1. Definition und Prinzip
Szintillatoren sind Materialien, die in der Lage sind, hochenergetische Strahlung wie Röntgen- oder Gammastrahlen in nahezu sichtbares oder sichtbares Licht umzuwandeln. Sie werden häufig als Detektoren in der medizinischen Diagnostik, der Hochenergiephysik und der geophysikalischen Forschung eingesetzt (vgl. Knoll). Szintillatoren können gasförmig, flüssig oder fest, organisch oder anorganisch (Glas, Einkristall, Keramik) sein. Auf Szintillatoren basierende Detektoren (Abb. 1) bestehen im Wesentlichen aus einem Szintillatormaterial und einem Photodetektor, der entweder eine Photomultiplier-Röhre (PMT) oder eine Photodiode sein kann. Die Aufgabe des Photodetektors besteht darin, das vom Szintillator ausgehende Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Photomultiplier-Röhren sind die gebräuchlichsten Photodetektoren und bestehen aus einer Photokathode, gefolgt von einer Reihe von Dynoden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Das Lichtphoton trifft auf die Photokathode, wodurch diese ein Photoelektron aussendet. Die Fotoelektronen werden auf die erste Dynode fokussiert. Dadurch werden Elektronen erzeugt, die an der zweiten Dynode und an der dritten Dynode vervielfacht werden, so dass das verstärkte Signal an der Anode gesammelt und an die Messschaltungen weitergeleitet wird. Das erhaltene elektrische Signal ist proportional zur Anzahl der Photoelektronen, Nphe.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Szintillationsdetektors mit einem Szintillationsmaterial, das an eine Photomultiplier-Röhre gekoppelt ist.
2. Mechanismus des Szintillators
Das physikalische Phänomen der Szintillation ist ein komplexer Prozess, der in drei Hauptunterprozesse unterteilt werden kann (Abb. 2): Umwandlung, Energieübertragung und Lumineszenz. Die Wechselwirkung einer elektromagnetischen Strahlung mit der Materie erfolgt durch drei Mechanismen: Photoelektrischer Effekt, Compton-Streuung und Elektron-Positron-Paarbildung in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Strahlung. Der photoelektrische Effekt und die Compton-Streuung sind die dominierenden Mechanismen für niedrige (unter 100 keV) bzw. mittlere Energien (zwischen 100 keV und 1 MeV). Bei Energien über 1,02 MeV wird die Wechselwirkung der Strahlung mit der Materie durch die Elektron-Positron-Paarbildung bestimmt.

Abbildung 2: Szintillationsmechanismus. (Bild von M. Nikl)
Wenn die Strahlung von dem Szintillatormaterial absorbiert wird, entstehen primäre Elektron-Loch-Paare, die durch einen Kaskadeneffekt sekundäre Paare erzeugen. Wenn die Energie der elektronischen Anregungen unter die Ionisationsschwelle fällt, findet die Thermalisierung statt. Am Ende dieser Phase befinden sich alle Elektronen am unteren Ende des Leitungsbandes und die Löcher am oberen Ende des Valenzbandes. Dieser erste Schritt ist in weniger als einer Pikosekunde abgeschlossen.
Nach der Thermalisierungsphase wandern die freien Elektronen-Loch-Paare durch das Material, so dass sie ihre Energie auf die Lumineszenzzentren übertragen. Der Energietransfer ist sehr schnell und kann in 10-12 bis 10-8s erfolgen. Sobald der Energietransfer erfolgt ist, findet die letzte Stufe der Szintillation, die Lumineszenz, statt. Die Dauer der Lumineszenz hängt von den Lumineszenzzentren ab und kann mehr als 10-10s dauern.
Die Energie des emittierten Photons ist ein wichtiger Parameter, der die Unterscheidung zwischen Radioisotopen ermöglicht. Die Energie der emittierten Photonen hängt nämlich mit der Energie der einfallenden Strahlung zusammen. Je nach der Art dieser Beziehung kann man die radioaktive Quelle bestimmen. Bei Szintillatormaterialien ist der photoelektrische Effekt zu bevorzugen, da die gesamte einfallende Strahlung vom Medium absorbiert wird. Der Compton-Effekt erzeugt Photonen mit geringerer Energie, was zu Fehlerquellen führt. Um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des photoelektrischen Effekts zu erhöhen, werden Materialien mit hoher Ordnungszahl Z und hohem photoelektrischen Anteil bevorzugt. Der photoelektrische Anteil ist der Anteil der einfallenden Photonen, die mit der Materie durch den photoelektrischen Effekt wechselwirken.
3. Merkmale von Szintillatoren.
– Lichtausbeute (Photonen/MeV): Anzahl der emittierten Photonen pro absorbierter Energie.
– Energieauflösung (%): Fähigkeit eines Materials, zwischen zwei Strahlungen mit leicht unterschiedlicher Energie zu unterscheiden.
– Abklingzeit (s): Kinetik der Lichtreaktion I(t), charakterisiert durch tau.
– Nachglühen: Restlichtleistung, die nach der primären Abklingzeit der Hauptlumineszenzzentren auftritt.
– Stoppleistung: Schwächungskoeffizient der absorbierten Strahlung bei einer bestimmten Dicke eines Materials.
4. Herstellung von Szintillatoren.
Bis vor kurzem wurden anorganische Szintillatoren in Form von Einkristallen hergestellt. Diese werden typischerweise durch Züchtungstechniken aus der Schmelze wie dem Czochralski- oder Bridgman-Stockbarger-Verfahren hergestellt.

Abbildungen 3 & 4. Czochralski-Apparat (links) und Bridgman-Stockbarger-Ofen (rechts).
Der Czochralski-Apparat ist in Abbildung 3 dargestellt. Man befestigt einen Impfkristall an der Unterseite eines vertikalen Arms, so dass der Impfkristall kaum Kontakt mit dem Material an der Oberfläche der Schmelze hat. Der Arm wird langsam angehoben, und darunter wächst ein Kristall an der Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze. In der Regel wird der Kristall langsam gedreht, so dass sich Inhomogenitäten in der Flüssigkeit nicht im Kristall widerspiegeln. Auf der Grundlage von Messungen des Gewichts des Kristalls während des Ziehvorgangs können computergesteuerte Geräte die Ziehgeschwindigkeit variieren, um jeden gewünschten Durchmesser zu erzeugen. Bei der Entnahme des Keims verfestigt sich das Material, und schließlich entsteht eine große runde Kugel. Das Czochralski-Verfahren wird in der Regel für Materialien mit hohem Schmelzpunkt verwendet.
Der Bridgman-Stockbarger-Apparat ist in Abbildung 4 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird ein polykristallines Material in einer verschlossenen Ampulle erhitzt, die eine zylindrische Form mit einem konischen unteren Ende hat. Heizelemente halten den geschmolzenen Zustand aufrecht. Wenn die Ampulle langsam in einen kühleren Bereich (blauer Bereich) abgesenkt wird, beginnt ein Kristall in der konischen Spitze zu wachsen. Die Ampulle wird mit einer Geschwindigkeit abgesenkt, die dem Wachstum des Kristalls entspricht, so dass die Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze immer die gleiche Temperatur hat. Die Geschwindigkeit, mit der die Ampulle bewegt wird, hängt von der Temperatur und dem Material ab. Bei erfolgreicher Durchführung wächst das gesamte geschmolzene Material in der Ampulle zu einem einzigen großen Kristall heran. An der Grenzfläche zwischen Schmelze und Feststoff bildet sich eine Schicht von Verunreinigungen, die sich im oberen Teil des Kristalls konzentriert. Diese Methode eignet sich gut für Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt, die empfindlich auf Luft reagieren, wie z. B. Strontiumiodid.
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