Сцинтилляторы: материалы, излучающие свет под воздействием ионизирующего излучения

Сцинтилляторы: материалы, излучающие свет под воздействием ионизирующего излучения. Принцип действия, люминесценция, флуоресценция и фосфоресценция.

22 мин чтения

100%

Источник: Scintillator — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Материал, который светится при возбуждении ионизирующим излучением.

Сцинтиллятор (/'sɪnɪtɪlɪtər/ SINtilayter) – это материал, демонстрирующий сцинтилляцию, свойство люминесценции, при воздействии ионизирующего излучения. Люминесцентные материалы, поглощая энергию при попадании частицы, испускают ее в виде света (т.е. реэмитируют поглощенную энергию в форме света). В некоторых случаях возбужденное состояние является метастабильным, что приводит к задержке релаксации из возбужденного состояния в более низкие энергетические уровни (от нескольких наносекунд до часов, в зависимости от материала). Этот процесс соответствует одному из двух явлений: запаздывающей флуоресценции или фосфоресценции. Какое именно явление наблюдается, зависит от типа перехода и, соответственно, от длины волны испускаемого оптического фотона.

Принцип действия

Сцинтилляционный детектор или сцинтилляционный счетчик получают, когда сцинтиллятор соединяют с электронным световым датчиком, таким как фотомультипликаторная трубка (PMT), фотодиод или кремниевый фотомультипликатор. Фотомультипликаторные трубки поглощают свет, излучаемый сцинтиллятором, и переизлучают его в виде электронов посредством фотоэлектрического эффекта. Последующее умножение этих электронов (иногда называемых фотоэлектронами) приводит к образованию электрического импульса, который затем можно проанализировать и получить значимую информацию о частице, первоначально поразившей сцинтиллятор. Вакуумные фотодиоды работают по схожему принципу, но не усиливают сигнал, а кремниевые фотодиоды, напротив, обнаруживают входящие фотоны, возбуждая носители заряда непосредственно в кремнии. Кремниевые фотоумножители состоят из массива фотодиодов, к которым приложено обратное смещение с достаточным напряжением для работы в лавинном режиме, что обеспечивает чувствительность каждого пикселя массива к отдельным фотонам.

История

Первое устройство, использовавшее сцинтиллятор, было создано в 1903 году сэром Уильямом Круксом и использовало экран из ZnS. Сцинтилляции, производимые экраном, были видны невооруженным глазом при наблюдении в микроскоп в затемненном помещении; устройство получило название спинтарископ. Эта методика привела к ряду важных открытий, но была, очевидно, трудоемкой. Сцинтилляторы привлекли дополнительное внимание в 1944 году, когда Курран и Бейкер заменили измерения, проводимые невооруженным глазом, на недавно разработанный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Это стало рождением современного сцинтилляционного детектора.

Применение для сцинтилляторов

Сцинтилляторы используются правительством США в качестве детекторов радиации для обеспечения национальной безопасности. Сцинтилляторы также могут применяться в детекторах частиц, при разведке новых источников энергии, в системах рентгеновского контроля, ядерных камерах, компьютерной томографии и геологоразведке газа. К другим областям применения сцинтилляторов относятся компьютерные томографы и гамма-камеры в медицинской диагностике, а также экраны в устаревших компьютерных мониторах и телевизорах на ЭЛТ. Сцинтилляторы также предлагались для использования в теоретических моделях по преобразованию энергии гамма-лучей посредством фотоэлектрического эффекта, например, в ядерных батареях. Комбинация сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя широко используется в портативных приборах для обнаружения и измерения радиоактивного загрязнения и контроля ядерных материалов. Сцинтилляторы генерируют свет в люминесцентных лампах, преобразуя ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Сцинтилляционные детекторы также применяются в нефтегазовой промышленности для гамма-каротажа.

Свойства сцинтилляторов

Есть множество желаемых свойств сцинтилляторов, таких как высокая плотность, высокая скорость работы, низкая стоимость, радиационная стойкость, технологичность и стабильность рабочих параметров. Высокая плотность уменьшает размеры материала для регистрации ливней, возникающих при высоких энергиях γ-квантов и электронов. Диапазон рассеянных фотонов Комптона для γ-лучей с низкой энергией также уменьшается в материалах с высокой плотностью. Это обеспечивает высокую сегментацию детектора и улучшает пространственное разрешение. Обычно высокоплотные материалы содержат тяжелые ионы в кристаллической решетке (например, свинец, кадмий), что значительно увеличивает вклад фотоэффекта (~Z⁴). Повышенная фотофракция важна для некоторых применений, таких как позитронно-эмиссионная томография. Высокая останавливающая способность электромагнитной компоненты ионизирующего излучения требует большей фотофракции, что позволяет создавать компактные детекторы. Высокая скорость работы необходима для хорошего разрешения спектров. Точность измерения времени в сцинтилляционном детекторе пропорциональна скорости. Короткое время затухания важно для измерения интервалов времени и работы в схемах быстрых совпадений. Высокая плотность и быстрое время отклика позволяют обнаруживать редкие события в физике частиц. Энергия частиц, переданная материалу сцинтиллятора, пропорциональна ответу сцинтиллятора. Заряженные частицы, γ-кванты и ионы имеют разные зависимости отклика от их энергии. Таким образом, сцинтилляторы могут использоваться для идентификации различных типов γ-квантов и частиц в потоках смешанного излучения. Важным фактором при выборе сцинтиллятора является стоимость его производства. Большинство кристаллических сцинтилляторов требуют химических веществ высокой чистоты и иногда редкоземельных металлов, которые достаточно дороги. Затраты связаны не только с материалами, но и с необходимостью использования дорогостоящих печей и длительного времени (около шести месяцев) для выращивания и анализа кристаллов. В настоящее время ведутся исследования других сцинтилляторов с целью снижения производственных затрат. Другие желательные свойства хорошего детектора-сцинтиллятора включают низкий выход гамма-излучения (то есть высокую эффективность преобразования энергии падающего излучения в сцинтилляционные фотоны), прозрачность для собственного сцинтилляционного света (для эффективного сбора света), эффективное детектирование исследуемого излучения, высокую останавливающую способность, хорошую линейность в широком энергетическом диапазоне, короткое время нарастания для приложений быстрого синхронизации (например, измерения совпадений), короткое время затухания для уменьшения времени мертвого счета детектора и обработки высоких частот событий, излучение в спектральном диапазоне, соответствующем спектральной чувствительности существующих ФЭУ (хотя иногда могут использоваться сдвигатели длины волны), показатель преломления, близкий к показателю преломления стекла (≈1,5) для оптимального сопряжения с окном ФЭУ. Прочность и хорошее поведение при высоких температурах могут быть желательны в условиях вибрации и высоких температур (например, при геологоразведке). Практический выбор материала сцинтиллятора обычно представляет собой компромисс между этими свойствами для наилучшего соответствия конкретному применению. Среди перечисленных свойств наиболее важным является световой выход, поскольку он влияет как на эффективность, так и на разрешение детектора (эффективность – это отношение количества зарегистрированных частиц к общему количеству частиц, падающих на детектор; энергетическое разрешение – это отношение полной ширины на полувысоте энергетического пика к его положению, обычно выражается в процентах). Световой выход сильно зависит от типа падающей частицы или фотона и его энергии, что, в свою очередь, сильно влияет на тип сцинтилляционного материала, используемого для конкретного применения. Наличие эффектов тушения приводит к уменьшению светового выхода (то есть к снижению эффективности сцинтилляции). Тушение относится ко всем безизлучательным процессам дезэкситации, при которых энергия возбуждения в основном преобразуется в тепло. Общая эффективность генерации сигнала детектора также зависит от квантовой эффективности ФЭУ (обычно около 30% на пике) и от эффективности передачи и сбора света (которая зависит от типа отражающего материала, покрывающего сцинтиллятор, и световодов, длины/формы световодов, поглощения света и т.д.). Световой выход часто выражается как количество сцинтилляционных фотонов, производимых на 1 кэВ переданной энергии. Типичные значения (при падении электрона): около 40 фотонов/кэВ для NaI(Tl), около 10 фотонов/кэВ для пластиковых сцинтилляторов и около 8 фотонов/кэВ для германата висмута (BGO). Обычно предполагается, что сцинтилляционные детекторы являются линейными. Это предположение основано на двух требованиях: (1) световой выход сцинтиллятора пропорционален энергии падающего излучения; (2) электрический импульс, генерируемый фотоэлектронным умножителем, пропорционален испущенному сцинтилляционному свету. Предположение о линейности обычно является хорошим приближением, хотя могут возникать отклонения (особенно выраженные для частиц тяжелее протона при низких энергиях). Стойкость и хорошее поведение при высоких температурах и вибрациях особенно важны для таких применений, как геологоразведка (каротажные исследования, измерения при бурении). Для большинства сцинтилляторов световой выход и время сцинтилляционного затухания зависят от температуры. Эта зависимость может быть в значительной степени проигнорирована для применений при комнатной температуре, поскольку обычно она невелика. Зависимость от температуры слабее для органических сцинтилляторов, чем для неорганических кристаллов, таких как NaI Tl или BGO. Сильная зависимость времени затухания от температуры в сцинтилляторе BGO используется для дистанционного мониторинга температуры в вакуумной среде. Соединенные с ним ФЭУ также проявляют температурную чувствительность и могут быть повреждены при механических ударах. Поэтому для применений при высоких температурах и вибрациях следует использовать прочные ФЭУ, устойчивые к высоким температурам. Временная эволюция количества испущенных сцинтилляционных фотонов N в одном сцинтилляционном событии часто может быть описана линейной суперпозицией одного или двух экспоненциальных затуханий. Для двух затуханий имеем вид:

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:

где τf и τs – константы быстрого (или мгновенного) и медленного (или запаздывающего) затухания. Многие сцинтилляторы характеризуются двумя временными компонентами: одним быстрым (или мгновенным), другим медленным (или запаздывающим). Хотя быстрая компонента обычно доминирует, относительные амплитуды A и B двух компонентов зависят от сцинтиллирующего материала. Обе эти компоненты также могут быть функцией потери энергии dE/dx. В случаях, когда эта зависимость от потери энергии сильна, общая постоянная времени затухания меняется в зависимости от типа падающей частицы. Такие сцинтилляторы позволяют проводить различие по форме импульса, то есть идентификацию частиц на основе характеристик затухания электрического импульса ФЭУ. Например, при использовании BaF2 γ-лучи обычно возбуждают быструю компоненту, а α-частицы – медленную компоненту: таким образом, их можно идентифицировать на основе времени затухания сигнала ФЭУ.

Органические кристаллы

Органические сцинтилляторы — это ароматические углеводородные соединения, содержащие структуры бензольных колец, соединенные между собой различными способами. Их люминесценция обычно затухает в течение нескольких наносекунд. Некоторые органические сцинтилляторы представляют собой чистые кристаллы. Наиболее распространенными типами являются антрацен (время затухания ≈30 нс), стильбен (время затухания 4,5 нс) и нафталин (время затухания несколько нс). Они очень прочны, но их отклик анизотропен (что ухудшает энергетическое разрешение при неколлимированном источнике), и их сложно обрабатывать и выращивать в больших размерах; поэтому они используются не очень часто. Антрацен обладает наибольшим световыходом среди всех органических сцинтилляторов и поэтому выбран в качестве эталона: световыходы других сцинтилляторов иногда выражаются в процентах от световыхода антрацена.

Органические жидкости

Это жидкие растворы одного или нескольких органических сцинтилляторов в органическом растворителе. Типичными растворенными веществами являются флуоресцентные красители, такие как p-терфенил, PBD, бутил-PBD, PPO, и сдвигатели длины волны, такие как POPOP. Наиболее широко используемые растворители – толуол, ксилен, бензол, фенилциклогексан, триэтилбензол и декалин. Жидкие сцинтилляторы легко обогащаются другими добавками, такими как сдвигатели длины волны, для соответствия спектральной чувствительности конкретного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), или 10B для повышения эффективности детектирования нейтронов самого сцинтилляционного счетчика (поскольку 10B имеет большое сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами). Новые подходы сочетают несколько растворителей или обогащают различными металлами для идентификации приходящих частиц. Для многих жидкостей растворенный кислород может выступать в качестве тушителя и приводить к уменьшению светоотдачи, поэтому необходимо герметично упаковать раствор в оболочку, не содержащую кислород.

Сцинтилляторы из пластмассы

Термин "пластиковый сцинтиллятор" обычно относится к сцинтилляционному материалу, в котором первичный флуоресцентный излучатель, называемый флюором, диспергирован в основной матрице – твердом полимере. Хотя обычно эта комбинация достигается путем растворения флюора перед объемной полимеризацией, иногда флюор связывается с полимером напрямую, либо ковалентно, либо посредством координации, как в случае многих пластиковых сцинтилляторов, содержащих Li6. Было обнаружено, что полиэтиленнафталат проявляет сцинтилляцию самостоятельно, без каких-либо добавок, и, как ожидается, заменит существующие пластиковые сцинтилляторы благодаря более высокой эффективности и более низкой стоимости. Преимущества пластиковых сцинтилляторов включают в себя достаточно высокую световую отдачу и относительно быстрый сигнал с временем затухания 2–4 наносекунды, но, пожалуй, самое большое преимущество – это возможность придания им практически любой желаемой формы путем использования форм или других методов, часто с высокой степенью прочности. Пластиковые сцинтилляторы склонны к насыщению светоотдачи при высокой плотности энергии (закон Биркса).

Основания

Наиболее распространенными основами, используемыми в пластиковых сцинтилляторах, являются ароматические пластмассы – полимеры с ароматическими кольцами в качестве боковых групп вдоль полимерной цепи, среди которых наиболее выделяются поливинилтолуол (ПВТ) и полистирол (ПС). Хотя сама основа флуоресцирует под воздействием ионизирующего излучения, её низкий световыход и незначительная прозрачность для собственного излучения делают необходимым использование флуоров при создании практичного сцинтиллятора. Помимо ароматических пластмасс, наиболее распространенной основой является полиметилметакрилат (ПММА), который обладает двумя преимуществами перед многими другими основаниями: высокой прозрачностью для ультрафиолетового и видимого света, хорошими механическими свойствами и повышенной устойчивостью к хрупкости. Отсутствие флуоресценции у ПММА часто компенсируется добавлением ароматического сорастворителя, как правило, нафталина. Пластиковый сцинтиллятор на основе ПММА, изготовленный таким образом, отличается прозрачностью для собственного излучения, что способствует равномерному сбору света. К другим распространенным основам относятся поливинилксилен (PVX), полиметилстирол, 2,4-диметилстирол, 2,4,5-триметилстирол, поливинилдифенил, поливинилнафталин, поливинилтетрагидронафталин, а также сополимеры на их основе и других мономеров.

Фтористые

Также известные как люминофоры, эти соединения поглощают сцинтилляцию основного вещества и затем излучают на большей длине волны, эффективно преобразуя ультрафиолетовое излучение основного вещества в более легко детектируемый видимый свет. Дальнейшее увеличение длины затухания можно достичь путем добавления второго фтора, именуемого сдвигателем спектра или преобразователем, что часто приводит к излучению синего или зеленого света. К распространенным фторам относятся полифенильные углеводороды, оксазолы и оксадиазолы, в частности, 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) и 2-(4'-трет-бутилфенил)-5-(4''-бифенил)-1,3,4-оксадиазол (B PBD).

Неорганические кристаллы

Неорганические сцинтилляторы обычно представляют собой кристаллы, выращенные в высокотемпературных печах, например, галогениды щелочных металлов, часто с небольшим количеством примеси активатора. Наиболее широко используется NaI(Tl) (йодид натрия, легированный таллием); его сцинтилляционное излучение имеет голубой цвет. Другие неорганические кристаллы галогенидов щелочных металлов включают: CsI(Tl), CsI(Na), (чистый), KI(Tl), LiI(Eu). Некоторые нещелочные кристаллы включают: BGO, BaF2, ZnS(Ag), GSO, LSO. (Для более подробных примеров см. также люминофоры). Новые разработанные продукты включают хлорид лантана, легированный церием, а также бромид лантана, легированный церием. Они оба очень гигроскопичны (то есть повреждаются при воздействии влаги в воздухе), но обеспечивают отличную световую отдачу и энергетическое разрешение (63 фотона/кэВ γ для LaBr3(Ce) против 38 фотонов/кэВ γ для NaI(Tl)), быстрый отклик (16 нс для LaBr3(Ce) против 230 нс для NaI(Tl)), отличную линейность и очень стабильную световую отдачу в широком диапазоне температур. Кроме того, LaBr3(Ce) обладает более высокой останавливающей способностью для γ-лучей (плотность 5,08 г/см3 против 3,67 г/см3 для NaI(Tl)). LYSO имеет еще более высокую плотность (7,1 г/см3, сопоставимую с BGO), не является гигроскопичным и имеет более высокую световую отдачу, чем BGO (32 фотона/кэВ γ), в дополнение к довольно быстрому времени распада (41 нс против 300 нс для BGO). Недостатком некоторых неорганических кристаллов, например, NaI, является их гигроскопичность, свойство, требующее их размещения в герметичном контейнере для защиты от влаги. BaF2 лишь слегка гигроскопичен и обычно не нуждается в защите. CsF, NaI(Tl) гигроскопичны, в то время как BGO, и не являются таковыми. Неорганические кристаллы могут быть нарезаны на небольшие размеры и расположены в виде массива для обеспечения позиционной чувствительности. Такие массивы часто используются в медицинской физике или приложениях безопасности для обнаружения рентгеновских лучей или γ-лучей: материалы с высоким Z и высокой плотностью (например, LYSO, BGO) обычно предпочтительны для этих целей. Сцинтилляция в неорганических кристаллах обычно медленнее, чем в органических, варьируясь обычно от 1,48 нс для ZnO(Ga) до 9000 нс для . Исключения составляют ZnO(Ga) (~5 нс), быстрый BaF2 (0,7 нс; медленный компонент составляет 630 нс), а также более новые продукты (, 28 нс; , 16 нс; , 41 нс). Для приложений визуализации одним из преимуществ неорганических кристаллов является очень высокая световая отдача. Некоторые высокосветовые сцинтилляторы с выходом более 100 000 фотонов/МэВ при 662 кэВ были недавно зарегистрированы для , , и . Многие полупроводниковые сцинтилляционные люминофоры известны, такие как ZnS(Ag) (упомянутые в разделе истории), CdS(Ag), ZnO(Zn), ZnO(Ga), CdS(In), ZnSe(O) и ZnTe(O), но ни один из них не доступен в виде монокристаллов. CdS(Te) и ZnSe(Te) были коммерчески доступны в форме монокристаллов, но их люминесценция частично гасится при комнатной температуре. GaAs(Si,B) — недавно открытый криогенный полупроводниковый сцинтиллятор с высокой световой отдачей в инфракрасном диапазоне и, по-видимому, без послесвечения. В сочетании с криогенными фотодетекторами с ультранизким уровнем шума он является целью в экспериментах по обнаружению редких, низкоэнергетических электронных возбуждений от взаимодействующей темной материи.

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.

Газовые сцинтилляторы

Газовые сцинтилляторы состоят из азота и благородных газов – гелия, аргона, криптона и ксенона, при этом наибольшее внимание уделяется гелию и ксенону. Процесс сцинтилляции обусловлен дезэкситацией отдельных атомов, возбужденных прохождением входящей частицы. Эта дезэкситация происходит очень быстро (~1 нс), поэтому время отклика детектора достаточно мало. Обычно необходимо покрывать стенки контейнера сдвигателем длины волны, так как эти газы, как правило, излучают в ультрафиолетовом диапазоне, а фотоэлектронные умножители (ФЭУ) лучше реагируют на видимую сине-зеленую область спектра. В ядерной физике газовые детекторы использовались для регистрации осколков деления или тяжелых заряженных частиц.

Очки

Наиболее распространенными стеклянными сцинтилляторами являются активированные церием литий или силикаты бора. Поскольку и литий, и бор обладают большими сечениями захвата нейтронов, стеклянные детекторы особенно хорошо подходят для регистрации тепловых (медленных) нейтронов. Литий используется шире, чем бор, так как при захвате нейтрона он высвобождает больше энергии и, следовательно, обеспечивает большую световую отдачу. Однако стеклянные сцинтилляторы чувствительны также к электронам и γ-лучам (для идентификации частиц можно использовать дискриминацию по высоте импульса). Благодаря своей высокой прочности они также хорошо подходят для работы в жестких условиях окружающей среды. Время отклика составляет около 10 нс, однако их световая отдача невелика, обычно около 30% от световой отдачи антрацена.

Перовскитовые сцинтилляторы на основе раствора

Сцинтилляционные свойства органических неорганических метиламмониевых (МА) перовскитов галогенидов свинца при протонном облучении впервые были сообщены Шибуя и др. в 2002 году. Первый спектр высоты γ-лучевого импульса, хотя и с плохим энергетическим разрешением, был представлен van Eijk et al. в 2008 году. Birowosuto и др. изучали сцинтилляционные свойства 3D и 2D слоистых перовскитов при возбуждении рентгеновским излучением. MAPbBr3 излучает при 550 нм, а MAPbI3 – при 750 нм, что обусловлено экситонной эмиссией вблизи ширины запрещенной зоны соединений. В первом поколении галогенидов свинца перовскитов эмиссия сильно гасится при комнатной температуре, и выживает менее 1000 ф/МэВ. Однако при 10 К наблюдается интенсивная эмиссия, и сообщается о выходах до 200 000 ф/МэВ. Гашение связано с малой энергией связывания электрон-дырочной пары в экситоне, которая уменьшается в ряду Cl → Br → I. Интересно, что органическую группу MA можно заменить на Cs+ для получения полностью неорганических перовскитов галогенидов CsPbX3. В зависимости от содержания Cl, Br и I эмиссия экситона, возбужденного рентгеновским излучением, может быть настроена от 430 до 700 нм. Также можно разбавить Cs с помощью Rb для достижения аналогичной настройки. Вышеупомянутые недавние разработки демонстрируют, что органические неорганические и полностью неорганические перовскиты галогенидов свинца обладают различными интересными сцинтилляционными свойствами. Однако, недавние монокристаллы двухмерных перовскитов со световым выходом от 10 000 до 40 000 ф/МэВ и временем затухания менее 10 нс при комнатной температуре представляются более перспективными, поскольку они могут иметь значительно большее смещение Стокса – до 200 нм – по сравнению с квантовыми точками CsPbBr3, что необходимо для предотвращения самопоглощения в сцинтилляторах. Совсем недавно исследовательская группа профессора Биву Ма впервые сообщила о новом классе материалов, называемом 0D органическими металл-галогенидными гибридами (OMHH), являющимися расширением перовскитных материалов. Этот класс материалов демонстрирует сильное связывание экситонов, достигающее сотен меВ, что приводит к их высокой фотолюминесцентной квантовой эффективности, близкой к единице. Их большое смещение Стокса и отсутствие реабсорбции делают их привлекательными. Их потенциальное применение в качестве сцинтилляторов было сообщено той же группой и другими исследователями. В 2020 году было сообщено, что (C38H34P2)MnBr4 имеет световой выход до 80 000 фотонов/МэВ, несмотря на свой низкий атомный номер Z по сравнению с традиционными полностью неорганическими материалами. Были опубликованы данные об впечатляющем световом выходе других 0D OMHH. Существует большой потенциал для создания сцинтилляторов нового поколения на основе этого класса материалов. Однако их применение ограничено относительно длительным временем отклика – микросекундами, что является областью активных исследований.

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.

Органические сцинтилляторы

Переходы, совершаемые свободными валентными электронами молекул, ответственны за генерацию сцинтилляционного света в органических кристаллах. Эти электроны связаны со всей молекулой, а не с каким-либо конкретным атомом, и занимают так называемые молекулярные орбитали. Основное состояние S0 является синглетным, над которым расположены возбужденные синглетные состояния (S*, S**, …), самое низкое триплетное состояние (T0) и его возбужденные уровни (T*, T**, …). С каждым из этих электронных уровней связана тонкая структура, соответствующая молекулярным колебательным модам. Энергетический интервал между электронными уровнями составляет ≈1 эВ, а между колебательными уровнями – примерно 1/10 от интервала между электронными уровнями. Входящая частица может возбудить как электронный, так и колебательный уровень. Синглетные возбуждения немедленно (< 10 пс) релаксируют в состояние S* без излучения (внутренняя деградация). Затем состояние S* релаксирует в основное состояние S0 (обычно на один из колебательных уровней выше S0) с испусканием сцинтилляционного фотона. Это – быстрый компонент или флуоресценция. Прозрачность сцинтиллятора для испущенного фотона обусловлена тем, что энергия фотона меньше энергии, необходимой для перехода S0 → S* (переход обычно происходит на колебательный уровень выше S0). При возбуждении одного из триплетных состояний, оно немедленно релаксирует в состояние T0 без излучения (внутренняя деградация). Поскольку переход T0 → S0 крайне маловероятен, состояние T0 релаксирует, взаимодействуя с другой молекулой T0: и переводит одну из молекул в состояние S*, которая затем релаксирует в S0 с высвобождением сцинтилляционного фотона. Поскольку взаимодействие T0-T0 занимает время, сцинтилляционный свет запаздывает: это медленный или задержанный компонент (соответствующий задержанной флуоресценции). Иногда происходит прямой переход T0 → S0 (также задержанный), что соответствует явлению фосфоресценции. Важно отметить, что наблюдаемая разница между задержанной флуоресценцией и фосфоресценцией заключается в разнице длин волн испускаемого оптического фотона при переходе S* → S0 по сравнению с переходом T0 → S0. Органические сцинтилляторы могут быть растворены в органическом растворителе для получения жидкого или пластикового сцинтиллятора. Процесс сцинтилляции такой же, как и для органических кристаллов (выше); отличается лишь механизм поглощения энергии: энергия сначала поглощается растворителем, а затем передается сцинтиллятору (детали передачи не вполне ясны).

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).

Неорганические сцинтилляторы

Процесс сцинтилляции в неорганических материалах обусловлен электронной зонной структурой, присутствующей в кристаллах, и не носит молекулярный характер, как в случае с органическими сцинтилляторами. Входящая частица может возбудить электрон из валентной зоны в зону проводимости или в экситонную зону (расположенную непосредственно ниже зоны проводимости и отделенную от валентной зоны энергетическим зазором; см. рисунок). Это оставляет за собой дырку в валентной зоне. Примеси создают электронные уровни в запрещенной зоне. Экситоны представляют собой слабосвязанные пары электрон-дырка, которые перемещаются по кристаллической решетке, пока не захватываются целиком центрами примесей. Последние затем быстро дезактивируются, излучая сцинтилляционный свет (быстрая компонента). Активаторы обычно выбираются таким образом, чтобы излучаемый свет находился в видимом диапазоне или вблизи УФ, где эффективны фотоумножители. Дырки, связанные с электронами в зоне проводимости, независимы от последних. Эти дырки и электроны последовательно захватываются центрами примесей, возбуждая определенные метастабильные состояния, недоступные для экситонов. Замедленная дезактивация этих метастабильных состояний примесей снова приводит к сцинтилляционному свету (медленная компонента). BGO (оксид висмута и германия) – чистый неорганический сцинтиллятор без каких-либо активаторных примесей. В нем процесс сцинтилляции обусловлен оптическим переходом иона, являющегося основным компонентом кристалла. В вольфраматных сцинтилляторах и излучение происходит за счет радиационного распада самозахваченных экситонов. Процесс сцинтилляции в GaAs, легированном кремнием и бором, отличается от обычных сцинтилляторов тем, что n-легирование кремнием обеспечивает встроенную популяцию делокализованных электронов на дне зоны проводимости. Некоторые атомы бора находятся на позициях мышьяка и служат акцепторами. Сцинтилляционный фотон генерируется каждый раз, когда акцепторный атом, такой как бор, захватывает ионизационную дырку из валентной зоны, и эта дырка рекомбинирует излучательно с одним из делокализованных электронов. В отличие от многих других полупроводников, делокализованные электроны, предоставляемые кремнием, не "замораживаются" при криогенных температурах. Выше концентрации перехода Мотта в 8 свободных носителей на см³ поддерживается "металлическое" состояние при криогенных температурах, поскольку взаимное отталкивание переводит любые дополнительные электроны на следующий более высокий доступный энергетический уровень, который находится в зоне проводимости. Спектр фотонов от этого процесса центрирован на 930 нм (1,33 эВ), и есть три другие полосы излучения, центрированные на 860, 1070 и 1335 нм, обусловленные другими незначительными процессами. Каждая из этих полос излучения имеет разную светимость и время затухания. Высокая светимость сцинтилляции удивительна, поскольку (1) при показателе преломления около 3,5 выход подавляется полным внутренним отражением и (2) эксперименты при 90 К показывают коэффициенты поглощения узкого инфракрасного луча в несколько единиц на сантиметр. Недавние расчеты методом Монте-Карло и интегралов по траекториям Фейнмана показали, что высокая светимость может быть объяснена, если большая часть поглощения узкого луча на самом деле является новым оптическим рассеянием на электронах зоны проводимости с сечением около 5 x 10⁻¹⁸ см², которое позволяет фотонам сцинтилляции избежать полного внутреннего отражения. Это сечение примерно в 10⁷ раз больше, чем рассеяние Томсона, но сопоставимо с оптическим сечением электронов зоны проводимости в металлическом зеркале.

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.

Газы

В газах процесс сцинтилляции обусловлен деэксцитацией отдельных атомов, возбужденных прохождением входящей частицы (очень быстрый процесс: ≈1 нс).

Электроны

Эффективность детектирования электронов практически 100% для большинства сцинтилляторов. Однако, поскольку электроны могут испытывать рассеяние на большие углы (включая обратное рассеяние), они могут покидать детектор, не передавая ему всю свою энергию. Обратное рассеяние быстро возрастает с увеличением атомного номера Z материала сцинтиллятора. Органические сцинтилляторы, имеющие меньший Z, чем неорганические кристаллы, поэтому лучше подходят для детектирования бета-частиц с низкой энергией (< 10 МэВ). Ситуация иная для электронов высокой энергии: поскольку они преимущественно теряют энергию за счет тормозного излучения на высоких энергиях, материал с более высоким Z лучше подходит для детектирования фотонов тормозного излучения и генерации электромагнитного каскада, который оно может вызвать.

Гамма-лучи

Материалы с высоким атомным номером Z, например, неорганические кристаллы, наиболее подходят для регистрации гамма-лучей. Существует три основных механизма взаимодействия гамма-лучей с веществом: фотоэффект, рассеяние Комптона и рождение пар. При фотоэффекте и рождении пар фотон поглощается полностью, в то время как при рассеянии Комптона передается лишь часть его энергии. Эффективное сечение для фотоэффекта пропорционально Z⁵, для рождения пар – Z², а для рассеяния Комптона – примерно Z. Материал с высоким Z, таким образом, способствует протеканию первых двух процессов, что позволяет регистрировать полную энергию гамма-луча. Если энергия гамма-лучей превышает 5 МэВ, преобладающим становится рождение пар.

Нейтроны

Поскольку нейтрон не имеет заряда, он не взаимодействует посредством кулоновской силы и, следовательно, не ионизирует сцинтилляционный материал. Ему необходимо сначала передать часть или всю свою энергию посредством сильного взаимодействия заряженному атомному ядру. Положительно заряженное ядро затем производит ионизацию. Быстрые нейтроны (обычно >0,5 МэВ) в основном полагаются на протон отдачи в (n,p) реакциях; материалы, богатые водородом, например, пластиковые сцинтилляторы, поэтому наилучшим образом подходят для их детектирования. Медленные нейтроны полагаются на ядерные реакции, такие как (n,γ) или (n,α) реакции, для создания ионизации. Их средняя длина свободного пробега, следовательно, достаточно велика, если сцинтилляционный материал не содержит нуклидов с высоким сечением для этих ядерных реакций, таких как 6Li или 10B. Материалы, такие как LiI(Eu) или стеклянные силикаты, поэтому особенно хорошо подходят для детектирования медленных (тепловых) нейтронов.