1. Definice a princip
Scintilátory jsou materiály, které jsou schopny převádět vysokoenergetické záření, jako je rentgenové nebo gama záření, na téměř viditelné nebo viditelné světlo. Jsou široce používány jako detektory v lékařské diagnostice, fyzice vysokých energií a geofyzikálním průzkumu (ref. Knoll). Scintilátory mohou být plynné, kapalné nebo pevné, organické nebo anorganické (sklo, monokrystal, keramika). Detektory založené na scintilátorech (obr. 1) se v podstatě skládají ze scintilačního materiálu a fotodetektoru, kterým může být buď fotonásobič (PMT), nebo fotodioda. Úkolem fotodetektoru je převádět vycházející světlo ze scintilátoru na elektrický signál.
Fotonásobiče jsou nejběžnějšími fotodetektory a skládají se z fotokatody následované řadou dynod, jak je znázorněno na obrázku 1. Fotonásobiče se skládají z fotokatody, za kterou následuje řada dynod. Foton světla dopadá na fotokatodu a způsobuje emisi fotoelektronu. Fotoelektrony jsou soustředěny na první dynodu. Tím vzniknou elektrony, které se násobí na druhé dynodě a znovu na třetí, a to až do konce řetězce. zesílený signál se pak shromažďuje na anodě a předává se do měřicích obvodů. Získaný elektrický signál je úměrný počtu fotoelektronů, Nphe.

Obrázek 1: Schéma scintilačního detektoru sestávajícího ze scintilačního materiálu spojeného s fotonásobičem.
2. Mechanismus scintilátoru
Fyzikální jev scintilace je složitý proces, který lze rozdělit na tři hlavní dílčí procesy (obr. 2): Přeměna, přenos energie a luminiscence. Interakce elektromagnetického záření s hmotou probíhá třemi mechanismy: Fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl a vznik elektron-pozitronových párů v závislosti na energii dopadajícího záření. Fotoelektrický jev a Comptonův rozptyl jsou dominantními mechanismy pro nízké (pod 100 keV), resp. střední energie (mezi 100 keV a 1 MeV). Pro energie nad 1,02 MeV je interakce záření s hmotou řízena tvorbou elektron-pozitronových párů.

Obrázek 2: Mechanismus scintilace. (Obrázek M. Nikl)
Při absorpci záření materiálem scintilátoru dochází ke vzniku primárních párů elektron-díra, které kaskádovým efektem generují sekundární páry. Když se energie elektronických excitací dostane pod práh ionizace, dochází k termalizaci. Na konci této fáze jsou všechny elektrony na dně vodivostního pásu a díry na vrcholu valenčního pásu. Tento první krok je ukončen během méně než pikosekundy.
Po fázi termalizace volné páry elektronů a děr migrují materiálem tak, že předávají svou energii luminiscenčním centrům. Přenos energie je velmi rychlý a může proběhnout během 10-12 až 10-8s. Jakmile dojde k přenosu energie, nastává poslední fáze scintilace, a to luminiscence. Doba trvání luminiscence závisí na luminiscenčních centrech a může trvat více než 10-10 s.
Energie emitovaného fotonu je důležitým parametrem, který umožňuje rozlišit radioizotopy. Energie emitovaných fotonů totiž souvisí s energií přicházejícího záření. V závislosti na charakteru tohoto vztahu lze určit radioaktivní zdroj. V případě scintilačních materiálů je třeba upřednostnit fotoelektrický jev, protože kompletní příchozí záření je absorbováno médiem. Comptonův jev generuje fotony s menší energií, což vede k chybným zdrojům. Aby se zvýšila pravděpodobnost výskytu fotoelektrického jevu, dává se přednost materiálům s vysokým atomovým číslem Z a vysokým fotoelektrickým podílem. Fotoelektrický zlomek je podíl příchozích fotonů, které interagují s látkou fotoelektrickým účinkem.
3. Charakteristiky scintilátorů.
– Světelný výtěžek (fotony/MeV): Počet vyzářených fotonů na absorbovanou energii.
– Energetické rozlišení (%): Schopnost materiálu rozlišit dvě záření s mírně odlišnou energií.
– Doba rozpadu (s): Kinetika světelné odezvy I(t) charakterizovaná tau.
– Afterglow: Zbytkový světelný výkon vyskytující se po době primárního rozpadu hlavních luminiscenčních center.
– Zastavovací výkon: Koeficient útlumu absorbovaného záření pro danou tloušťku materiálu.
4. Výroba scintilátorů.
Do nedávné doby byly anorganické scintilátory ve formě monokrystalů. Ty se obvykle vyrábějí technikami pěstování z taveniny, jako je Czochralského nebo Bridgmanova-Stockbargerova metoda.

Obrázky 3 & 4. V současné době se na základě těchto metod vyrábí a používá tzv. Czochralského přístroj (vlevo) a Bridgmanova-Stockbargerova pec (vpravo).
Na obrázku 3 je znázorněn Czochralského přístroj. Na spodní část svislého ramene se připevní krystal se semenem tak, aby se sotva dotýkal materiálu na povrchu taveniny. Rameno se pomalu zvedá a na rozhraní mezi krystalem a taveninou pod ním roste krystal. Obvykle se krystal pomalu otáčí, aby se nehomogenity v kapalině nekopírovaly do krystalu. Na základě měření hmotnosti krystalu během procesu tažení mohou počítačem řízené přístroje měnit rychlost tažení tak, aby vznikl libovolný požadovaný průměr. Při vytahování semen materiál tuhne a nakonec vznikne velká kruhová koule. Czochralského metoda se obvykle používá pro materiály s vysokým bodem tání.
Přístroj Bridgman-Stockbarger je znázorněn na obrázku 4. Metoda spočívá v zahřívání polykrystalického materiálu v uzavřené ampuli, která má válcový tvar s kuželovitým spodním koncem. Topné těleso udržuje roztavený stav. Když se ampule pomalu spouští do chladnější oblasti (modrá oblast), začne v kuželovém konci růst krystal. Ampule se snižuje rychlostí, která odpovídá růstu krystalu, takže rozhraní mezi krystalem a taveninou má stále stejnou teplotu. Rychlost pohybu ampule závisí na teplotě a materiálu. Při úspěšném postupu vyroste celý roztavený materiál v ampuli do jednoho velkého krystalu. Při pohybu této plochy vzhůru taveninou roste na rozhraní mezi taveninou a pevnou látkou vrstva nečistot, které se koncentrují ve vyšší části krystalu. Tato metoda je vhodná pro materiály s nízkou teplotou tání a citlivé na vzduch, jako je jodid stroncia.
>>Zpět na úvodní stránku &Základy

.