1. Definiție și principiu
Scintilatorii sunt materiale care sunt capabile să convertească radiațiile de înaltă energie, cum ar fi razele X sau gamma, în lumină vizibilă sau aproape vizibilă. Ei sunt utilizați pe scară largă ca detectori în diagnosticul medical, în fizica energiilor înalte și în explorarea geofizică (ref. Knoll). Scintilatorii pot fi gazoși, lichizi sau solizi, organici sau anorganici (sticlă, monocristal, ceramică). Detectoarele bazate pe scintilatori (fig. 1) sunt compuse, în esență, dintr-un material scintilator și un fotodetector care poate fi fie un tub fotomultiplicator (PMT), fie o fotodiodă. Rolul fotodetectorului este de a converti lumina care iese din scintilator într-un semnal electric.
Tuburile fotomultiplicatoare sunt cei mai comuni fotodetectori și sunt compuse dintr-un fotocatod urmat de o serie de diode, așa cum se arată în figura 1. Fotonul de lumină lovește fotocatodul, determinându-l să emită un fotoelectron. Fotoelectronii sunt focalizați pe primul dinod. Acest lucru produce electroni care sunt multiplicați la al doilea dinod, apoi din nou la al treilea, de-a lungul întregului lanț. semnalul amplificat este apoi colectat la anod și transmis către circuitele de măsurare. Semnalul electric obținut este proporțional cu numărul de fotoelectroni, Nphe.

Figura 1: Schema unui detector cu scintilație care cuprinde un material de scintilație cuplat la un tub fotomultiplicator.
2. Mecanismul scintilatorului
Fenomenul fizic al scintilării este un proces complex care poate fi împărțit în trei subprocese principale (fig. 2): Conversia, transferul de energie și luminescența. Interacțiunea unei radiații electromagnetice cu materia are loc prin trei mecanisme: Efectul fotoelectric, împrăștierea Compton și crearea de perechi electron-pozitron, în funcție de energia radiației incidente. Efectul fotoelectric și împrăștierea Compton sunt mecanismele dominante pentru energii mici (sub 100 keV) și, respectiv, medii (între 100 keV și 1 MeV). Pentru energii de peste 1,02 MeV, interacțiunea radiației cu materia este guvernată de crearea de perechi electron-pozitron.

Figura 2: Mecanismul de scintilație. (Imagine de M. Nikl)
Când radiația este absorbită de materialul scintilator, are loc o creare de perechi primare electron-gaură care generează perechi secundare printr-un efect de cascadă. Când energia excitațiilor electronice devine sub pragul de ionizare, are loc termalizarea. La sfârșitul acestei etape, toți electronii se află în partea de jos a benzii de conducție, iar găurile în partea de sus a benzii de valență. Această primă etapă se încheie în mai puțin de o picosecundă.
După etapa de termizare, perechile de electroni liberi și găuri migrează prin material astfel încât își transferă energia către centrii luminescenți. Transferul de energie este foarte rapid și se poate realiza în 10-12 până la 10-8s. Odată realizat transferul de energie, are loc ultima etapă a scintilației, și anume luminescența. Durata luminescenței depinde de centrii luminescenți și poate dura mai mult de 10-10s.
Energia fotonului emis este un parametru important care permite diferențierea între radioizotopi. Într-adevăr, energia fotonilor emiși este legată de energia radiației primite. În funcție de natura acestei relații, se poate determina sursa radioactivă. În cazul materialelor scintilatoare, este de preferat efectul fotoelectric, deoarece radiația totală primită este absorbită de mediu. Efectul Compton generează fotoni cu mai puțină energie, ceea ce conduce la surse de eroare. Pentru a crește probabilitatea de apariție a efectului fotoelectric, se preferă materialele cu număr atomic Z ridicat și cu o fracție fotoelectrică mare. Fracția fotoelectrică este proporția de fotoni de intrare care interacționează cu materia prin efect fotoelectric.
3. Caracteristicile scintilatoarelor.
– Randament luminos (fotoni/MeV): Numărul de fotoni emiși per energie absorbită.
– Rezoluția energetică (%): Capacitatea unui material de a face distincție între două radiații cu energii ușor diferite.
– Timp de dezintegrare (s): Cinetica răspunsului la lumină I(t) caracterizat de tau.
– Strălucire ulterioară: Emisia de lumină reziduală care apare după timpul de descreștere primară a principalilor centri luminescenți.
– Puterea de oprire: Coeficientul de atenuare a radiației absorbite, pentru o anumită grosime a unui material.
4. Fabricarea scintilatoarelor.
Până de curând, scintilatorii anorganici sunt sub formă de monocristale. Aceștia sunt produși de obicei prin tehnici de creștere din topitură, cum ar fi metoda Czochralski sau Bridgman-Stockbarger.

Figuri 3 & 4. Aparatul Czochralski (stânga) și cuptorul Bridgman-Stockbarger (dreapta).
Aparatul Czochralski este prezentat în figura 3. Se atașează un cristal de sămânță la partea inferioară a unui braț vertical, astfel încât sămânța să fie abia în contact cu materialul de la suprafața topiturii. Brațul este ridicat încet, iar dedesubt crește un cristal la interfața dintre cristal și topitură. De obicei, cristalul este rotit încet, astfel încât neomogenitățile din lichid să nu fie reproduse în cristal. Pe baza măsurătorilor greutății cristalului în timpul procesului de tragere, aparatele controlate de calculator pot varia viteza de tragere pentru a produce orice diametru dorit. Pe măsură ce sămânța este extrasă, materialul se solidifică și, în cele din urmă, se produce un bulgăre circular mare. Metoda Czochralski este utilizată de obicei pentru materiale cu punct de topire ridicat.
Aparatul Bridgman-Stockbarger este prezentat în figura 4. Metoda constă în încălzirea unui material policristalin într-o fiolă sigilată, care are o formă cilindrică cu un capăt inferior conic. Încălzitoarele mențin starea topită. Pe măsură ce fiola este coborâtă încet într-o regiune mai rece (regiunea albastră), un cristal începe să crească în vârful conic. Ampola este coborâtă cu o rată care se potrivește cu creșterea cristalului, astfel încât interfața dintre cristal și topitură să fie întotdeauna la aceeași temperatură. Viteza de deplasare a fiolei depinde de temperatură și de material. Atunci când se realizează cu succes, întregul material topit din fiolă crește într-un singur cristal mare. Un strat de impurități crește la interfața dintre topitură și solid pe măsură ce această suprafață se deplasează în susul topiturii, iar impuritățile se concentrează în partea superioară a cristalului. Această metodă este foarte potrivită pentru materialele cu punct de topire scăzut și sensibile la aer, cum ar fi iodura de stronțiu.
>>Întoarceți la pagina de fond & Fundamente

.