Сцинтилляция: физика свечения при поглощении высокоэнергетического излучения.
Scintillation (physics)
Сцинтилляция: физический процесс излучения света материалами (сцинтилляторами) при поглощении высокоэнергетических частиц и фотонов. Применение в физике.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Производство света в результате поглощения фотонов или частиц высокой энергии.
Production of light due to absorption of high energy photons or particles
В физике конденсированного состояния сцинтилляция (/'sɪ//nɪ//tɪ//lɪ//eɪ//ʃ//ən/ SINtilayshun) — это физический процесс, при котором материал, называемый сцинтиллятором, испускает ультрафиолетовый или видимый свет при возбуждении высокоэнергетическими фотонами (рентгеновскими лучами или гамма-лучами) или энергичными частицами (такими как электроны, альфа-частицы, нейтроны или ионы). Подробности о практическом применении см. в статьях о сцинтилляторах и сцинтилляционных счетчиках.
In condensed matter physics, scintillation (/'//s//ɪ//n//t//ɪ//l//eɪ//ʃ//ən/ SINtilayshun) is the physical process where a material, called a scintillator, emits ultraviolet or visible light under excitation from high energy photons (X rays or gamma rays) or energetic particles (such as electrons, alpha particles, neutrons, or ions). See scintillator and scintillation counter for practical applications.
Обзор
Сцинтилляция — это пример люминесценции, при котором свет с характерным спектром излучается после поглощения радиации. Процесс сцинтилляции можно разделить на три основных этапа: (А) поглощение, (Б) перенос и передача энергии к люминесцентному центру, и (С) люминесценция. Излучаемая радиация обычно имеет меньшую энергию, чем поглощенная, следовательно, сцинтилляция обычно является процессом понижения энергии.
Scintillation is an example of luminescence, whereby light of a characteristic spectrum is emitted following the absorption of radiation. The scintillation process can be summarized in three main stages: (A) conversion, (B) transport and energy transfer to the luminescence center, and (C) luminescence. The emitted radiation is usually less energetic than the absorbed radiation, hence scintillation is generally a down conversion process.
Процессы преобразования
Первая стадия сцинтилляции, преобразование, – это процесс, при котором энергия падающего излучения поглощается сцинтиллятором и в материале создаются высокоэнергетические электроны и дырки. Механизм поглощения энергии сцинтиллятором зависит от типа и энергии излучения. Для высокоэнергетических фотонов, таких как рентгеновские лучи (0,1 кэВ < Э < 100 кэВ) и γ-лучи (> 100 кэВ), три типа взаимодействий отвечают за процесс преобразования энергии в сцинтилляции: фотоэлектрическое поглощение, рассеяние Комптона и образование пары, которое происходит только при Э > 1022 кэВ, то есть у фотона достаточно энергии для создания пары электрон-позитрон. Эти процессы имеют различные коэффициенты затухания, которые в основном зависят от энергии падающего излучения, среднего атомного номера материала и плотности материала. В целом поглощение высокоэнергетического излучения описывается следующим образом:
The first stage of scintillation, conversion, is the process where the energy from the incident radiation is absorbed by the scintillator and highly energetic electrons and holes are created in the material. The energy absorption mechanism by the scintillator depends on the type and energy of radiation involved. For highly energetic photons such as X rays ( 0.1 keV < < 100 keV) and γ rays ( > 100 keV), three types of interactions are responsible for the energy conversion process in scintillation: photoelectric absorption, Compton scattering, and pair production, which only occurs when > 1022 keV, i. e. the photon has enough energy to create an electron positron pair. These processes have different attenuation coefficients, which depend mainly on the energy of the incident radiation, the average atomic number of the material and the density of the material. Generally the absorption of high energy radiation is described by:
где I – интенсивность падающего излучения, x – толщина материала, а μ – линейный коэффициент затухания, который является суммой коэффициентов затухания различных составляющих: Σ, которые будут объяснены ниже. При более низких энергиях рентгеновских лучей (Э < 60 кэВ) наиболее доминирующим процессом является фотоэффект, при котором фотоны полностью поглощаются связанными электронами в материале, обычно электронами внутренних оболочек (K или L оболочки) атома, и затем выбиваются, что приводит к ионизации атома-хозяина. Вклад линейного коэффициента затухания для фотоэффекта выражается следующим образом:
where is the intensity of the incident radiation, is the thickness of the material, and is the linear attenuation coefficient, which is the sum of the attenuation coefficients of the various contributions: , which will be explained below. At lower X ray energies ( 60 keV), the most dominant process is the photoelectric effect, where the photons are fully absorbed by bound electrons in the material, usually core electrons in the K or L shell of the atom, and then ejected, leading to the ionization of the host atom. The linear attenuation coefficient contribution for the photoelectric effect is given by:
где ρ – плотность сцинтиллятора, Z – средний атомный номер, A – константа, изменяющаяся в пределах от 3 до 4, а Э – энергия фотона. При низких энергиях рентгеновских лучей для более эффективного поглощения падающего излучения предпочтительны сцинтилляционные материалы с атомами с высоким атомным номером и плотностью. При более высоких энергиях (Э > 60 кэВ) рассеяние Комптона, неэластичное рассеяние фотонов связанными электронами, часто также приводящее к ионизации атома-хозяина, становится более доминирующим процессом преобразования. Вклад линейного коэффициента затухания для рассеяния Комптона выражается следующим образом: который намного превышает среднее время затухания в фотолюминесценции.
where is the density of the scintillator, is the average atomic number, is a constant that varies between 3 and 4, and is the energy of the photon. At low X ray energies, scintillator materials with atoms with high atomic numbers and densities are favored for more efficient absorption of the incident radiation. At higher energies ( 60 keV) Compton scattering, the inelastic scattering of photons by bound electrons, often also leading to ionization of the host atom, becomes the more dominant conversion process. The linear attenuation coefficient contribution for Compton scattering is given by: which is much faster than the average decay time in photoluminescence.
Перевозка заряда возбужденных носителей
Вторая стадия сцинтилляции – это перенос заряда термизованных электронов и дырок к центрам люминесценции и передача энергии атомам, участвующим в процессе люминесценции. На этой стадии большое количество электронов и дырок, образовавшихся в процессе преобразования, перемещаются внутри материала. Вероятно, это один из наиболее критических этапов сцинтилляции, поскольку именно на нём обычно происходит большая часть потерь эффективности из-за таких эффектов, как захват носителей заряда или нерадиационная рекомбинация. Эти явления в основном обусловлены наличием дефектов в кристалле сцинтиллятора, таких как примеси, ионные вакансии и границы зерен. Перенос заряда также может ограничивать временное разрешение процесса сцинтилляции. Этап переноса заряда также является одним из наименее изученных аспектов сцинтилляции и сильно зависит от типа материала и его собственных свойств проводимости заряда.
The second stage of scintillation is the charge transport of thermalized electrons and holes towards luminescence centers and the energy transfer to the atoms involved in the luminescence process. In this stage, the large number of electrons and holes that have been generated during the conversion process, migrate inside the material. This is probably one of the most critical phases of scintillation, since it's generally in this stage where most loss of efficiency occur due to effects such as trapping or non radiative recombination. These are mainly caused by the presence of defects in the scintillator crystal, such as impurities, ionic vacancies, and grain boundaries. The charge transport can also become a bottleneck for the timing of the scintillation process. The charge transport phase is also one of the least understood parts of scintillation and depends strongly on the type material involved and its intrinsic charge conduction properties.
Люминесценция
Как только электроны и дырки достигают центров люминесценции, наступает третья и заключительная стадия сцинтилляции: люминесценция. На этой стадии электроны и дырки захватываются люминесцентным центром по потенциальным траекториям, а затем происходит их радиационная рекомбинация. Конкретные детали фазы люминесценции также зависят от типа материала, используемого для сцинтилляции.
Once the electrons and holes reach the luminescence centers, the third and final stage of scintillation occurs: luminescence. In this stage the electrons and holes are captured potential paths by the luminescent center, and then the electrons and hole recombine radiatively. The exact details of the luminescence phase also depend on the type of material used for scintillation.
Неорганические кристаллы
Для фотонов, таких как гамма-лучи, часто используются кристаллы NaI, активированные таллием (NaI(Tl)). Для более быстрой реакции (но с выходной мощностью всего 5%) можно использовать кристаллы CsF.
For photons such as gamma rays, thallium activated NaI crystals (NaI(Tl)) are often used. For a faster response (but only 5% of the output) CsF crystals can be used.