1. Määritelmä ja periaate
Sintillaattorit ovat materiaaleja, jotka pystyvät muuntamaan suurienergistä säteilyä, kuten röntgen- tai gammasäteilyä, lähes näkyväksi tai näkyväksi valoksi. Niitä käytetään laajalti ilmaisimina lääketieteellisessä diagnostiikassa, suurenergiafysiikassa ja geofysikaalisessa tutkimuksessa (ref. Knoll). Sintillaattorit voivat olla kaasumaisia, nestemäisiä tai kiinteitä, orgaanisia tai epäorgaanisia (lasi, yksikide, keramiikka). Skintillaattoreihin perustuvat ilmaisimet (kuva 1) koostuvat pääasiassa skintillaattorimateriaalista ja valodetektorista, joka voi olla joko fotomonistinputki (PMT) tai fotodiodi. Fotodetektorin tehtävänä on muuntaa skintillaattorista tuleva valo sähköiseksi signaaliksi.
Fotomonistinputket ovat yleisimpiä fotodetektoreita, ja ne koostuvat fotokatodista, jota seuraa sarja dynodeja kuvan 1 mukaisesti. Valon fotoni osuu fotokatodiin, jolloin se emittoi fotoelektronin. Fotoelektronit fokusoituvat ensimmäiseen dynodiin. Tämä tuottaa elektroneja, jotka moninkertaistuvat toisella dynodilla ja jälleen kolmannella dynodilla koko ketjun ajan.Vahvistettu signaali kerätään sitten anodille ja johdetaan ulos mittauspiireihin. Saatu sähköinen signaali on verrannollinen fotoelektronien määrään, Nphe.

Kuva 1: Kaaviokuva tuikeilmaisimesta, joka koostuu tuikeaineesta, joka on kytketty valomonistinputkeen.
2. Tuikeilmaisimen mekanismi
Tuikeilmaisimen fysikaalinen ilmiö on monimutkainen prosessi, joka voidaan jakaa kolmeen tärkeimpään osaprosessiin (kuva 2): Konversio, energiansiirto ja luminesenssi. Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus aineen kanssa tapahtuu kolmen mekanismin kautta: Valosähköinen vaikutus, Comptonin sironta ja elektroni-positroniparin muodostuminen, jotka riippuvat saapuvan säteilyn energiasta. Valosähköinen vaikutus ja Comptonin sironta ovat hallitsevia mekanismeja matalilla (alle 100 keV) ja keskipitkillä energioilla (100 keV-1 MeV). Yli 1,02 MeV:n energioissa säteilyn ja aineen välistä vuorovaikutusta hallitsee elektroni-positronipari.

Kuva 2: Tuikeusmekanismi. (Kuva: M. Nikl)
Kun säteily absorboituu tuikeaineeseen, syntyy primaarisia elektroni-aukkopareja, jotka synnyttävät sekundaaripareja kaskadiefektin avulla. Kun elektroniherätteiden energia alittaa ionisaatiokynnyksen, tapahtuu termalisoituminen. Tämän vaiheen lopussa kaikki elektronit ovat johtumiskaistan alaosassa ja reiät valenssikaistan yläosassa. Tämä ensimmäinen vaihe saadaan päätökseen alle pikosekunnissa.
Termalisoitumisvaiheen jälkeen vapaat elektroni-aukkoparit vaeltavat materiaalin läpi niin, että ne siirtävät energiansa luminesenssikeskuksiin. Energiansiirto on hyvin nopeaa ja voi tapahtua 10-12-10-8s:ssa. Kun energiansiirto on tapahtunut, tapahtuu tuikahduksen viimeinen vaihe eli luminesenssi. Luminesenssin kesto riippuu luminesenssikeskuksista, ja se voi kestää yli 10-10s.
Emmittoituneen fotonin energia on tärkeä parametri, jonka avulla radioisotoopit voidaan erottaa toisistaan. Emittoituneiden fotonien energia liittyy nimittäin saapuvan säteilyn energiaan. Tämän suhteen luonteesta riippuen voidaan määrittää radioaktiivinen lähde. Skintillaattorimateriaalien tapauksessa valosähköistä vaikutusta suositaan, koska koko tuleva säteily absorboituu väliaineeseen. Comptonin vaikutus tuottaa fotoneja, joiden energia on pienempi, mikä johtaa virhelähteisiin. Valosähköisen vaikutuksen esiintymistodennäköisyyden lisäämiseksi suositaan materiaaleja, joilla on korkea atomiluku Z ja suuri valosähköinen osuus. Valosähköinen fraktio on niiden saapuvien fotonien osuus, jotka vuorovaikuttavat aineen kanssa valosähköisen vaikutuksen avulla.
3. Tuikettimien ominaisuudet.
– Valontuotto (fotoneja/MeV): Emittoituneiden fotonien määrä absorboitunutta energiaa kohti.
– Energiaresoluutio (%): Materiaalin kyky erottaa kaksi energialtaan hieman erilaista säteilyä toisistaan.
– Hajoamisaika (s): Valovasteen I(t) kinetiikka, jota luonnehtii tau.
– Jälkihehku: Pääluminesenssikeskusten ensisijaisen hajoamisajan jälkeen tapahtuva jäännösvaloteho.
– Pysäytysteho: Absorboituneen säteilyn vaimennuskerroin tietyllä materiaalin paksuudella.
4. Skintillaattoreiden valmistus.
Epäorgaaniset tuikarit ovat viime aikoihin asti olleet yksikiteisinä. Ne valmistetaan tyypillisesti kasvattamalla sulasta, kuten Czochralski- tai Bridgman-Stockbarger-menetelmällä.

Kuvat 3 & 4. Czochralski-laite (vasemmalla) ja Bridgman-Stockbarger-uuni (oikealla).
Czochralski-laite on esitetty kuvassa 3. Siemenkide kiinnitetään pystysuoran varren pohjaan siten, että siemen on juuri ja juuri kosketuksissa sulan pinnalla olevan materiaalin kanssa. Varsi nostetaan hitaasti ylös, ja kide kasvaa sen alapuolella kiteen ja sulan välisellä rajapinnalla. Yleensä kide pyörii hitaasti, jotta nesteen inhomogeenisuudet eivät heijastu kiteeseen. Tietokoneohjatut laitteet, jotka perustuvat kiteen painon mittauksiin vetoprosessin aikana, voivat vaihdella vetonopeutta halutun halkaisijan aikaansaamiseksi. Kun siementä vedetään, materiaali jähmettyy ja lopulta syntyy suuri pyöreä kimppu. Czochralski-menetelmää käytetään yleensä materiaaleille, joilla on korkea sulamispiste.
Bridgman-Stockbarger-laite on esitetty kuvassa 4. Menetelmässä monikiteistä materiaalia kuumennetaan suljetussa ampullissa, joka on lieriön muotoinen ja jonka alapää on kartiomainen. Lämmittimet pitävät aineen sulassa tilassa. Kun ampullia lasketaan hitaasti viileämmälle alueelle (sininen alue), kartiomaisessa kärjessä alkaa kasvaa kide. Ampullia lasketaan nopeudella, joka vastaa kiteen kasvua, niin että kiteen ja sulan välinen rajapinta on aina samassa lämpötilassa. Ampullin siirtonopeus riippuu lämpötilasta ja materiaalista. Kun tämä onnistuu, koko ampullissa oleva sula materiaali kasvaa yhdeksi suureksi kiteeksi. Sulan ja kiinteän aineen rajapintaan kasvaa epäpuhtauskerros, kun tämä pinta liikkuu sulassa ylöspäin, ja epäpuhtaudet keskittyvät kiteen korkeampaan osaan. Tämä menetelmä soveltuu hyvin materiaaleille, joilla on matala sulamispiste ja jotka ovat herkkiä ilmalle, kuten strontiumjodidille.
>>Palaa Tausta & Perusteet-sivulle