1. Definition och princip
Scintillatorer är material som kan omvandla strålning med hög energi, t.ex. röntgen- eller gammastrålning, till nära synligt eller synligt ljus. De används ofta som detektorer inom medicinsk diagnostik, högenergifysik och geofysisk utforskning (ref. Knoll). Scintillatorer kan vara gasformiga, flytande eller fasta, organiska eller oorganiska (glas, monokristall, keramik). Detektorer baserade på scintillatorer (fig. 1) består i huvudsak av ett scintillatormaterial och en fotodetektor som kan vara antingen ett fotomultiplikatorrör (PMT) eller en fotodiod. Fotodetektorns uppgift är att omvandla scintillatorns utgående ljus till en elektrisk signal.
Fotomultiplikatorrör är de vanligaste fotodetektorerna och består av en fotokatod följt av en serie dynoder enligt figur 1. Ljusfotonen träffar fotokatoden och får den att avge en fotoelektron. Fotoelektronerna fokuseras på den första dynoden. Detta ger upphov till elektroner som multipliceras vid den andra dynoden, och återigen vid den tredje, hela vägen ner i kedjan. den förstärkta signalen samlas sedan in vid anoden och skickas ut till mätkretsarna. Den erhållna elektriska signalen är proportionell mot antalet fotoelektroner, Nphe.

Figur 1: Schematisk bild av en scintillationsdetektor som består av ett scintillationsmaterial kopplat till ett fotomultiplikatorrör.
2. Scintillatorns mekanism
Det fysikaliska fenomenet scintillation är en komplicerad process som kan delas in i tre huvudsakliga delprocesser (fig. 2): Omvandling, energiöverföring och luminescens. Interaktionen mellan en elektromagnetisk strålning och materia sker genom tre mekanismer: Fotoelektrisk effekt, Comptonspridning och skapande av elektron-positronpar beroende på den infallande strålningens energi. Fotoelektrisk effekt och Comptonspridning är dominerande mekanismer för låga (under 100 keV) respektive medelhöga energier (mellan 100 keV och 1 MeV). För energier över 1,02 MeV styrs strålningens interaktion med materien av skapandet av elektron-positronpar.

Figur 2: Scintillationsmekanism. (Bild av M. Nikl)
När strålningen absorberas av scintillatormaterialet skapas primära elektron-hålpar som genererar sekundära par genom en kaskadverkan. När energin för de elektroniska excitationerna blir lägre än joniseringströskeln sker termalisering. I slutet av detta skede befinner sig alla elektroner i botten av ledningsbandet och hålen i toppen av valensbandet. Detta första steg avslutas inom mindre än en picosekund.
Efter termaliseringsfasen vandrar de fria elektronhålparen genom materialet så att de överför sin energi till de självlysande centra. Energiöverföringen är mycket snabb och kan ske på 10-12 till 10-8s. När energiöverföringen väl är gjord sker scintillationens sista steg, nämligen luminescensen. Luminescensens varaktighet beror på de luminescerande centra och kan ta mer än 10-10s.
Energin hos den emitterade fotonen är en viktig parameter som gör det möjligt att skilja mellan radioisotoper. Energin hos de emitterade fotonerna är nämligen relaterad till energin hos den inkommande strålningen. Beroende på hur detta förhållande ser ut kan man eventuellt bestämma den radioaktiva källan. När det gäller scintillatormaterial är den fotoelektriska effekten att föredra eftersom hela den inkommande strålningen absorberas av mediet. Compton-effekten genererar fotoner med mindre energi, vilket leder till felkällor. För att öka sannolikheten för att den fotoelektriska effekten ska inträffa föredras material med högt atomnummer Z och hög fotoelektrisk fraktion. Den fotoelektriska fraktionen är den andel av inkommande fotoner som interagerar med materien genom fotoelektrisk effekt.
3. Egenskaper hos scintillatorer.
– Ljusutbyte (fotoner/MeV): Antal emitterade fotoner per absorberad energi.
– Energiupplösning (%): Ett materials förmåga att skilja mellan två strålningar med något olika energier.
– Nedbrytningstid (s): Kinetik för ljusresponsen I(t) som karakteriseras av tau.
– Efterglöd: Restljusproduktion som uppstår efter den primära avklingningstiden för de huvudsakliga luminescenscenta centra.
– Stoppeffekt: Förmildringskoefficient för den absorberade strålningen, för en given tjocklek av ett material.
4. Tillverkning av scintillatorer.
Till nyligen har oorganiska scintillatorer varit i form av enkristaller. Dessa framställs vanligen med hjälp av odlingstekniker från smältan såsom Czochralski- eller Bridgman-Stockbarger-metoden.

Figurer 3 & 4. Czochralski-apparat (vänster) och Bridgman-Stockbarger-ugn (höger).
Czochralski-apparat visas i figur 3. Man fäster en frökristall i botten av en vertikal arm så att fröet knappt är i kontakt med materialet på smältans yta. Armen höjs långsamt och en kristall växer under den vid gränssnittet mellan kristallen och smältan. Vanligtvis roteras kristallen långsamt, så att inhomogeniteter i vätskan inte återges i kristallen. Baserat på mätningar av kristallens vikt under dragprocessen kan datorstyrda apparater variera draghastigheten för att producera önskad diameter. När fröet dras ut stelnar materialet och så småningom produceras en stor cirkulär boule. Czochralski-metoden används vanligtvis för material med hög smältpunkt.
Bridgman-Stockbarger-apparaten visas i figur 4. Metoden innebär att ett polykristallint material värms upp i en förseglad ampull, som har en cylindrisk form med en konisk nedre ände. Värmare upprätthåller det smälta tillståndet. När ampullen långsamt sänks ner i ett kallare område (blått område) börjar en kristall växa i den koniska spetsen. Ampullen sänks i en takt som motsvarar kristallens tillväxt, så att gränssnittet mellan kristall och smälta alltid har samma temperatur. Hastigheten med vilken ampullen flyttas beror på temperaturen och materialet. När detta görs framgångsrikt växer hela det smälta materialet i ampullen till en enda stor kristall. Ett skikt av orenheter växer vid gränssnittet mellan smältan och fast substans när denna yta rör sig uppåt i smältan, och orenheterna koncentreras i den högre delen av kristallen. Denna metod är väl lämpad för material med låg smältpunkt och som är känsliga för luft, t.ex. strontiumjodid.
>>Return to Background & Fundamentals page