1. Definitie en Principe
Scintillatoren zijn materialen die hoogenergetische straling, zoals röntgen- of gammastraling, kunnen omzetten in een bijna zichtbaar of zichtbaar licht. Zij worden wijd gebruikt als detectoren in medische diagnostiek, hoge energiefysica en geofysische exploratie (ref. Knoll). Scintillatoren kunnen gasvormig, vloeibaar of vast zijn, organisch of anorganisch (glas, monokristal, keramiek). Detectoren op basis van scintillatoren (fig. 1) bestaan in hoofdzaak uit een scintillatormateriaal en een fotodetector die een fotomultiplicatorbuis (PMT) of een fotodiode kan zijn. De rol van de fotodetector is het uittredende licht van de scintillator om te zetten in een elektrisch signaal.
Fotomultiplicatorbuizen zijn de meest gebruikelijke fotodetectoren, en bestaan uit een fotokathode gevolgd door een reeks dynoden, zoals afgebeeld in figuur 1. Het lichtfoton valt op de fotokathode, waardoor deze een foto-elektron uitzendt. De foto-elektronen worden gericht op de eerste dynode. Het versterkte signaal wordt dan verzameld aan de anode en doorgegeven aan de meetcircuits. Het verkregen elektrische signaal is evenredig met het aantal foto-elektronen, Nphe.

Figuur 1: Schematische voorstelling van een scintillatiedetector bestaande uit een scintillatiemateriaal gekoppeld aan een fotomultiplicatorbuis.
2. Scintillatormechanisme
Het fysische verschijnsel van scintillatie is een complex proces dat kan worden onderverdeeld in drie belangrijke subprocessen (fig. 2): Omzetting, energieoverdracht en luminescentie. De wisselwerking van elektromagnetische straling met materie verloopt via drie mechanismen: Foto-elektrisch effect, Compton verstrooiing en elektron-positron paar creatie, afhankelijk van de energie van de invallende straling. Foto-elektrisch effect en Compton-verstrooiing zijn dominante mechanismen voor respectievelijk lage (onder 100 keV) tot middelhoge energieën (tussen 100 keV en 1 MeV). Voor energieën boven 1,02 MeV wordt de interactie van de straling met de materie beheerst door de elektron-positronpaarvorming.

Figuur 2: Scintillatiemechanisme. (Afbeelding door M. Nikl)
Wanneer de straling door het scintillatormateriaal wordt geabsorbeerd, ontstaan er primaire elektron-gatparen die door een cascade-effect secundaire paren genereren. Wanneer de energie van de elektronische excitaties onder de ionisatiedrempel komt, vindt de thermisatie plaats. Aan het eind van deze fase bevinden alle elektronen zich onderaan de geleidingsband en de gaten bovenaan de valentieband. Deze eerste stap is voltooid binnen minder dan een picoseconde.
Na de thermalisatiefase migreren de vrije elektron-gatenparen door het materiaal, zodat zij hun energie overdragen aan de luminescentiecentra. De energieoverdracht is zeer snel en kan plaatsvinden in 10-12 tot 10-8s. Zodra de energieoverdracht heeft plaatsgevonden, vindt de laatste fase van scintillatie plaats, namelijk de luminescentie. De duur van de luminescentie hangt af van de luminescentiecentra en kan meer dan 10-10s duren.
De energie van het uitgezonden foton is een belangrijke parameter die het mogelijk maakt radio-isotopen van elkaar te onderscheiden. De energie van de uitgezonden fotonen is namelijk gerelateerd aan de energie van de inkomende straling. Afhankelijk van de aard van deze relatie kan men de radioactieve bron bepalen. In het geval van scintillatormaterialen moet de voorkeur worden gegeven aan het foto-elektrisch effect, omdat de volledige inkomende straling door het medium wordt geabsorbeerd. Het Compton-effect genereert fotonen met minder energie, hetgeen tot foutieve bronnen leidt. Om de waarschijnlijkheid dat het foto-elektrisch effect optreedt te vergroten, wordt de voorkeur gegeven aan materialen met een hoog atoomnummer Z en een hoge foto-elektrische fractie. De foto-elektrische fractie is het deel van de inkomende fotonen dat door foto-elektrisch effect een wisselwerking met de materie aangaat.
3. Kenmerken van scintillatoren.
– Lichtopbrengst (fotonen/MeV): Aantal uitgezonden fotonen per geabsorbeerde energie.
– Energieresolutie (%): Vermogen van een materiaal om onderscheid te maken tussen twee stralingen van enigszins verschillende energieën.
– Vervaltijd (s): Kinetiek van de lichtrespons I(t) gekarakteriseerd door tau.
– Nagloei: Resterende lichtopbrengst die optreedt na de primaire vervaltijd van de belangrijkste luminescente centra.
– Stopvermogen: Verzwakkingscoëfficiënt van de geabsorbeerde straling, voor een gegeven dikte van een materiaal.
4. Fabricage van scintillatoren.
Tot voor kort werden anorganische scintillatoren vervaardigd in de vorm van enkele kristallen. Deze worden meestal geproduceerd door middel van groeitechnieken uit de smelt, zoals de Czochralski- of de Bridgman-Stockbarger-methode.

Figuren 3 & 4. Czochralski-apparaat (links) en Bridgman-Stockbarger-oven (rechts).
Het Czochralski-apparaat is afgebeeld in figuur 3. Men bevestigt een zaadkristal aan de onderkant van een verticale arm, zodanig dat het zaad nauwelijks in contact is met het materiaal aan het oppervlak van de smelt. De arm wordt langzaam opgetild, en er groeit een kristal onder aan het grensvlak tussen het kristal en de smelt. Gewoonlijk wordt het kristal langzaam rondgedraaid, zodat inhomogeniteiten in de vloeistof niet in het kristal worden gerepliceerd. Op basis van metingen van het gewicht van het kristal tijdens het trekproces, kunnen computergestuurde apparaten de treksnelheid variëren om elke gewenste diameter te produceren. Naarmate het zaad wordt geëxtraheerd, stolt het materiaal en wordt uiteindelijk een grote ronde boule geproduceerd. De Czochralski-methode wordt gewoonlijk gebruikt voor materialen met een hoog smeltpunt.
Het Bridgman-Stockbarger-apparaat is afgebeeld in figuur 4. Bij deze methode wordt een polykristallijn materiaal verwarmd in een afgesloten ampul, die een cilindrische vorm heeft met een conisch ondereind. Verwarmingselementen houden de gesmolten toestand in stand. Wanneer de ampul langzaam wordt neergelaten in een koeler gebied (blauw gebied), begint er een kristal te groeien in het kegelvormige uiteinde. De ampul wordt neergelaten met een snelheid die overeenkomt met de groei van het kristal, zodat het grensvlak tussen kristal en smelt steeds dezelfde temperatuur heeft. De snelheid waarmee de ampul wordt verplaatst, hangt af van de temperatuur en het materiaal. Wanneer dit met succes gebeurt, groeit het gehele gesmolten materiaal in de ampul uit tot één groot kristal. Naarmate dit oppervlak van de smelt omhoog beweegt, groeit er een laag onzuiverheden op het grensvlak tussen smelt en vaste stof, en de onzuiverheden raken geconcentreerd in het hogere deel van het kristal. Deze methode is zeer geschikt voor materialen met een laag smeltpunt en gevoelig voor lucht, zoals Strontiumjodide.
>>terug naar achtergrond & Fundamentele pagina