2.1 Сцинтилляционный процесс
2.1.1.Поглощение энергии веществом и ее последующее испускание в виде видимого или близкого к видимому излучения известно как люминесценция. Причинами, вызывающими люминесценцию, могут быть свет, нагревание, механические напряжения, химические реакции и воздействия заряженных частиц на вещество - люминофор. Вспышки света, вызванные заряженными частицами, обычно называют сцинтилляциями. В настоящее время существует много различных видов сцинтилляторов в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Рассмотрим сцинтилляционный процесс в твердом неорганическом кристаллическом сцинтилляторе. Под действием быстрой заряженной частицы электроны кристалла переходят из заполненной зоны в зону проводимости или на промежуточные уровни, если они существуют в данном кристалле. Возвращение электронов в основное состояние сопровождается испусканием фотонов, длина волны которых обычно лежит в интервале 100 – 700 нм, а полуширина спектральной характеристики составляет 100 нм. Спектр излучения кристалла должен перекрываться со спектральной характеристикой чувствительности применяемого ФЭУ.
2.1.2 В качестве сцинтилляторов берут такие кристаллы, для которых полоса поглощения лежит за пределами частот люминесцентного излучения. Обычно средняя частота основной полосы поглощения больше частоты, соответствующей средней длине волны люминесценции. В этом случае кристаллы будут прозрачны для собственного излучения. Например, сцинтилляция в кристалле NaJ(Tl) имеет среднюю длину волны 410 нм, а спектр поглощения лежит в ультрафиолетовой области и имеет максимумы при 293 нм и 234 нм. Поэтому прозрачность кристалла NaJ(Tl) для собственного излучения (сцинтилляций) близка к 100%.
Часто в кристалл-сцинтиллятор вносят атомы примесных веществ - активаторов. Примерами таких кристаллов могут служить йодистый натрий, активированный таллием NaJ(Tl); сернистый цинк, активированный серебром ZnS(Ag) и др.
Введение активатора повышает световыход кристалла. Существенной характеристикой сцинтиллятора является длительность световой вспышки. Изменение во времени числа фотонов nф в сцинтилляции характеризуется быстрым нарастанием вначале и сравнительно медленным экспоненциальным спадом, поэтому длительность сцинтилляции можно определять постоянной времени затухания процесса τ, т. е. временем, в течение которого интенсивность световой вспышки уменьшится в e раз.
Кристаллы, употребляемые в качестве сцинтилляторов, должны быть флуоресцирующими, т. е. высвечивание возбужденных состояний в них должно происходить сразу после возбуждения. Обычно сцинтилляторы имеют τ = 10−7÷10−9 с.
Существует два широких класса кристаллических сцинтилляторов - неорганические и органические. Неорганические кристаллы представляют собой соли различных металлов, чаще всего щелочных. Активируются неорганические кристаллы атомами тяжелых металлов - Ag, Sn, Tl. Широкое применение получили галогениды щелочных металлов, активированные таллием - NaJ(Tl), CsJ(Tl). Эти кристаллы чаще всего используются для регистрации и спектрометрии -излучения. В процессе взаимодействия гамма-квантов с веществом сцинтиллятора в нем появляются быстрые электроны за счет фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования пар электрон-позитрон. Указанные кристаллы обладают высокой плотностью (3–5 г/см3) и большим эффективным порядковым номером Zэфф (от 30 до 50), поэтому сечения всех упомянутых процессов в этих кристаллах относительно велики. Эффективность регистрации η для γ-лучей с энергией 1 МэВ составляет _20% (для кристалла высотой h=30 мм и диаметром Ø45 мм).
Альфа-частицы и другие тяжелые заряженные частицы обычно регистрируются тонкими слоями микрокристаллов ZnS(Ag), ZnS(Cu), ZnO. Общим недостатком неорганических кристаллов является их относительно большое время высвечивания τ~10−7 с и более.
Органические сцинтилляторы представляют собой ароматические углеводороды, в состав которых входят бензольные кольца. Примерами органических сцинтилляторов могут служить кристаллы антрацена, стильбена, нафталина, раствора парфенила в полистироле и др. Преимуществами органических сцинтилляторов по сравнению с неорганическими является их малое время высвечивания (τ ~10−8÷10−9 с) и высокая эффективность регистрации электронов. Неорганические кристаллы для регистрации электронов обычно не используются, так как электроны испытывают сильное рассеяние на поверхности кристалла и не проникают вглубь кристалла. Для органических кристаллов Zэфф ≈ 6, плотность 1,1–1,3 г/см3.
Нейтроны непосредственно не производят ионизации, однако и их можно регистрировать с помощью сцинтилляционного метода. Быстрые нейтроны регистрируются за счет ионизации, производимой протонами отдачи, которые образуются при упругом рассеянии нейтронов на водороде, входящем в состав органических сцинтилляторов. Тепловые нейтроны можно регистрировать с помощью реакций (n, γ) на ядрах Еu и Cd, которыми активируется сцинтиллятор. Возникающее при этом -излучение регистрируется обычным способом. Реже используются реакции типа (n,α) на легких ядрах, например на литии, входящем в состав кристалла LiJ: 6Li + n → 3H + α, однако при этом велик фон от сопутствующего γ-излучения.