Кіріспе

Жоғары энергиялы фотондар немесе бөлшектерді жұтып алу нәтижесінде жарық пайда болуы. Қатты дене физикасында сцинтилляция (/'sɪ//nɪ//tɪ//lɪ//eɪ//ʃ//ən/ SINtilayshun) – сцинтиллятор деп аталатын материалдың жоғары энергиялы фотондармен (Х-сәулелер немесе гамма-сәулелер) немесе энергетикалық бөлшектермен (электрондар, альфа-бөлшектер, нейтрондар немесе иондар сияқты) әсер еткенде ультракүлгін немесе көрінетін жарық шығаруымен жүзеге асатын физикалық процесс. Қолдану саласы үшін сцинтиллятор және сцинтилляциялық санауышқа қараңыз.

Шолу

Сцинтилляция – люминесценцияның бір түрі, онда сәулеленуді жұту нәтижесінде ерекше спектрлі жарық шығарылады. Сцинтилляция процесін үш негізгі сатыға бөлуге болады: (А) түрлендіру, (Б) энергияны люминесценция орталығына тасымалдау және беру, және (С) люминесценция. Шығарылатын сәулелену көбінесе жұтылған сәулеленуден төмен энергиялы болады, сондықтан сцинтилляция көбінесе энергияны төмендету процесі болып табылады.

Қайта өңдеу процестері

Сцинтилляцияның бірінші кезеңі – конверсия – бұл сцинтиллятордың түсетін сәулеленуден энергияны сіңіріп, материалда жоғары энергетикалық электрондар мен бос орындардың пайда болуымен жүретін процесс. Сцинтиллятордың энергияны сіңіру механизмі сәулелену түріне және энергиясына байланысты. Рентген сәулелері (0,1 кэВ < 100 кэВ) және γ сәулелері (> 100 кэВ) сияқты жоғары энергетикалық фотондар үшін сцинтилляциядағы энергияны түрлендіру процесі үш түрлі әрекеттесу арқылы жүзеге асады: фотоэлектрлік сіңіру, Комптон шашырауы және жұптардың пайда болуы. Жұптардың пайда болуы тек > 1022 кэВ болғанда ғана мүмкін болады, яғни фотон электрон-позитрон жұбын құруға жеткілікті энергияға ие. Бұл процестердің әрқайсысының әлсірету коэффициенттері әртүрлі, олар негізінен түсетін сәулеленудің энергиясына, материалдың орташа атомдық санына және материалдың тығыздығына байланысты. Жалпы, жоғары энергиялы сәулеленудің сіңірілуі келесідей сипатталады:

мұндағы – түсетін сәулеленудің қарқындылығы, – материалдың қалыңдығы, ал – сызықтық әлсірету коэффициенті, ол әртүрлі үлестердің әлсірету коэффициенттерінің қосындысы болып табылады: , бұл төменде түсіндіріледі. Рентген сәулелерінің төменгі энергиясында (≤ 60 кэВ) ең басым процесс – фотоэлектрлік эффект. Онда фотондар материалдағы байланған электрондармен, әдетте атомның K немесе L қабығындағы ішкі электрондармен толық сіңіріледі, содан кейін шығарылады, бұл қожайын атомның иондануына әкеледі. Фотоэлектрлік эффектінің сызықтық әлсірету коэффициентінің үлесі келесідей беріледі:

мұндағы – сцинтиллятордың тығыздығы, – орташа атомдық саны, – 3 пен 4 аралығында өзгеретін тұрақты шама, ал – фотонның энергиясы. Рентген сәулелерінің энергиясы төмен болғанда, сцинтиллятор материалдары жоғары атомдық саны мен тығыздығы бар атомдарға ие болуы тиімдірек, себебі олар түсетін сәулеленуді тиімдірек сіңіреді. Жоғары энергияда (≥ 60 кэВ) Комптон шашырауы – байланған электрондармен фотондардың иілгіш шашырауы, көбінесе қожайын атомның иондануына да алып келеді – басым түрлендіру процесіне айналады. Комптон шашырауының сызықтық әлсірету коэффициентінің үлесі келесідей беріледі: ол фотолюминесценциядағы орташа ыдырау уақытынан әлдеқайда жылдам.

Эмоционалды тасымалдаушылардың жүк тасымалы

Сцинтилляцияның екінші кезеңі – термалдалған электрондар мен тесіктердің люминесценция орталықтарына қарай заряд тасымалдауы және люминесценция процесіне қатысқан атомдарға энергия беру. Бұл кезеңде түрлендіру процесінде пайда болған көптеген электрондар мен тесіктер материал ішінде жылжиды. Бұл, әдетте, тиімділіктің тұраққа түсуі, мысалы, тұтқындау немесе радиациялық емес рекомбинация салдарынан болатындықтан, сцинтилляцияның ең маңызды кезеңдерінің бірі болып саналады. Мұның басты себебі – сцинтиллятор кристалдарындағы ақаулар, мысалы, қоспалар, иондық бос орындар және дән шекаралары. Заряд тасымалдауы сцинтилляция процесінің уақытын шектеуші факторға да айналуы мүмкін. Заряд тасымалдау кезеңі сцинтилляцияның ең жақсы түсінілмеген бөліктерінің бірі болып табылады және қолданылатын материалдың түріне және оның ішкі зарядты өткізгіштік қасиеттеріне тікелей байланысты.

Жарық түсіру

Электрондар мен тесіктер люминесценция орталықтарына жеткенде, сцинтилляцияның үшінші және соңғы кезеңі – люминесценция басталады. Бұл кезеңде электрондар мен тесіктер люминесценттік орталықтармен ұсталады, содан кейін электрондар мен тесіктер сәуле шығару арқылы қайта бірігеді. Люминесценция фазасының нақты ерекшеліктері сцинтилляция үшін қолданылатын материалдың түріне байланысты.

Органикалық емес кристалдар

Гамма сәулелері сияқты фотондар үшін талиймен белсендірілген NaI кристалдары (NaI(Tl)) көбінесе қолданылады. Жылдам жауап алу үшін (бірақ шығыстың тек 5% құрайды) CsF кристалдарын қолдануға болады.