1. Definition og princip
Scintillatorer er materialer, der er i stand til at omdanne stråling med høj energi som f.eks. røntgen- eller gammastråler til nær synligt eller synligt lys. De anvendes i vid udstrækning som detektorer inden for medicinsk diagnostik, højenergifysik og geofysisk udforskning (ref. Knoll). Scintillatorer kan være gasformige, flydende eller faste, organiske eller uorganiske (glas, monokrystaller, keramik). Detektorer baseret på scintillatorer (fig. 1) består hovedsagelig af et scintillatormateriale og en fotodetektor, som enten kan være et fotomultiplikatorrør (PMT) eller en fotodiode. Fotodetektoren har til opgave at konvertere det lys, der kommer fra scintillatoren, til et elektrisk signal.
Fotomultiplikatorrør er de mest almindelige fotodetektorer og består af en fotokatode efterfulgt af en række dynoder, som vist i figur 1. Lysfotonen rammer fotokatoden og får den til at udsende en fotoelektron. Fotoelektronerne fokuseres på den første dynode. Dette frembringer elektroner, som multipliceres på den anden dynode og igen på den tredje dynode hele vejen ned gennem kæden. det forstærkede signal opsamles derefter på anoden og sendes ud til målekredsene. Det opnåede elektriske signal er proportionalt med antallet af fotoelektroner, Nphe.

Figur 1: Skematisk diagram af en scintillationsdetektor bestående af et scintillationsmateriale koblet til et fotomultiplikatorrør.
2. Scintillationsmekanisme
Det fysiske fænomen scintillation er en kompleks proces, som kan opdeles i tre hovedunderprocesser (fig. 2): Konvertering, energioverførsel og luminescens. Interaktionen mellem en elektromagnetisk stråling og stoffet sker gennem tre mekanismer: Den fotoelektriske effekt, Compton-spredning og dannelse af elektron-positronpar afhængigt af den indfaldende strålings energi. Den fotoelektriske effekt og Compton-spredning er de dominerende mekanismer for henholdsvis lave (under 100 keV) og middelhøje energier (mellem 100 keV og 1 MeV). For energier over 1,02 MeV er det elektron-positronpardannelsen, der styrer strålingens vekselvirkning med stoffet.

Figur 2: Scintillationsmekanisme. (Billede af M. Nikl)
Når strålingen absorberes af scintillatormaterialet, dannes der primære elektron-hul-par, som genererer sekundære par ved en kaskadeeffekt. Når energien af de elektroniske excitationer kommer under ioniseringstærsklen, finder termalisering sted. Ved afslutningen af denne fase befinder alle elektronerne sig i bunden af ledningsbåndet og hullerne i toppen af valensbåndet. Dette første trin afsluttes inden for mindre end et picosekund.
Efter termaliseringsfasen vandrer de frie elektronhulpar gennem materialet, således at de overfører deres energi til de luminescerende centre. Energioverførslen er meget hurtig og kan foregå på 10-12 til 10-8s. Når energioverførslen er sket, finder den sidste fase af scintillationen, nemlig luminescens, sted. Luminescensens varighed afhænger af de luminescerende centre og kan tage mere end 10-10s.
Energien af den udsendte foton er en vigtig parameter, som gør det muligt at skelne mellem radioisotoper. Energien af de udsendte fotoner er nemlig relateret til energien af den indkommende stråling. Afhængigt af arten af denne sammenhæng kan man muligvis bestemme den radioaktive kilde. I tilfælde af scintillatormaterialer er den fotoelektriske effekt at foretrække, fordi hele den indkommende stråling absorberes af mediet. Compton-effekten genererer fotoner med mindre energi, hvilket fører til fejlkilder. For at øge sandsynligheden for, at den fotoelektriske effekt opstår, foretrækkes materialer med et højt atomnummer Z og en høj fotoelektrisk fraktion. Den fotoelektriske fraktion er den andel af de indkommende fotoner, der interagerer med stoffet ved fotoelektrisk effekt.
3. Karakteristika for scintillatorer.
– Lysudbytte (fotoner/MeV): Antal udsendte fotoner pr. absorberet energi.
– Energiopløsning (%): Et materiales evne til at skelne mellem to stråler med lidt forskellige energier.
– Henfaldstid (s): Kinetik af lysresponsen I(t) karakteriseret ved tau.
– Efterglød: Restlysudgang, der opstår efter den primære henfaldstid for de vigtigste luminescenscentre.
– Stopstyrke: For en given tykkelse af et materiale: dæmpningskoefficient for den absorberede stråling for en given tykkelse af et materiale.
4. Fremstilling af scintillatorer.
Sindtil for nylig har uorganiske scintillatorer været fremstillet i form af enkeltkrystaller. Disse fremstilles typisk ved dyrkningsteknikker fra smelte, f.eks. ved Czochralski- eller Bridgman-Stockbarger-metoden.

Figurer 3 & 4. Czochralski-apparat (til venstre) og Bridgman-Stockbarger-ovn (til højre).
Czochralski-apparatet er vist i figur 3. Man fastgør en kimkrystal til bunden af en lodret arm, således at kimen kun lige er i kontakt med materialet ved smeltens overflade. Armen hæves langsomt, og en krystal vokser nedenunder ved grænsefladen mellem krystal og smeltemassen. Normalt roteres krystallen langsomt, således at inhomogeniteter i væsken ikke reproduceres i krystallen. På grundlag af målinger af krystallens vægt under trækprocessen kan computerstyrede apparater variere trækhastigheden for at opnå en hvilken som helst ønsket diameter. Efterhånden som frøet trækkes ud, størkner materialet, og til sidst produceres en stor cirkulær boule. Czochralski-metoden anvendes normalt til materialer med højt smeltepunkt.
Bridgman-Stockbarger-apparatet er vist i figur 4. Metoden indebærer opvarmning af et polykrystallinsk materiale i en forseglet ampul, som har en cylindrisk form med en konisk nederste ende. Varmelegemer opretholder den smeltede tilstand. Når ampullen langsomt sænkes ned i et koldere område (det blå område), begynder der at vokse en krystal i den koniske spids. Ampullen sænkes med en hastighed, der svarer til krystalvæksten, således at grænsefladen mellem krystal og smeltetøj altid har den samme temperatur. Hastigheden, hvormed ampullen flyttes, afhænger af temperaturen og materialet. Når det lykkes, vokser hele det smeltede materiale i ampullen til en enkelt stor krystal. Der vokser et lag af urenheder ved grænsefladen mellem smelte og fast stof, efterhånden som denne overflade bevæger sig opad i smeltevandet, og urenhederne koncentreres i den højere del af krystallen. Denne metode er velegnet til materialer med lavt smeltepunkt og følsomme over for luft som f.eks. strontiumjodid.
>>Vend tilbage til Baggrund & Fundamentals page