі де өте гигроскопиялық (яғни, ауадағы ылғалға ұшырағанда зақымдалады), бірақ жарық шығару және энергия ажыратымдылығы бойынша өте жақсы көрсеткіштер береді (63 фотон/кэВ γ NaI(Tl) үшін 38 фотон/кэВ γ үшін), жылдам жауап (16 нс NaI(Tl) үшін 230 нс үшін), тамаша сызықтық және температураның кең диапазонында өте тұрақты жарық шығару. Сонымен қатар, LaBr3(Ce) γ сәулелерін тоқтатудың жоғары қабілетін ұсынады (нақтылығы 5,08 г/см3 NaI(Tl) үшін 3,67 г/см3 қарсы). LYSO тығыздығы жоғары (7,1 г/см3, BGO-мен салыстырылады), гигроскопиялық емес және жарық шығаруы BGO-дан жоғары (32 фотон/кэВ γ), сонымен қатар өте жылдам (41 нс ыдырау уақыты BGO үшін 300 нс). Кейбір органикалық емес кристалдардың, мысалы, NaI-дің кемшілігі – олардың гигроскопиялық қасиеттері, оларды ылғалдан қорғау үшін герметикалық контейнерде сақтауды талап етеді. және BaF2 аздап гигроскопиялық және әдетте қорғауды қажет етпейді. CsF, NaI(Tl), , гигроскопиялық, ал BGO, , , және гигроскопиялық емес. Органикалық емес кристалдарды кішкентай өлшемге кесіп, орналасу сезімталдығын қамтамасыз ету үшін массивтік конфигурацияға орналастыруға болады. Мұндай массивтер көбінесе медициналық физикада немесе қауіпсіздік саласында рентген немесе γ сәулелерін анықтау үшін қолданылады: жоғары Z және жоғары тығыздықты материалдар (мысалы, LYSO, BGO) осы қолданулар үшін әдетте артықшылыққа ие. Органикалық емес кристалдардағы сцинтилляция әдетте органикалық кристалдардағыдан баяу болады, ZnO(Ga) үшін 1,48 нс-ден 9000 нс-ге дейін ауытқиды. Бейнелеу қолданулары үшін органикалық емес кристалдардың бір артықшылығы – өте жоғары жарық шығару. 662 кэВ энергияда 100 000 фотон/МэВ-тан жоғары жарық шығаруға ие кейбір сцинтилляторлар жақында , , және үшін хабарланды. Көптеген жартылай өткізгіш сцинтиллятор фосфорлары белгілі, мысалы ZnS(Ag) (тарихи бөлімде айтылған), CdS(Ag), ZnO(Zn), ZnO(Ga), CdS(In), ZnSe(O) және ZnTe(O), бірақ олардың ешқайсысы жеке кристалдар түрінде қол жетімді емес. CdS(Te) және ZnSe(Te) жеке кристалдар түрінде коммерциялық түрде қол жетімді болды, бірақ олардың люминесценциясы бөлме температурасында жартылай сөндіріледі. GaAs(Si,B) – жақында ашылған криогенді жартылай өткізгіш сцинтилляторы, инфрақызыл сәуледе жоғары жарық шығаруға ие және кейбір жағдайда кейінгі жарқырау байқалмайды. Өте төмен шулы криогенді фотодетекторлармен бірге ол сирек кездесетін, қара материямен өзара әрекеттесетін төмен энергиялы электрондық қоздырғыштарды анықтауға арналған эксперименттерде мақсат болып табылады.

Inorganic scintillators are usually crystals grown in high temperature furnaces, for example, alkali metal halides, often with a small amount of activator impurity. The most widely used is NaI(Tl) (thallium doped sodium iodide); its scintillation light is blue. Other inorganic alkali halide crystals are: CsI(Tl), CsI(Na), (pure), , KI(Tl), LiI(Eu). Some non alkali crystals include: BGO, BaF2, , ZnS(Ag), , , , GSO, LSO. (For more examples, see also phosphors). Newly developed products include , lanthanum chloride doped with cerium, as well as a cerium doped lanthanum bromide, They are both very hygroscopic (i. e., damaged when exposed to moisture in the air) but offer excellent light output and energy resolution (63 photons/keV γ for versus 38 photons/keV γ for NaI(Tl)), a fast response (16 ns for versus 230 ns for NaI(Tl)), excellent linearity, and a very stable light output over a wide range of temperatures. In addition LaBr3(Ce) offers a higher stopping power for γ rays (density of 5.08 g/cm3 versus 3.67 g/cm3 for NaI(Tl)). LYSO has an even higher density (7.1 g/cm3, comparable to BGO), is non hygroscopic, and has a higher light output than BGO (32 photons/keV γ), in addition to being rather fast (41 ns decay time versus 300 ns for BGO). A disadvantage of some inorganic crystals, e. g., NaI, is their hygroscopicity, a property which requires them to be housed in an airtight container to protect them from moisture. and BaF2 are only slightly hygroscopic and do not usually need protection. CsF, NaI(Tl), , are hygroscopic, while BGO, , , and are not. Inorganic crystals can be cut to small sizes and arranged in an array configuration so as to provide position sensitivity. Such arrays are often used in medical physics or security applications to detect X rays or γ rays: high Z, high density materials (e. g. LYSO, BGO) are typically preferred for this type of applications. Scintillation in inorganic crystals is typically slower than in organic ones, ranging typically from 1.48 ns for ZnO(Ga) to 9000 ns for Exceptions are (~5 ns), fast BaF2 (0.7 ns; the slow component is at 630 ns), as well as the newer products (, 28 ns; , 16 ns; , 41 ns). For the imaging application, one of the advantage of inorganic crystals is very high light yield. Some high light yield scintillators above 100,000 photons/MeV at 662 keV are very recently reported for , , and
Many semiconductor scintillator phosphors are known, such as ZnS(Ag) (mentioned in the history section), CdS(Ag), ZnO(Zn), ZnO(Ga), CdS(In), ZnSe(O), and ZnTe(O), but none of these are available as single crystals. CdS(Te) and ZnSe(Te) have been commercially available in single crystal form, but their luminosity is partially quenched at room temperature. GaAs(Si,B) is a recently discovered cryogenic semiconductor scintillator with high light output in the infra red and apparently no afterglow. In combination with ultra low noise cryogenic photodetectors it is the target in experiments to detect rare, low energy electronic excitations from interacting dark matter.

Газдық сцинтилляторлар

Газды сцинтилляторлар азоттан және гелий, аргон, криптон және ксенон сияқты инертті газдардан тұрады, гелий мен ксенонға ерекше назар беріледі. Сцинтилляция процесі кіріп келе жатқан бөлшектің өтуінен қозған жеке атомдардың деқозуынан туындайды. Бұл деқозу өте жылдам (~1 нс) болып өтеді, сондықтан детектордың реакциясы да жылдам. Көбінесе, контейнер қабырғаларын толқын ұзындығын өзгертушімен жабу қажет, себебі бұл газдар әдетте ультракүлгін сәуле шығарады, ал фотоэлектрондық көбейтілгіштер (ФЭК) көк-жасыл спектр аймағына жақсырақ сезімтал. Ядролық физикада газ детекторлары бөліну фрагменттерін немесе ауыр зарядталған бөлшектерді анықтау үшін қолданылады.

Көшелектер

Ең көп таралған шыны сцинтилляторлар цериймен белсендірілген литий немесе бор силикаттары болып табылады. Литий мен бордың нейтрондарды ұстау қимасы үлкен болғандықтан, шыны детекторлар жылулық (баяу) нейтрондарды анықтауға ерекше қолайлы. Литий, нейтронды ұстағанда көбірек энергия бөліп, нәтижесінде жарық шығаруы жоғарырақ болғандықтан, бордан гөрі кеңінен қолданылады. Дегенмен, шыны сцинтилляторлары электрондар мен γ сәулелеріне де сезімтал (бөлшектерді анықтау үшін импульс биіктігі бойынша ажырату қолданылуы мүмкін). Өте берік болғандықтан, олар қатал қоршаған орта жағдайларына да жақсы бейімделеді. Олардың реакция уақыты ≈10 нс, бірақ жарық шығаруы төмен, әдетте антраценнің ≈30% құрайды.

Ерітінді негіздегі перовскит сцинтилляторлары

Протондық сәулелендіру кезінде органикалық-органикалық емес метиламоний (МА) қорғасын галид перовскиттерінің сцинтилляциялық қасиеттері алғаш рет 2002 жылы Shibuya және авторлар тобымен хабарланды, ал әлсіз энергиялық ажыратымдылығы бар бірінші γ-сәуле импульсі биіктігі спектрі 2008 жылы ван Эйк және авторлар тобымен жарияланды. Birowosuto және авторлар тобы рентгендік сәулелендіру арқылы 3D және 2D қабатты перовскиттердің сцинтилляциялық қасиеттерін зерттеді. MAPbBr3 550 нм-де, ал MAPbI3 750 нм-де сәуле шығарады, бұл қосылыстардың тыйым салынған жолағындағы экситондық сәулелендіруге байланысты. Осы бірінші буын Pb галид перовскиттерінде бөлме температурасында эмиссия күрт өшеді және 1000 ph/MeV-тан аз мөлшерде сақталады. Дегенмен, 10 K температурада қарқынды эмиссия байқалады және 200 000 ph/MeV-қа дейін шығымдылық туралы мәліметтер келтіріледі. Өшудің себебі – экситонның шағын электрон-тесік байланыс энергиясы, ол Cl-дан Br-ға, содан кейін I-ға дейін төмендейді. Қызығы, органикалық MA тобын Cs+ ионымен алмастырып, толық органикалық емес CsPbX3 галид перовскиттерін алуға болады. Cl, Br, I мазмұнына байланысты, триплеттік рентгендік сәулелендірумен қоздырылған экситон эмиссиясын 430 нм-ден 700 нм-ге дейін реттеуге болады. Сондай-ақ, Cs-ті Rb-мен сұйылту арқылы ұқсас реттеуге қол жеткізуге болады. Жоғарыда аталған жаңа зерттеулер органикалық-органикалық емес және толық органикалық емес Pb галид перовскиттерінің әртүрлі қызықты сцинтилляциялық қасиеттеріне ие екенін көрсетеді. Алайда, соңғы екі өлшемді перовскит монокристалдары, бөлме температурасында 10 000 мен 40 000 ph/MeV арасындағы жарық шығымымен және 10 нс-тен төмен ыдырау уақытымен, олардың CsPbBr3 кванттық нүктелі сцинтилляторларымен салыстырғанда 200 нм-ге дейін үлкен Стокстік ығысуына байланысты, өзін-өзі қайта сіңірудің алдын алу үшін маңызды болғандықтан, тиімдірек болады. Жақында профессор Биву Маның зерттеу тобы алғаш рет 0D органикалық металл галидтік гибрид (OMHH) деп аталатын, перовскит материалдарының кеңейтілген класын хабарлады. Бұл материалдар класы жүздеген меВ-қа тең күшті экситондық байланысқа ие, нәтижесінде олардың фотолюминесценттік кванттық тиімділігі дерлік бірлікке жетеді. Олардың үлкен Стокстік ығысуы және қайта сіңірудің болмауы оларды ізделіс тудырады. Олардың сцинтилляторларға қолданылу мүмкіндігі туралы сол топ және басқалар хабарлады. 2020 жылы (C38H34P2)MnBr4 дәстүрлі толық органикалық емес материалдармен салыстырғанда төмен Z-ға қарамастан 80 000 фотон/МэВ-қа дейін жарық шығымына ие екені хабарланды. Басқа 0D OMHH-дан да әсерлі жарық шығымы туралы мәліметтер келтірілді. Бұл материалдан жаңа буын сцинтилляторларын жасауға зор әлеует бар. Алайда, олардың микросекундтармен өлшенетін салыстырмалы түрде ұзақ жауап беру уақытымен шектеледі, бұл қарқынды зерттеулер жүргізіліп жатқан сала.

Scintillation properties of organic inorganic methylamonium (MA) lead halide perovskites under proton irradiation were first reported by Shibuya et al. in 2002 and the first γ ray pulse height spectrum, although still with poor energy resolution, was reported on by van Eijk et al. in 2008 Birowosuto at al. studied the scintillation properties of 3 D and 2 D layered perovskites under X ray excitation. MAPbBr3 emits at 550 nm and MAPbI3 at 750 nm which is attributed to exciton emission near the band gap of the compounds. In this first generation of Pb halide perovskites the emission is strongly quenched at room temperature and less than 1 000 ph/MeV survive. At 10 K however intense emission is observed and write about yields up to 200 000 ph/MeV. The quenching is attributed to the small e h binding energy in the exciton that decreases for Cl to Br to I Interestingly one may replace the organic MA group with Cs+ to obtain full inorganic CsPbX3 halide perovskites. Depending on the Cl, Br, I content the triplet X ray excited exciton emission can be tuned from 430 nm to 700 nm One may also dilute Cs with Rb to obtain similar tuning. Above very recent developments demonstrate that the organic inorganic and all inorganic Pb halide perovskites have various interesting scintillation properties. However, the recent two dimensional perovskite single crystals with light yields between 10 000 and 40 000 ph/MeV and decay times below 10 ns at room temperature will be more favorable as they may have much larger Stokes shift up to 200 nm in comparison with CsPbBr3 quantum dot scintillators and this is essential to prevent self reabsorption for scintillators. More recently, a new material class first reported by Professor Biwu Ma's research group, called 0D organic metal halide hybrid (OMHH), an extension of the perovskite materials. This class of materials exhibits strong exciton binding of hundreds of meV, resulting in their high photoluminescent quantum efficiency of almost unity. Their large stoke shift and reabsorption free properties make them desirable. Their potential applications for scintillators have been reported by the same group, and others. In 2020,(C38H34P2)MnBr4 was reported to have a light yield up to 80 000 Photon/MeV despite its low Z compared to traditional all inorganic. Impressive light yields from other 0D OMHH have been reported. There is a great potential to realize new generation scintillators from this material class. However, they are limited by their relatively long response time in microseconds, which is an area of intense research.

Органикалық сцинтилляторлар

Молекулалардың бос валентті электрондарының жасаған ауысулары органикалық кристалдардағы сцинтилляциялық жарықтың пайда болуына жауапты. Бұл электрондар нақты бір атоммен емес, бүкіл молекуламен байланысты және молекулалық орбитальдар деп аталатын орбитальдарды иеленеді. S0 негізгі күйі – бұл синглеттік күй, одан жоғарырақ қозған синглеттік күйлер (S*, S**, ), ең төменгі триплеттік күй (T0) және оның қозған деңгейлері (T*, T**, ) орналасқан. Әрбір электрондық деңгейге молекулалық дірілдеу режимдеріне сәйкес келетін жіңішке құрылым тән. Электрондық деңгейлер арасындағы энергия аралығы ≈1 эВ; дірілдеу деңгейлері арасындағы аралық электрондық деңгейлердегіден шамамен 1/10-ға тең. Келіп түскен бөлшек электрондық немесе дірілдеу деңгейін қоздыра алады. Синглеттік қоздырулар бірден (< 10 пс) сәуле шығарусыз (ішкі ыдырау) S* күйіне ыдырайды. S* күйі сцинтилляциялық фотонды шығара отырып, S0 негізгі күйіне (әдетте S0-дан жоғарырақ дірілдеу деңгейлерінің біріне) ыдырайды. Бұл – жылдам флуоресценция. Сцинтиллятордың шығарылған фотонға мөлдір болуы фотонның энергиясы S0 → S* ауысуы үшін қажетті энергиядан кем болуына байланысты (бұл ауысу әдетте S0-дан жоғарырақ дірілдеу деңгейіне жүзеге аспайды). Триплеттік күйлердің бірі қозғанда, ол бірден сәуле шығарусыз (ішкі ыдырау) T0 күйіне ыдырайды. T0 → S0 ауысуы өте ықпалсыз болғандықтан, T0 күйі басқа T0 молекуласымен өзара әрекеттесу арқылы ыдырайды: және молекулалардың біреуін S* күйінде қалдырады, содан кейін сцинтилляциялық фотонның шығарылуымен S0-ға ыдырайды. T0–T0 өзара әрекеттесуіне уақыт кеткендіктен, сцинтилляциялық жарық кешіктіріледі: бұл баяу немесе кешіктірілген компонент (кешіктірілген флуоресценцияға сәйкес келеді). Кейде тікелей T0 → S0 ауысуы (сонымен қатар кешіктірілген) орын алады және бұл фосфоресценция құбылысына сәйкес келеді. Кешіктірілген флуоресценция мен фосфоресценцияны байқау арқылы ажырату S* → S0 және T0 → S0 ауысулары кезінде шығарылатын оптикалық фотонның толқын ұзындығының өзгешелігінде. Органикалық сцинтилляторларды органикалық еріткіште ерітіп, сұйық немесе пластикалық сцинтиллятор жасауға болады. Сцинтилляция процесі органикалық кристалдар үшін сипатталғанмен (жоғарыда) бірдей; айырмашылық энергияны сіңіру механизмінде: энергия алдымен еріткішпен сіңіріледі, содан кейін сцинтилляциялық затқа беріледі (өткізілудің толық мәліметтері әлі толыққанды түсініксіз).

Transitions made by the free valence electrons of the molecules are responsible for the production of scintillation light in organic crystals. These electrons are associated with the whole molecule rather than any particular atom and occupy the so called molecular orbitals. The ground state S0 is a singlet state above which are the excited singlet states (S*, S**, ), the lowest triplet state (T0), and its excited levels (T*, T**, ). A fine structure corresponding to molecular vibrational modes is associated with each of those electron levels. The energy spacing between electron levels is ≈1 eV; the spacing between the vibrational levels is about 1/10 of that for electron levels. An incoming particle can excite either an electron level or a vibrational level. The singlet excitations immediately decay (< 10 ps) to the S* state without the emission of radiation (internal degradation). The S* state then decays to the ground state S0 (typically to one of the vibrational levels above S0) by emitting a scintillation photon. This is the prompt component or fluorescence. The transparency of the scintillator to the emitted photon is due to the fact that the energy of the photon is less than that required for an S0 → S* transition (the transition is usually being to a vibrational level above S0). When one of the triplet states gets excited, it immediately decays to the T0 state with no emission of radiation (internal degradation). Since the T0 → S0 transition is very improbable, the T0 state instead decays by interacting with another T0 molecule:

and leaves one of the molecules in the S* state, which then decays to S0 with the release of a scintillation photon. Since the T0 T0 interaction takes time, the scintillation light is delayed: this is the slow or delayed component (corresponding to delayed fluorescence). Sometimes, a direct T0 → S0 transition occurs (also delayed), and corresponds to the phenomenon of phosphorescence. Note that the observational difference between delayed fluorescence and phosphorescence is the difference in the wavelengths of the emitted optical photon in an S* → S0 transition versus a T0 → S0 transition. Organic scintillators can be dissolved in an organic solvent to form either a liquid or plastic scintillator. The scintillation process is the same as described for organic crystals (above); what differs is the mechanism of energy absorption: energy is first absorbed by the solvent, then passed onto the scintillation solute (the details of the transfer are not clearly understood).

Органикалық емес сцинтилляторлар

Органикалық емес материалдардағы сцинтилляция процесі кристалдардағы электрондық жолақты құрылыммен байланысты және органикалық сцинтилляторлардағы сияқты молекулалық сипатта емес. Келіп түскен бөлшек электронды валенттік жолақтан өткізгіш жолаққа немесе экситондық жолаққа (өткізгіш жолақтың астында орналасқан және валенттік жолақтан энергиялық саңылаумен бөлінген; суретті қараңыз) қоздыра алады. Бұл валенттік жолақтағы бос орынды қалдырады. Қоспалар тыйым салынған саңылауда электрондық деңгейлерді жасайды. Экситондар – кристалдық тор арқылы қозғалатын және ластану орталықтарымен тұтылғанға дейін біріккен электрон-бос орын жұптары. Соңғылары сцинтилляциялық жарықты (жылдам компонент) шығару арқылы жылдам дезэкситацияланады. Активатор қоспалары әдетте, шығарылған жарық көрінетін немесе фотокөбейтілгіштердің тиімді жұмыс істеуіне мүмкіндік беретін УФ спектріне жақын болуы үшін таңдалады. Электрондармен байланысты бос орындар өткізгіш жолақтағы олардан тәуелсіз. Бұл бос орындар мен электрондар ластану орталықтары арқылы біріктіріліп, экситондарға қол жетімсіз белгілі бір метастабильді күйлерді қоздырады. Бұл метастабильді қоспалардың баяу дезэкситациясы қайтадан сцинтилляциялық жарықты (баяу компонент) тудырады. BGO (бисмут германий оксиді) – активтеуші қоспалары жоқ таза органикалық емес сцинтиллятор. Онда сцинтилляция процесі кристаллдың негізгі құрауышы болып табылатын ионның оптикалық өтуіне байланысты. Вольфрамды сцинтилляторларда және жарық шығару өзіне-өзі тұтқындалған экситондардың сәулелік ыдырауына байланысты. Кремний және бор қоспаларымен легирленген GaAs-тағы сцинтилляция процесі дәстүрлі сцинтилляторлардан кремнийдің n-типіндегі легирлеуі өткізгіш жолақтың төменгі жағында орналасқан электрондардың құрамына кіретіндігімен ерекшеленеді. Бордың кейбір қоспа атомдары мышьяқ орындарында орналасқан және акцепторлар ретінде қызмет етеді. Сцинтилляциялық фотон, егер борон сияқты акцептор атомдары валенттік жолақтың иондау бос орынын ұстаса, пайда болады және ол бос орын сәулелік түрде делокализацияланған электрондардың біреуімен қайта біріктіріледі. Көптеген басқа жартылай өткізгіштерден айырмашылығы, кремний ұсынып тұрған электрондар криогендік температурада "қатырылмайды". Мотт өту концентрациясынан жоғары 8 еркін тасымалдаушы/см3 болғанда, "металл" күйі криогендік температурада сақталады, өйткені өзара тебу кез келген қосымша электронды келесі жоғары қол жетімді энергия деңгейіне, яғни өткізгіш жолаққа итереді. Бұл процестен шығатын фотондардың спектрі 930 нм (1,33 ЭВ) ортасында орналасқан, ал басқа шағын процестерден 860, 1070 және 1335 нм ортасында орналасқан тағы үш эмиссиялық жолақ бар. Бұл эмиссиялық жолақтардың әрқайсысының жарықтығы және ыдырау уақыты әртүрлі. Жоғары сцинтилляциялық жарықтық таңқаларлық, өйткені (1) шамамен 3,5 сындыру көрсеткішімен, шығу толық ішкі шағылысу арқылы тежеледі және (2) 90 К-те жүргізілген тәжірибелер тар сәулелік инфрақызыл сәулелерді сіңіру коэффициентінің бірнеше сантиметрге тең екенін көрсетеді. Жақында жүргізілген Монте-Карло және Фейнман жол интегралды есептеулері жоғары жарықтылықты, егер тар сәулелік сіңірудің көп бөлігі шын мәнінде өткізгіш электрондардың шағылысуынан туындаған жаңа оптикалық шашырау болса, түсіндіруге болатынын көрсетті, оның көлденең қимасы шамамен 5 x 10–18 см2, бұл сцинтилляциялық фотондарға толық ішкі шағылысудан қашуға мүмкіндік береді. Бұл көлденең қима Томсон шашырауынан 107 есе үлкен, бірақ металл айнадағы өткізгіш электрондардың оптикалық көлденең қимасына шамалас.

The scintillation process in inorganic materials is due to the electronic band structure found in crystals and is not molecular in nature as is the case with organic scintillators. An incoming particle can excite an electron from the valence band to either the conduction band or the exciton band (located just below the conduction band and separated from the valence band by an energy gap; see picture). This leaves an associated hole behind, in the valence band. Impurities create electronic levels in the forbidden gap. The excitons are loosely bound electron hole pairs which wander through the crystal lattice until they are captured as a whole by impurity centers. The latter then rapidly de excite by emitting scintillation light (fast component). The activator impurities are typically chosen so that the emitted light is in the visible range or near UV where photomultipliers are effective. The holes associated with electrons in the conduction band are independent from the latter. Those holes and electrons are captured successively by impurity centers exciting certain metastable states not accessible to the excitons. The delayed de excitation of those metastable impurity states again results in scintillation light (slow component). BGO (bismuth germanium oxide) is a pure inorganic scintillator without any activator impurity. There, the scintillation process is due to an optical transition of the ion, a major constituent of the crystal. In tungstate scintillators and the emission is due to radiative decay of self trapped excitons. The scintillation process in GaAs doped with silicon and boron impurities is different from conventional scintillators in that the silicon n type doping provides a built in population of delocalized electrons at the bottom of the conduction band. Some of the boron impurity atoms reside on arsenic sites and serve as acceptors. A scintillation photon is produced whenever an acceptor atom such as boron captures an ionization hole from the valence band and that hole recombines radiatively with one of the delocalized electrons. Unlike many other semiconductors, the delocalized electrons provided by the silicon are not “frozen out” at cryogenic temperatures. Above the Mott transition concentration of 8 free carriers per cm3, the “metallic” state is maintained at cryogenic temperatures because mutual repulsion drives any additional electrons into the next higher available energy level, which is in the conduction band. The spectrum of photons from this process is centered at 930 nm (1.33 eV) and there are three other emission bands centered at 860, 1070, and 1335 nm from other minor processes. Each of these emission bands has a different luminosity and decay time. The high scintillation luminosity is surprising because (1) with a refractive index of about 3.5, escape is inhibited by total internal reflection and (2) experiments at 90K report narrow beam infrared absorption coefficients of several per cm. Recent Monte Carlo and Feynman path integral calculations have shown that the high luminosity could be explained if most of the narrow beam absorption is actually a novel optical scattering from the conduction electrons with a cross section of about 5 x 10–18 cm2 that allows scintillation photons to escape total internal reflection. This cross section is about 107 times larger than Thomson scattering but comparable to the optical cross section of the conduction electrons in a metal mirror.

Газдар

Газдарда сцинтилляция процесі кіріп келе жатқан бөлшектің өтуінен қоздырылған жеке атомдардың қайта тұрақтана келуіне байланысты болады (өте жылдам процесс: ≈1 нс).

Электрондар

Электронды анықтау тиімділігі көптеген сцинтилляторларда негізінен 100% құрайды. Бірақ электрондар үлкен бұрышпен шашырауына (кейде кері шашырауына) бейім болғандықтан, олар детектордан толық энергиясын қалдырмай шығып кетуі мүмкін. Кері шашырау – сцинтиллятор материалының атомдық нөмірі Z-ге байланысты тез өсетін функция. Органиқалық сцинтилляторлар, органикалық кристалдарға қарағанда төмен Z мәніне ие болғандықтан, төмен энергиялы (< 10 МэВ) бета бөлшектерін анықтауға артық қолайлы. Жоғары энергиялы электрондар үшін жағдай өзгеше: олар энергиясын көбінесе жоғары энергиядағы тежелу сәулеленуі арқылы жоғалтады, сондықтан тежелу сәулеленуінің фотонын анықтау және оның тудыратын электромагниттік душ құру үшін жоғары Z материалы жақсырақ.

Гамма сәулелері

Жоғары Z материалдары, мысалы, бейорганикалық кристалдар, гамма сәулелерін анықтау үшін ең жақсы жарайды. Гамма сәулелерінің заттармен өзара әрекеттесуінің үш негізгі түрі: фотоэлектрлік эффект, Комптон шашырауы және жұптардың пайда болуы. Фотоэлектрлік эффектте және жұптардың пайда болуында фотон толығымен жұтылады, ал Комптон шашырауында энергияның тек бір бөлігі ғана жұтылады. Фотоэлектрлік процестің қимасы Z5-ке пропорционалды, жұптардың пайда болуы Z2-ге пропорционалды, ал Комптон шашырауы шамамен Z-ге пропорционалды. Сондықтан жоғары Z материалы гамма сәулесінің толық энергиясын анықтауға мүмкіндік беретін екі процеске де артықшылық береді. Гамма сәулелерінің энергиясы жоғары болса (>5 МэВ), жұптардың пайда болуы басым болады.

Нейтрондар

Нейтрон зарядталмағандықтан, ол Кулон күші арқылы өзара әрекеттеспейді, демек, сцинтилляциялық материалды иондамайды. Ол алдымен күшті күш арқылы өзінің энергиясының бір бөлігін немесе барлығын зарядталған атом ядросына беруі керек. Содан кейін оң зарядталған ядро иондану тудырады. Жылдам нейтрондар (әдетте >0,5 МэВ) негізінен (n,p) реакциясындағы кері соққы протонға тәуелді; сондықтан сутекке бай материалдар, мысалы, пластикалық сцинтилляторлар, оларды анықтау үшін ең қолайлы. Баяу нейтрондар иондануды тудыру үшін (n,γ) немесе (n,α) реакциялары сияқты ядролық реакцияларға тәуелді. Олардың орташа еркін жүріс жолы, егер сцинтилляторлық материалда 6Li немесе 10B сияқты осы ядролық реакциялар үшін жоғары көлденең қимасы бар нуклидтер болмаса, өте үлкен болады. Сондықтан LiI(Eu) немесе шыны силикаттары сияқты материалдар баяу (термиялық) нейтрондарды анықтау үшін ерекше қолайлы.