1. Definicja i zasada
Scyntylatory są materiałami, które są w stanie przekształcić promieniowanie o wysokiej energii, takie jak promienie X lub gamma, na światło widzialne lub bliskie widzialności. Są one szeroko stosowane jako detektory w diagnostyce medycznej, fizyce wysokich energii i badaniach geofizycznych (ref. Knoll). Scyntylatory mogą być gazowe, ciekłe lub stałe, organiczne lub nieorganiczne (szklane, monokrystaliczne, ceramiczne). Detektory oparte na scyntylatorach (rys. 1) składają się zasadniczo z materiału scyntylacyjnego oraz fotodetektora, którym może być lampa fotopowielaczowa (PMT) lub fotodioda. Rolą fotodetektora jest przekształcenie światła wychodzącego ze scyntylatora na sygnał elektryczny.
Rurki fotopowielaczowe są najbardziej rozpowszechnionymi fotodetektorami i składają się z fotokatody, po której następuje seria dynod, jak pokazano na rysunku 1. Foton świetlny uderza w fotokatodę, powodując emisję fotoelektronu. Fotoelektrony są skupiane na pierwszej dynodzie. Powstają elektrony, które są zwielokrotniane na drugiej diodzie, a następnie na trzeciej, aż do końca łańcucha. Wzmocniony sygnał jest następnie zbierany na anodzie i przekazywany do obwodów pomiarowych. Otrzymany sygnał elektryczny jest proporcjonalny do liczby fotoelektronów, Nphe.

Rysunek 1: Schemat detektora scyntylacyjnego składającego się z materiału scyntylacyjnego sprzężonego z lampą fotopowielacza.
2. Mechanizm działania scyntylatora
Zjawisko fizyczne scyntylacji jest złożonym procesem, który można podzielić na trzy główne procesy cząstkowe (rys. 2): Konwersję, transfer energii i luminescencję. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią zachodzi poprzez trzy mechanizmy: Efekt fotoelektryczny, rozpraszanie Comptona oraz tworzenie pary elektron-pozyton w zależności od energii padającego promieniowania. Efekt fotoelektryczny i rozpraszanie Comptona są dominującymi mechanizmami odpowiednio dla niskich (poniżej 100 keV) i średnich energii (pomiędzy 100 keV a 1 MeV). Dla energii powyżej 1,02 MeV oddziaływanie promieniowania z materią jest regulowane przez kreację pary elektron-pozyton.

Rysunek 2: Mechanizm scyntylacji. (Image by M. Nikl)
Gdy promieniowanie jest absorbowane przez materiał scyntylatora, następuje kreacja pierwotnych par elektron-dziura, które generują pary wtórne w wyniku efektu kaskadowego. Gdy energia wzbudzeń elektronicznych spadnie poniżej progu jonizacji, następuje termalizacja. Na końcu tego etapu wszystkie elektrony znajdują się na dole pasma przewodnictwa, a dziury na górze pasma walencyjnego. Ten pierwszy etap kończy się w czasie krótszym niż pikosekunda.
Po etapie termalizacji, wolne pary elektron-dziura migrują przez materiał tak, że przekazują swoją energię do centrów luminescencyjnych. Transfer energii jest bardzo szybki i może być dokonany w czasie od 10-12 do 10-8s. Gdy transfer energii jest już dokonany, następuje ostatni etap scyntylacji, czyli luminescencja. Czas trwania luminescencji zależy od centrów luminescencyjnych i może trwać ponad 10-10s.
Energia emitowanego fotonu jest ważnym parametrem, który pozwala na rozróżnienie radioizotopów. Istotnie, energia emitowanych fotonów jest związana z energią promieniowania przychodzącego. W zależności od charakteru tej zależności można określić źródło promieniotwórcze. W przypadku materiałów scyntylacyjnych preferowany jest efekt fotoelektryczny, ponieważ całe promieniowanie przychodzące jest pochłaniane przez ośrodek. Efekt Comptona generuje fotony o mniejszej energii, co prowadzi do powstawania błędnych źródeł. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia efektu fotoelektrycznego, preferowane są materiały o wysokiej liczbie atomowej Z i wysokiej frakcji fotoelektrycznej. Frakcja fotoelektryczna jest to część przychodzących fotonów, które oddziałują z materią poprzez efekt fotoelektryczny.
3. Charakterystyka scyntylatorów.
– Wydajność świetlna (fotony/MeV): Liczba wyemitowanych fotonów na zaabsorbowaną energię.
– Rozdzielczość energetyczna (%): Zdolność materiału do rozróżniania dwóch promieniowań o nieznacznie różniących się energiach.
– Czas zanikania (s): Kinetyka reakcji świetlnej I(t) charakteryzowana przez tau.
– Afterglow: Resztkowy strumień świetlny występujący po czasie pierwotnego zaniku głównych centrów luminescencyjnych.
– Moc zatrzymania: Współczynnik tłumienia zaabsorbowanego promieniowania, dla danej grubości materiału.
4. wytwarzanie scyntylatorów.
Do niedawna scyntylatory nieorganiczne występowały w postaci pojedynczych kryształów. Zazwyczaj są one wytwarzane technikami wzrostu ze stopu, takimi jak metoda Czochralskiego czy Bridgmana-Stockbargera.

Rysunki 3 & 4. Aparat Czochralskiego (po lewej) i piec Bridgmana-Stockbargera (po prawej).
Przyrząd Czochralskiego jest pokazany na rysunku 3. Do dolnej części pionowego ramienia przymocowuje się kryształ nasienny w taki sposób, że nasiono ledwie styka się z materiałem na powierzchni stopionego metalu. Ramię jest podnoszone powoli, a kryształ rośnie pod nim na granicy kryształu i stopu. Zwykle kryształ jest obracany powoli, tak aby niehomogeniczności w cieczy nie były powielane w krysztale. W oparciu o pomiary masy kryształu podczas procesu wyciągania, sterowane komputerowo aparaty mogą zmieniać szybkość wyciągania, aby uzyskać dowolną pożądaną średnicę. W miarę wydobywania nasion, materiał krzepnie i ostatecznie powstaje duża okrągła kostka. Metoda Czochralskiego jest zwykle stosowana dla materiałów o wysokiej temperaturze topnienia.
Przyrząd Bridgmana-Stockbargera pokazany jest na rysunku 4. Metoda ta polega na ogrzewaniu materiału polikrystalicznego w zamkniętej ampułce, która ma kształt cylindryczny ze stożkowym zakończeniem dolnym. Grzałki utrzymują stan stopiony. Gdy ampułka jest powoli opuszczana w chłodniejszy rejon (rejon niebieski), w stożkowej końcówce zaczyna rosnąć kryształ. Ampułka jest opuszczana w tempie, które odpowiada wzrostowi kryształu, tak że interfejs między kryształem a stopem ma zawsze tę samą temperaturę. Szybkość przesuwania ampułki zależy od temperatury i materiału. Jeśli proces przebiega pomyślnie, cały stopiony materiał w ampułce rośnie w pojedynczy duży kryształ. Warstwa zanieczyszczeń rośnie na granicy stopu i ciała stałego, ponieważ powierzchnia ta przesuwa się w górę stopu, a zanieczyszczenia koncentrują się w wyższej części kryształu. Metoda ta dobrze nadaje się do materiałów o niskiej temperaturze topnienia i wrażliwych na powietrze, takich jak jodek strontu.
>>Powrót do strony tła &Podstawy

.