Szintillator – Wikipedia

Art des Materials

Szintillationskristall, umgeben von verschiedenen Szintillationsdetektoranordnungen.

Extrudiertes Kunststoff-Szintillatormaterial, das unter einer UV-Inspektionslampe im Fermilab für das MINERνA-Projekt fluoresziert

EIN Szintillator ist ein Material, das bei Anregung durch ionisierende Strahlung eine Szintillation aufweist, die Eigenschaft der Lumineszenz. Lumineszierende Materialien absorbieren, wenn sie von einem einfallenden Teilchen getroffen werden, seine Energie und funkeln (dh geben die absorbierte Energie in Form von Licht wieder ab).^[a] Manchmal ist der angeregte Zustand metastabil, so dass sich die Relaxation vom angeregten Zustand in einen niedrigeren Zustand verzögert (je nach Material zwischen einigen Nanosekunden und Stunden erforderlich). Der Prozess entspricht dann einem von zwei Phänomenen: verzögerte Fluoreszenz oder Phosphoreszenz. Die Entsprechung hängt von der Art des Übergangs und damit von der Wellenlänge des emittierten optischen Photons ab.

Funktionsprinzip[edit]

Ein Szintillationsdetektor oder Szintillationszähler wird erhalten, wenn ein Szintillator mit einem elektronischen Lichtsensor wie einer Fotovervielfacherröhre (PMT), einer Fotodiode oder einem Silizium-Fotovervielfacher gekoppelt ist. PMTs absorbieren das vom Szintillator emittierte Licht und emittieren es über den photoelektrischen Effekt in Form von Elektronen wieder. Die anschließende Multiplikation dieser Elektronen (manchmal auch als Photoelektronen bezeichnet) führt zu einem elektrischen Impuls, der dann analysiert werden kann und aussagekräftige Informationen über das Teilchen liefert, das ursprünglich auf den Szintillator geschlagen hat. Vakuum-Fotodioden sind ähnlich, verstärken jedoch das Signal nicht, während Silizium-Fotodioden andererseits ankommende Photonen durch Anregung von Ladungsträgern direkt im Silizium erfassen. Silizium-Fotovervielfacher bestehen aus einer Anordnung von Fotodioden, die mit einer ausreichenden Spannung in Sperrrichtung vorgespannt sind, um im Lawinenmodus zu arbeiten, wodurch jedes Pixel der Anordnung für einzelne Photonen empfindlich sein kann.

Geschichte[edit]

Das erste Gerät, das einen Szintillator verwendete, wurde 1903 von Sir William Crookes gebaut und verwendete einen ZnS-Bildschirm. Die vom Bildschirm erzeugten Szintillationen waren mit bloßem Auge sichtbar, wenn sie mit einem Mikroskop in einem abgedunkelten Raum betrachtet wurden. Das Gerät wurde als Spinthariskop bezeichnet. Die Technik führte zu einer Reihe wichtiger Entdeckungen, war aber offensichtlich langwierig. Szintillatoren erlangten 1944 zusätzliche Aufmerksamkeit, als Curran und Baker die Messung mit bloßem Auge durch die neu entwickelte PMT ersetzten. Dies war die Geburtsstunde des modernen Szintillationsdetektors.

Anwendungen für Szintillatoren[edit]

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Alpha-Szintillationssonde zum Nachweis von Oberflächenverunreinigungen während der Kalibrierung

Szintillatoren werden von der amerikanischen Regierung als Strahlungsdetektoren für die Heimatschutzbehörde eingesetzt. Szintillatoren können auch in Partikeldetektoren, bei der Erforschung neuer Energieressourcen, bei der Röntgensicherheit, bei Kernkameras, bei der Computertomographie und bei der Gasexploration eingesetzt werden. Andere Anwendungen von Szintillatoren umfassen CT-Scanner und Gammakameras in der medizinischen Diagnostik sowie Bildschirme in älteren CRT-Computermonitoren und Fernsehgeräten. Szintillatoren wurden auch als Teil theoretischer Modelle zur Nutzung von Gammastrahlenenergie durch den Photovoltaikeffekt vorgeschlagen, beispielsweise in einer Kernbatterie.

Die Verwendung eines Szintillators in Verbindung mit einer Photovervielfacherröhre findet breite Verwendung in handgehaltenen Vermessungsmessgeräten, die zum Nachweis und zur Messung radioaktiver Kontamination und zur Überwachung von Kernmaterial verwendet werden. Szintillatoren erzeugen Licht in Leuchtstoffröhren, um das Ultraviolett der Entladung in sichtbares Licht umzuwandeln. Szintillationsdetektoren werden auch in der Erdölindustrie als Detektoren für Gammastrahlenprotokolle verwendet.

Eigenschaften von Szintillatoren[edit]

Es gibt viele gewünschte Eigenschaften von Szintillatoren, wie hohe Dichte, schnelle Betriebsgeschwindigkeit, niedrige Kosten, Strahlungshärte, Produktionsfähigkeit und Haltbarkeit von Betriebsparametern. Eine hohe Dichte verringert die Materialgröße von Duschen für hochenergetische γ-Quanten und Elektronen. Der Bereich der Compton-Streuphotonen für γ-Strahlen niedrigerer Energie wird auch über Materialien mit hoher Dichte verringert. Dies führt zu einer hohen Segmentierung des Detektors und zu einer besseren räumlichen Auflösung. Gewöhnlich haben Materialien mit hoher Dichte schwere Ionen im Gitter (z. B. Blei, Cadmium), was den Beitrag des photoelektrischen Effekts (~ Z) signifikant erhöht⁴). Die erhöhte Photofraktion ist für einige Anwendungen wie die Positronenemissionstomographie wichtig. Eine hohe Bremskraft für die elektromagnetische Komponente der ionisierenden Strahlung erfordert einen größeren Lichtanteil; Dies ermöglicht einen kompakten Detektor. Für eine gute Auflösung der Spektren ist eine hohe Betriebsgeschwindigkeit erforderlich. Die Genauigkeit der Zeitmessung mit einem Szintillationsdetektor ist proportional zu √τ_sc. Kurze Abklingzeiten sind wichtig für die Messung von Zeitintervallen und für den Betrieb in schnellen Koinzidenzkreisen. Hohe Dichte und schnelle Reaktionszeit können die Erkennung seltener Ereignisse in der Teilchenphysik ermöglichen. Die im Material eines Szintillators abgelagerte Teilchenenergie ist proportional zur Reaktion des Szintillators. Geladene Teilchen, γ-Quanten und Ionen haben unterschiedliche Steigungen, wenn ihre Reaktion gemessen wird. Somit könnten Szintillatoren verwendet werden, um verschiedene Arten von γ-Quanten und Partikeln in Flüssen gemischter Strahlung zu identifizieren. Eine weitere Überlegung zu Szintillatoren sind die Herstellungskosten. Die meisten Kristallszintillatoren erfordern hochreine Chemikalien und manchmal Seltenerdmetalle, die ziemlich teuer sind. Die Materialien sind nicht nur ein Aufwand, sondern viele Kristalle erfordern teure Öfen und fast sechs Monate Wachstum und Analysezeit. Derzeit werden andere Szintillatoren auf reduzierte Produktionskosten untersucht.

Bei einem guten Detektorszintillator sind auch mehrere andere Eigenschaften wünschenswert: eine niedrige Gamma-Leistung (dh eine hohe Effizienz zur Umwandlung der Energie einfallender Strahlung in Szintillationsphotonen), Transparenz in sein eigenes Szintillationslicht (für eine gute Lichtsammlung), eine effiziente Detektion von die untersuchte Strahlung, eine hohe Bremskraft, eine gute Linearität über einen weiten Energiebereich, eine kurze Anstiegszeit für Anwendungen mit schnellem Timing (z. B. Koinzidenzmessungen), eine kurze Abklingzeit, um die Totzeit des Detektors zu verringern und hohe Ereignisraten zu berücksichtigen, Emission in einem Spektralbereich, der der spektralen Empfindlichkeit bestehender PMTs entspricht (obwohl manchmal Wellenlängenschieber verwendet werden können), ein Brechungsindex nahe dem von Glas (~ 1,5), um eine optimale Kopplung an das PMT-Fenster zu ermöglichen. Robustheit und gutes Verhalten bei hohen Temperaturen können wünschenswert sein, wenn Vibrationsbeständigkeit und hohe Temperaturen erforderlich sind (z. B. Ölexploration). Die praktische Wahl eines Szintillatormaterials ist normalerweise ein Kompromiss zwischen diesen Eigenschaften, um einer bestimmten Anwendung am besten zu entsprechen.

Unter den oben aufgeführten Eigenschaften ist die Lichtleistung am wichtigsten, da sie sowohl die Effizienz als auch die Auflösung des Detektors beeinflusst (die Effizienz ist das Verhältnis der detektierten Partikel zur Gesamtzahl der auf den Detektor auftreffenden Partikel; die Energieauflösung ist das Verhältnis der Halbwertsbreite eines gegebenen Energiepeaks zur Peakposition, üblicherweise ausgedrückt in%). Die Lichtleistung ist eine starke Funktion der Art des einfallenden Teilchens oder Photons und seiner Energie, was daher die Art des für eine bestimmte Anwendung zu verwendenden Szintillationsmaterials stark beeinflusst. Das Vorhandensein von Löscheffekten führt zu einer verringerten Lichtleistung (dh einer verringerten Szintillationseffizienz). Das Abschrecken bezieht sich auf alle strahlungslosen Entregungsprozesse, bei denen die Anregung hauptsächlich zu Wärme abgebaut wird. Die Gesamtsignalerzeugungseffizienz des Detektors hängt jedoch auch von der Quanteneffizienz des PMT (typischerweise ~ 30% am Peak) und von der Effizienz der Lichtübertragung und -sammlung (die von der Art des Reflektormaterials abhängt, das den Szintillator bedeckt) ab und Lichtleiter, die Länge / Form der Lichtleiter, jegliche Lichtabsorption usw.). Die Lichtleistung wird häufig als eine Anzahl von Szintillationsphotonen quantifiziert, die pro keV abgeschiedener Energie erzeugt werden. Typische Zahlen sind (wenn das einfallende Teilchen ein Elektron ist): ~ 40 Photonen / keV für N / aich(T.l)~ 10 Photonen / keV für Kunststoff-Szintillatoren und ~ 8 Photonen / keV für Wismutgermanat (BGO).

Szintillationsdetektoren werden im Allgemeinen als linear angenommen. Diese Annahme basiert auf zwei Anforderungen: (1) dass die Lichtleistung des Szintillators proportional zur Energie der einfallenden Strahlung ist; (2) dass der von der Photovervielfacherröhre erzeugte elektrische Impuls proportional zum emittierten Szintillationslicht ist. Die Linearitätsannahme ist normalerweise eine gute grobe Näherung, obwohl Abweichungen auftreten können (besonders ausgeprägt für Teilchen, die bei niedrigen Energien schwerer als das Proton sind).

Widerstand und gutes Verhalten in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohen Vibrationen sind besonders wichtig für Anwendungen wie die Ölexploration (drahtgebundene Protokollierung, Messung während des Bohrens). Bei den meisten Szintillatoren hängt die Lichtleistung und die Szintillationsabklingzeit von der Temperatur ab. Diese Abhängigkeit kann bei Raumtemperaturanwendungen weitgehend ignoriert werden, da sie normalerweise schwach ist. Die Abhängigkeit von der Temperatur ist auch für organische Szintillatoren schwächer als für anorganische Kristalle wie NaI-Tl oder BGO. Eine starke Abhängigkeit der Abklingzeit von der Temperatur im BGO-Szintillator wird zur Fernüberwachung der Temperatur in einer Vakuumumgebung verwendet. Die gekoppelten PMTs weisen auch eine Temperaturempfindlichkeit auf und können beschädigt werden, wenn sie einem mechanischen Schlag ausgesetzt werden. Daher sollten robuste Hochtemperatur-PMTs für Hochtemperatur- und Hochvibrationsanwendungen verwendet werden.

Die zeitliche Entwicklung der Anzahl der emittierten Szintillationsphotonen N. in einem einzelnen Szintillationsereignis kann oft durch lineare Überlagerung von einem oder zwei exponentiellen Zerfällen beschrieben werden. Für zwei Zerfälle haben wir die Form:

wo τ_f und τ_s sind die schnellen (oder sofortigen) und die langsamen (oder verzögerten) Abklingkonstanten. Viele Szintillatoren zeichnen sich durch zwei Zeitkomponenten aus: eine schnelle (oder schnelle), eine langsame (oder verzögerte). Während normalerweise die schnelle Komponente dominiert, ist die relative Amplitude EIN und B. der beiden Komponenten hängen vom Szintillationsmaterial ab. Diese beiden Komponenten können auch eine Funktion des Energieverlusts sein dE/.dx. In Fällen, in denen diese Energieverlustabhängigkeit stark ist, variiert die Gesamtabklingzeitkonstante mit der Art des einfallenden Partikels. Solche Szintillatoren ermöglichen eine Pulsformunterscheidung, dh eine Partikelidentifikation basierend auf den Zerfallseigenschaften des elektrischen PMT-Pulses. Zum Beispiel, wenn BaF₂ verwendet wird, regen γ-Strahlen typischerweise die schnelle Komponente an, während α-Teilchen die langsame Komponente anregen: Es ist somit möglich, sie anhand der Abklingzeit des PMT-Signals zu identifizieren.

Arten von Szintillatoren[edit]

Organische Kristalle[edit]

Organische Szintillatoren sind aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, die auf verschiedene Weise miteinander verknüpfte Benzolringstrukturen enthalten. Ihre Lumineszenz nimmt typischerweise innerhalb weniger Nanosekunden ab.

Einige organische Szintillatoren sind reine Kristalle. Die häufigsten Arten sind Anthracen (C.
_¹⁴H.
_¹⁰, Abklingzeit ~ 30 ns), Stilben (C.
_¹⁴H.
_¹²4,5 ns Zerfallszeit) und Naphthalin (C.
_¹⁰H.
_⁸wenige ns Abklingzeit). Sie sind sehr langlebig, aber ihre Reaktion ist anisotrop (was die Energieauflösung beeinträchtigt, wenn die Quelle nicht kollimiert wird), und sie können weder leicht bearbeitet noch in großen Größen gezüchtet werden. daher werden sie nicht sehr oft verwendet. Anthracen hat die höchste Lichtleistung aller organischen Szintillatoren und wird daher als Referenz gewählt: Die Lichtleistung anderer Szintillatoren wird manchmal als Prozent des Anthracenlichts ausgedrückt.

Organische Flüssigkeiten[edit]

Dies sind flüssige Lösungen eines oder mehrerer organischer Szintillatoren in einem organischen Lösungsmittel. Die typischen gelösten Stoffe sind Fluore wie p-terphenyl (C.
_¹⁸H.
_¹⁴), PBD (C.
_²⁰H.
_¹⁴N.
_²Ö), Butyl-PBD (C.
_²⁴H.
_²²N.
_²Ö), PPO (C.
_¹⁵H.
_¹¹NEIN) und Wellenlängenschieber wie POPOP (C.
_²⁴H.
_¹⁶N.
_²Ö). Die am häufigsten verwendeten Lösungsmittel sind Toluol, Xylol, Benzol, Phenylcyclohexan, Triethylbenzol und Decalin. Flüssigszintillatoren können leicht mit anderen Additiven wie Wellenlängenschiebern beladen werden, um dem spektralen Empfindlichkeitsbereich eines bestimmten PMT zu entsprechen, oder ¹⁰B zur Erhöhung der Neutronendetektionseffizienz des Szintillationszählers selbst (seit ¹⁰B hat einen hohen Wechselwirkungsquerschnitt mit thermischen Neutronen). Bei vielen Flüssigkeiten kann gelöster Sauerstoff als Löschmittel wirken und zu einer verringerten Lichtleistung führen, weshalb die Lösung in einem sauerstofffreien, luftdichten Gehäuse versiegelt werden muss.

Plastikszintillatoren[edit]

Der Begriff “Kunststoff-Szintillator” bezieht sich typischerweise auf ein Szintillationsmaterial, in dem der primäre fluoreszierende Emitter, Fluor genannt, in dem suspendiert ist Baseeine feste Polymermatrix. Während diese Kombination typischerweise durch Auflösen des Fluors vor der Massenpolymerisation erreicht wird, ist das Fluor manchmal direkt mit dem Polymer verbunden, entweder kovalent oder durch Koordination, wie dies bei vielen Li6-Kunststoffszintillatoren der Fall ist. Es wurde festgestellt, dass Polyethylennaphthalat ohne Zusätze selbst Szintillation zeigt, und es wird erwartet, dass es vorhandene Kunststoffszintillatoren aufgrund höherer Leistung und niedrigerem Preis ersetzt. Zu den Vorteilen von Kunststoff-Szintillatoren gehören eine relativ hohe Lichtleistung und ein relativ schnelles Signal mit einer Abklingzeit von 2 bis 4 Nanosekunden. Der vielleicht größte Vorteil von Kunststoff-Szintillatoren ist jedoch ihre Fähigkeit, mithilfe von Formen oder anderen Mitteln geformt zu werden. in fast jede gewünschte Form mit einem oft hohen Grad an Haltbarkeit. Es ist bekannt, dass Kunststoff-Szintillatoren bei hoher Energiedichte eine Sättigung der Lichtleistung zeigen (Birks’sches Gesetz).

Basen[edit]

Die in Basisszintillatoren am häufigsten verwendeten Basen sind aromatische Kunststoffe, Polymere mit aromatischen Ringen als Seitengruppen entlang des Polymergrundgerüsts, unter denen Polyvinyltoluol (PVT) und Polystyrol (PS) am stärksten vertreten sind. Während die Base in Gegenwart ionisierender Strahlung fluoresziert, machen ihre geringe Ausbeute und vernachlässigbare Transparenz für ihre eigene Emission die Verwendung von Fluoren erforderlich, die für den Bau eines praktischen Szintillators erforderlich sind. Neben den aromatischen Kunststoffen ist Polymethylmethacrylat (PMMA) die häufigste Base, die gegenüber vielen anderen Basen zwei Vorteile bietet: hohe Transparenz im ultravioletten und sichtbaren Licht sowie mechanische Eigenschaften und höhere Haltbarkeit in Bezug auf Sprödigkeit. Der mit PMMA verbundene Mangel an Fluoreszenz wird häufig durch Zugabe eines aromatischen Co-Lösungsmittels, üblicherweise Naphthalin, kompensiert. Ein auf diese Weise auf PMMA basierender Kunststoff-Szintillator bietet Transparenz gegenüber seiner eigenen Strahlung und trägt so zu einer gleichmäßigen Lichtsammlung bei.

Andere übliche Basen umfassen Polyvinylxylol (PVX) -Polymethyl, 2,4-Dimethyl, 2,4,5-Trimethylstyrole, Polyvinyldiphenyl, Polyvinylnaphthalin, Polyvinyltetrahydronaphthalin und Copolymere dieser und anderer Basen.

Fluors[edit]

Diese Verbindungen, auch als Luminophore bekannt, absorbieren die Szintillation der Base und emittieren dann bei größeren Wellenlängen, wodurch die ultraviolette Strahlung der Base effektiv in das leichter übertragene sichtbare Licht umgewandelt wird. Eine weitere Erhöhung der Dämpfungslänge kann durch Hinzufügen eines zweiten Fluors erreicht werden, der als Spektrumschieber oder -wandler bezeichnet wird und häufig zur Emission von blauem oder grünem Licht führt.

Übliche Fluore umfassen Polyphenylkohlenwasserstoffe, Oxazol- und Oxadiazolaryle, insbesondere n-Terphenyl (PPP), 2,5-Diphenyloxazol (PPO), 1,4-Di- (5-phenyl-2-oxazolyl) benzol (POPOP), 2-Phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,3,4-oxadiazol (PBD) und 2- (4′-tert-Butylphenyl) -5- (4 ” – biphenylyl) -1,3,4 -oxadiazol (B-PBD).

Anorganische Kristalle[edit]

Anorganische Szintillatoren sind üblicherweise Kristalle, die in Hochtemperaturöfen gezüchtet werden, beispielsweise Alkalimetallhalogenide, oft mit einer geringen Menge an Aktivatorverunreinigung. Am weitesten verbreitet ist N / aich(T.l) (Thallium-dotiertes Natriumiodid); sein Szintillationslicht ist blau. Andere anorganische Alkalihalogenidkristalle sind: Csich(T.l), Csich(N / a), Csich(rein), CsF, K.ich(T.l), Liich(EU). Einige nicht alkalische Kristalle umfassen: BaF
_², CaF
_²(EU), ZnS (Ag), CaWO
_⁴, CdWO
_⁴, YAG (Ce) ((Y.
_³Al
_⁵Ö
_¹²(Ce)), GSO, LSO. (Weitere Beispiele siehe auch Leuchtstoffe).

Neu entwickelte Produkte umfassen LaCl
_³(Ce)mit Cer dotiertes Lanthanchlorid sowie ein mit Cer dotiertes Lanthanchromid, LaBr
_³(Ce). Sie sind beide sehr hygroskopisch (dh beschädigt, wenn sie Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden), bieten jedoch eine hervorragende Lichtleistung und Energieauflösung (63 Photonen / keV γ für LaBr
_³(Ce) gegenüber 38 Photonen / keV γ für N / aich(T.l)), eine schnelle Antwort (16 ns für LaBr
_³(Ce) versus 230 ns für N / aich(T.l)), ausgezeichnete Linearität und eine sehr stabile Lichtleistung über einen weiten Temperaturbereich. Zusätzlich LaBr₃(Ce) bietet eine höhere Bremskraft für γ-Strahlen (Dichte von 5,08 g / cm)³ gegenüber 3,67 g / cm³ zum N / aich(T.l)). LYSO (Lu
_^1.8Y.
_^0,2SiO
_⁵(Ce)) hat eine noch höhere Dichte (7,1 g / cm³, vergleichbar mit BGO), ist nicht hygroskopisch und hat eine höhere Lichtleistung als BGO (32 Photonen / keV γ), zusätzlich zu ziemlich schnell (41 ns Abklingzeit gegenüber 300 ns für BGO).

Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre Hygroskopizität, eine Eigenschaft, die erfordert, dass sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. CsI ​​(Tl) und BaF₂ sind nur leicht hygroskopisch und benötigen normalerweise keinen Schutz. CsF, N / aich(T.l), LaCl
_³(Ce), LaBr
_³(Ce) sind hygroskopisch, während BGO, CaF
_²(EU), LYSO, und YAG (Ce) sind nicht.

Anorganische Kristalle können auf kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden, um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Solche Arrays werden häufig in der medizinischen Physik oder in Sicherheitsanwendungen verwendet, um Röntgen- oder γ-Strahlen zu erfassen: hoch-Z.Materialien mit hoher Dichte (z. B. LYSO, BGO) werden typischerweise für diese Art von Anwendungen bevorzugt.

Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen und liegt typischerweise im Bereich von 1,48 ns für ZnO (Ga) bis 9000 ns für CaWO
_⁴. Ausnahmen sind CsF} (~ 5 ns), schnell BaF
_² (0,7 ns; die langsame Komponente liegt bei 630 ns) sowie die neueren Produkte (LaCl
_³(Ce)28 ns; LaBr
_³(Ce)16 ns; LYSO41 ns).

Für die Bildgebungsanwendung ist einer der Vorteile anorganischer Kristalle eine sehr hohe Lichtausbeute. Einige Szintillatoren mit hoher Lichtausbeute über 100.000 Photonen / MeV bei 662 keV wurden kürzlich für gemeldet LuI
_³(Ce), SrI
_²(EU), und Cs
_²HfCl
_⁶.

Gasförmige Szintillatoren[edit]

Gasförmige Szintillatoren bestehen aus Stickstoff und den Edelgasen Helium, Argon, Krypton und Xenon, wobei Helium und Xenon die größte Aufmerksamkeit erhalten. Der Szintillationsprozess beruht auf der Entregung einzelner Atome, die durch den Durchgang eines ankommenden Teilchens angeregt werden. Diese Entregung ist sehr schnell (~ 1 ns), so dass die Detektorreaktion ziemlich schnell ist. Die Beschichtung der Wände des Behälters mit einem Wellenlängenschieber ist im Allgemeinen erforderlich, da diese Gase typischerweise im ultravioletten Bereich emittieren und PMTs besser auf den sichtbaren blaugrünen Bereich reagieren. In der Kernphysik wurden gasförmige Detektoren verwendet, um Spaltfragmente oder schwer geladene Teilchen nachzuweisen.

Brille[edit]

Die gebräuchlichsten Glasszintillatoren sind Cer-aktivierte Lithium- oder Borsilikate. Da sowohl Lithium als auch Bor große Neutronenquerschnitte aufweisen, eignen sich Glasdetektoren besonders gut zum Nachweis von thermischen (langsamen) Neutronen. Lithium wird häufiger verwendet als Bor, da es beim Einfangen eines Neutrons eine größere Energiefreisetzung und damit eine höhere Lichtleistung aufweist. Glasszintillatoren sind jedoch auch empfindlich gegenüber Elektronen und γ-Strahlen (Pulshöhenunterscheidung kann zur Partikelidentifikation verwendet werden). Da sie sehr robust sind, eignen sie sich auch gut für raue Umgebungsbedingungen. Ihre Reaktionszeit beträgt ~ 10 ns, ihre Lichtleistung ist jedoch gering, typischerweise ~ 30% der von Anthracen.

Lösungsbasierte Perowskit-Szintillatoren[edit]

Die Szintillationseigenschaften von organisch-anorganischen Methylamonium (MA) -Bleihalogenidperowskiten unter Protonenbestrahlung wurden erstmals von Shibuya et al. im Jahr 2002 wurde über das erste γ-Strahlenpulshöhenspektrum berichtet, obwohl es immer noch eine schlechte Energieauflösung aufweist ((C.
_⁶H.
_⁵(CH
_²)
_²NH
_³)
_²PbBr
_⁴) von van Eijk et al. in 2008 . Birowosuto al. untersuchten die Szintillationseigenschaften von 3-D- und 2-D-Schichtperowskiten unter Röntgenanregung. MAPbBr (CH
_³NH
_³PbBr
_³) emittiert bei 550 nm und MAPbI (CH
_³NH
_³PbI
_³) bei 750 nm, was auf die Exzitonenemission nahe der Bandlücke der Verbindungen zurückzuführen ist. In dieser ersten Generation von Pb-Halogenid-Perowskiten wird die Emission bei Raumtemperatur stark gelöscht und weniger als 1000 ph / MeV überleben. Bei 10 K wird jedoch eine intensive Emission beobachtet und über Ausbeuten bis zu 200000 ph / MeV geschrieben. Das Löschen wird auf die geringe eh-Bindungsenergie im Exziton zurückgeführt, die für Cl zu Br zu I abnimmt. Interessanterweise kann man die organische MA-Gruppe durch Cs + ersetzen, um vollständige anorganische CsPbX3-Halogenidperowskite zu erhalten. Abhängig vom Gehalt an Cl, Br, I kann die durch Triplett-Röntgenstrahlung angeregte Exzitonenemission von 430 nm bis 700 nm eingestellt werden. Man kann Cs auch mit Rb verdünnen, um eine ähnliche Abstimmung zu erhalten. Die jüngsten Entwicklungen zeigen, dass die organisch-anorganischen und alle anorganischen Pb-Halogenid-Perowskite verschiedene interessante Szintillationseigenschaften aufweisen. Die neueren 2-D-Perowskit-Einkristalle sind jedoch günstiger, da sie im Vergleich zu CsPbBr3-Quantenpunktszintillatoren eine viel größere Stokes-Verschiebung bis zu 200 nm aufweisen können. Dies ist wichtig, um eine Selbstresorption für Szintillatoren zu verhindern.

Physik der Szintillation[edit]

Organische Szintillatoren[edit]

Übergänge der freien Valenzelektronen der Moleküle sind für die Erzeugung von Szintillationslicht in organischen Kristallen verantwortlich. Diese Elektronen sind eher mit dem gesamten Molekül als mit einem bestimmten Atom verbunden und besetzen die sogenannten Molekülorbitale. Der Grundzustand S.₀ ist ein Singulettzustand, über dem sich die angeregten Singulettzustände befinden (S.^{* *}, S.^{** **.},…), der niedrigste Triplettzustand (T.₀) und seine angeregten Niveaus (T.^{* *}, T.^{** **.},…). Jedem dieser Elektronenniveaus ist eine Feinstruktur zugeordnet, die molekularen Schwingungsmoden entspricht. Der Energieabstand zwischen den Elektronenebenen beträgt ≈1 eV; Der Abstand zwischen den Schwingungsniveaus beträgt etwa 1/10 des Abstands zwischen den Elektronenniveaus.

Ein ankommendes Teilchen kann entweder ein Elektronenniveau oder ein Schwingungsniveau anregen. Die Singulettanregungen zerfallen sofort (<10 ps) zum S.^{* *} Zustand ohne Emission von Strahlung (interne Verschlechterung). Die S.^{* *} Zustand zerfällt dann in den Grundzustand S.₀ (typischerweise auf einen der Schwingungspegel über S.₀) durch Emission eines Szintillationsphotons. Dies ist die sofortige Komponente oder Fluoreszenz. Die Transparenz des Szintillators gegenüber dem emittierten Photon beruht auf der Tatsache, dass die Energie des Photons geringer ist als die für ein S erforderliche₀ → S.^{* *} Übergang (der Übergang erfolgt normalerweise auf ein Schwingungsniveau über S.₀).^{[clarification needed]}

Wenn einer der Triplettzustände angeregt wird, zerfällt er sofort zum T.₀ Zustand ohne Strahlungsemission (interne Verschlechterung). Da der T.₀ → S.₀ Übergang ist sehr unwahrscheinlich, die T.₀ Zustand zerfällt stattdessen durch Interaktion mit einem anderen T.₀ Molekül:

und lässt eines der Moleküle im S.^{* *} Zustand, der dann zu S zerfällt₀ mit der Freisetzung eines Szintillationsphotons. Da der T.₀-T₀ Die Wechselwirkung braucht Zeit, das Szintillationslicht ist verzögert: Dies ist die langsame oder verzögerte Komponente (entsprechend der verzögerten Fluoreszenz). Manchmal ein direktes T.₀ → S.₀ Der Übergang erfolgt (ebenfalls verzögert) und entspricht dem Phänomen der Phosphoreszenz. Es ist zu beachten, dass der Beobachtungsunterschied zwischen verzögerter Fluoreszenz und Phosphoreszenz der Unterschied in den Wellenlängen des emittierten optischen Photons in einem S ist^{* *} → S.₀ Übergang gegen ein T.₀ → S.₀ Überleitung.

Organische Szintillatoren können in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden, um entweder einen flüssigen oder einen plastischen Szintillator zu bilden. Der Szintillationsprozess ist der gleiche wie für organische Kristalle (oben) beschrieben; Was sich unterscheidet, ist der Mechanismus der Energieabsorption: Energie wird zuerst vom Lösungsmittel absorbiert und dann auf den gelösten Szintillationsstoff übertragen (die Details der Übertragung sind nicht klar verstanden).

Anorganische Szintillatoren[edit]

Der Szintillationsprozess in anorganischen Materialien beruht auf der in Kristallen vorkommenden elektronischen Bandstruktur und ist nicht molekularer Natur, wie dies bei organischen Szintillatoren der Fall ist. Ein ankommendes Teilchen kann ein Elektron vom Valenzband entweder zum Leitungsband oder zum Exzitonenband anregen (das sich direkt unter dem Leitungsband befindet und durch eine Energielücke vom Valenzband getrennt ist; siehe Bild). Dies hinterlässt ein zugehöriges Loch im Valenzband. Verunreinigungen erzeugen elektronische Pegel in der verbotenen Lücke. Die Exzitonen sind lose gebundene Elektron-Loch-Paare, die durch das Kristallgitter wandern, bis sie als Ganzes von Verunreinigungszentren eingefangen werden. Letztere regen dann schnell an, indem sie Szintillationslicht (schnelle Komponente) emittieren. Die Aktivatorverunreinigungen werden typischerweise so gewählt, dass das emittierte Licht im sichtbaren Bereich oder im nahen UV liegt, wo Photovervielfacher wirksam sind. Die mit Elektronen im Leitungsband verbundenen Löcher sind von letzterem unabhängig. Diese Löcher und Elektronen werden nacheinander von Verunreinigungszentren eingefangen, die bestimmte metastabile Zustände anregen, die für die Exzitonen nicht zugänglich sind. Die verzögerte Abregung dieser metastabilen Verunreinigungszustände führt wiederum zu Szintillationslicht (langsame Komponente).

BGO (Wismutgermaniumoxid) ist ein reiner anorganischer Szintillator ohne Aktivatorverunreinigung. Dort beruht der Szintillationsprozess auf einem optischen Übergang der Bi³⁺
Ion, ein Hauptbestandteil des Kristalls. In Wolframatszintillatoren CaWO
_⁴ und CdWO
_⁴ Die Emission ist auf den Strahlungszerfall von selbstgefangenen Exzitonen zurückzuführen.

Gase[edit]

In Gasen beruht der Szintillationsprozess auf der Entregung einzelner Atome, die durch den Durchgang eines einfallenden Partikels angeregt werden (ein sehr schneller Prozess: ~ 1 ns).

Reaktion auf verschiedene Strahlungen[edit]

Schwere Ionen[edit]

Szintillationszähler sind aus drei Gründen normalerweise nicht ideal für den Nachweis schwerer Ionen:

1. Die sehr hohe Ionisierungskraft schwerer Ionen induziert Löscheffekte, die zu einer verringerten Lichtleistung führen (z. B. erzeugt ein Proton bei gleichen Energien 1/4 bis 1/2 des Lichts eines Elektrons, während Alphas nur etwa 1/10 erzeugen das Licht);
2. Die hohe Bremskraft der Partikel führt auch zu einer Verringerung der schnellen Komponente im Vergleich zur langsamen Komponente, wodurch die Totzeit des Detektors erhöht wird.
3. Insbesondere bei niedrigeren Energien werden starke Nichtlinearitäten in der Detektorantwort beobachtet.

Die Verringerung der Lichtleistung ist bei organischen Stoffen stärker als bei anorganischen Kristallen. Daher können bei Bedarf anorganische Kristalle, z Csich(T.l), ZnS (Ag) (typischerweise in dünnen Schichten als α-Partikelmonitore verwendet), CaF
_²(EU)sollte organischen Materialien vorgezogen werden. Typische Anwendungen sind α-Vermessungsinstrumente, Dosimetrieinstrumente und Schwerionen dE/.dx Detektoren. Gasförmige Szintillatoren wurden auch in kernphysikalischen Experimenten verwendet.

Elektronen[edit]

Die Detektionseffizienz für Elektronen beträgt für die meisten Szintillatoren im Wesentlichen 100%. Da Elektronen jedoch große Winkelstreuungen (manchmal Rückstreuungen) erzeugen können, können sie den Detektor verlassen, ohne ihre volle Energie darin abzulagern. Die Rückstreuung ist eine schnell zunehmende Funktion der Ordnungszahl Z. des Szintillatormaterials. Organische Szintillatoren mit einem niedrigeren Z. als anorganische Kristalle sind daher am besten zum Nachweis von Beta-Partikeln mit niedriger Energie (<10 MeV) geeignet. Bei hochenergetischen Elektronen ist die Situation anders: Da sie meistens ihre Energie durch Bremsstrahlung bei den höheren Energien verlieren, ist eine höhereZ. Material ist besser geeignet für die Detektion des Bremsstrahlungsphotons und die Erzeugung der elektromagnetischen Dusche, die es induzieren kann.

Gamma Strahlen[edit]

Hoch-Z. Materialien, z. B. anorganische Kristalle, eignen sich am besten zum Nachweis von Gammastrahlen. Die drei grundlegenden Arten, wie ein Gammastrahl mit Materie interagiert, sind: der photoelektrische Effekt, die Compton-Streuung und die Paarproduktion. Das Photon wird beim photoelektrischen Effekt und bei der Paarbildung vollständig absorbiert, während bei jeder gegebenen Compton-Streuung nur Teilenergie abgeschieden wird. Der Querschnitt für den photoelektrischen Prozess ist proportional zu Z.⁵, dass für die Paarproduktion proportional zu Z.², während die Compton-Streuung ungefähr so ​​verläuft Z.. Ein hoch-Z. Das Material bevorzugt daher die beiden ersteren Prozesse und ermöglicht die Erfassung der vollen Energie des Gammastrahls. Wenn die Gammastrahlen höhere Energien haben (> 5 MeV), dominiert die Paarproduktion.

Neutronen[edit]

Da das Neutron nicht geladen ist, interagiert es nicht über die Coulomb-Kraft und ionisiert daher das Szintillationsmaterial nicht. Es muss zuerst einen Teil oder die gesamte Energie über die starke Kraft auf einen geladenen Atomkern übertragen. Der positiv geladene Kern erzeugt dann eine Ionisation. Schnelle Neutronen (im Allgemeinen> 0,5 MeV) beruhen hauptsächlich auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen; Wasserstoffreiche Materialien, z. B. Kunststoffszintillatoren, eignen sich daher am besten für ihren Nachweis. Langsame Neutronen beruhen auf Kernreaktionen wie den (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um eine Ionisation zu erzeugen. Ihr mittlerer freier Weg ist daher ziemlich groß, es sei denn, das Szintillatormaterial enthält Nuklide mit einem hohen Querschnitt für diese Kernreaktionen wie z ⁶Li oder ¹⁰B. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders gut zum Nachweis langsamer (thermischer) Neutronen.

Liste der anorganischen Szintillatoren[edit]

Das Folgende ist eine Liste häufig verwendeter anorganischer Kristalle:

• BaF
  _² oder Bariumfluorid: BaF
  _² enthält eine sehr schnelle und eine langsame Komponente. Das schnelle Szintillationslicht wird im UV-Band (220 nm) emittiert und hat eine Abklingzeit von 0,7 ns (kleinste Abklingzeit für jeden Szintillator), während das langsame Szintillationslicht bei längeren Wellenlängen (310 nm) emittiert wird und einen Zerfall von 630 ns aufweist Zeit. Es wird für Anwendungen mit schnellem Timing sowie für Anwendungen verwendet, für die eine Pulsformunterscheidung erforderlich ist. Die Lichtausbeute von BaF
  _² beträgt etwa 12 Photonen / keV.^[27]BaF
  _² ist nicht hygroskopisch.
• BGO oder Wismutgermanat: Wismutgermanat hat eine höhere Bremskraft, aber eine geringere optische Ausbeute als N / aich(T.l). Es wird häufig in Koinzidenzdetektoren zum Erfassen von Gammastrahlen verwendet, die bei der Positronenvernichtung in Positronenemissionstomographiemaschinen emittiert werden.
• CdWO
  _⁴ oder Cadmiumwolframat: ein Szintillator mit hoher Dichte und hoher Atomzahl mit einer sehr langen Abklingzeit (14 μs) und einer relativ hohen Lichtleistung (etwa 1/3 der von N / aich(T.l)). CdWO
  _⁴ wird routinemäßig zur Röntgendetektion (CT-Scanner) verwendet. Sehr wenig haben ²²⁸Th und ²²⁶Ra Kontamination, ist es auch für Anwendungen mit geringer Aktivität geeignet.
• CaF
  _²(EU) oder mit Europium dotiertes Calciumfluorid: Das Material ist nicht hygroskopisch, hat eine Abklingzeit von 940 ns und ist relativ niedrig.Z.. Die letztere Eigenschaft macht es ideal für den Nachweis von β-Partikeln mit niedriger Energie aufgrund geringer Rückstreuung, aber nicht sehr geeignet für den Nachweis von γ. Dünne Schichten von CaF
  _²(EU) wurden auch mit einer dickeren Platte von verwendet N / aich(T.l) Phoswiches in die Lage zu versetzen, zwischen α-, β- und γ-Partikeln zu unterscheiden.
• CaWO
  _⁴ oder Calciumwolframat: zeigt eine lange Abklingzeit von 9 μs und eine kurzwellige Emission mit einem Maximum bei 420 nm, das der Empfindlichkeitskurve von Bi-Alkali-PMT entspricht. Die Lichtausbeute und Energieauflösung des Szintillators (6,6% für ¹³⁷Cs) ist vergleichbar mit dem von CdWO
  _⁴.
• Csich: undotiertes Cäsiumiodid emittiert überwiegend bei 315 nm, ist nur geringfügig hygroskopisch und hat eine sehr kurze Abklingzeit (16 ns), wodurch es für Anwendungen mit schnellem Timing geeignet ist. Die Lichtleistung ist bei Raumtemperatur recht gering, steigt jedoch mit der Abkühlung deutlich an.
• Csich(N / a) oder mit Natrium dotiertes Cäsiumiodid: Der Kristall ist weniger hell als Csich(T.l), aber vergleichbar in der Lichtleistung mit N / aich(T.l). Die Wellenlänge der maximalen Emission liegt bei 420 nm und ist gut auf die Photokathodenempfindlichkeit von Bi-Alkali-PMTs abgestimmt. Es hat eine etwas kürzere Abklingzeit als Csich(T.l) (630 ns gegenüber 1000 ns für Csich(T.l)). Csich(N / a) ist hygroskopisch und benötigt ein luftdichtes Gehäuse zum Schutz vor Feuchtigkeit.
• Csich(T.l) oder mit Thallium dotiertes Cäsiumiodid: Diese Kristalle sind einer der hellsten Szintillatoren. Seine maximale Wellenlänge der Lichtemission liegt im grünen Bereich bei 550 nm. Csich(T.l) ist nur leicht hygroskopisch und erfordert normalerweise kein luftdichtes Gehäuse.
• G-tt
  _²Ö
  _²S. oder Gadoliniumoxysulfid hat aufgrund seiner relativ hohen Dichte (7,32 g / cm) eine hohe Bremskraft³) und die hohe Ordnungszahl von Gadolinium. Die Lichtleistung ist ebenfalls gut, was es als Szintillator für Röntgenbildgebungsanwendungen nützlich macht.
• LaBr
  _³(Ce) (oder mit Cer dotiertes Lanthanbromid): eine bessere (neuartige) Alternative zu N / aich(T.l);; dichter, effizienter, viel schneller (mit einer Abklingzeit von ~ 20 ns) bietet aufgrund seiner sehr hohen Lichtleistung eine überlegene Energieauflösung. Darüber hinaus ist die Lichtleistung über einen sehr weiten Temperaturbereich sehr stabil und ziemlich hoch, was sie für Hochtemperaturanwendungen besonders attraktiv macht. Abhängig von der Anwendung ist die intrinsische Aktivität von ¹³⁸La kann ein Nachteil sein. LaBr
  _³(Ce) ist sehr hygroskopisch.
• LaCl
  _³(Ce) (oder mit Cer dotiertes Lanthanchlorid): sehr schnelle, hohe Lichtleistung. LaCl
  _³(Ce) ist eine billigere Alternative zu LaBr
  _³(Ce). Es ist auch ziemlich hygroskopisch.
• PbWO
  _⁴ oder Blei Wolframat: aufgrund seiner hohenZ., PbWO
  _⁴ ist für Anwendungen geeignet, bei denen eine hohe Bremskraft erforderlich ist (z. B. γ-Strahlendetektion).
• Luich
  _³ oder Lutetiumiodid
• LSO oder Lutetiumoxyorthosilicat (Lu
  _²SiO
  _⁵): Wird in der Positronenemissionstomographie verwendet, da es ähnliche Eigenschaften wie Wismutgermanat aufweist (BGO), aber mit einer höheren Lichtausbeute. Sein einziger Nachteil ist der intrinsische Hintergrund des Beta-Zerfalls von Natural ¹⁷⁶Lu.
• LYSO ((Lu
  _^1.8Y.
  _^0,2SiO
  _⁵(Ce)): vergleichbar in der Dichte mit BGO, aber viel schneller und mit viel höherer Lichtleistung; Hervorragend geeignet für medizinische Bildgebungsanwendungen. LYSO ist nicht hygroskopisch.
• N / aich(T.l) oder mit Thallium dotiertes Natriumiodid: N / aich(T.l) ist bei weitem das am weitesten verbreitete Szintillatormaterial. Es ist in Einkristallform oder in der robusteren polykristallinen Form erhältlich (wird in Umgebungen mit hohen Vibrationen verwendet, z. B. bei der drahtgebundenen Protokollierung in der Ölindustrie). Weitere Anwendungen sind Nuklearmedizin, Grundlagenforschung, Umweltüberwachung und Luftaufnahmen. N / aich(T.l) ist sehr hygroskopisch und muss in einem luftdichten Gehäuse untergebracht werden.
• YAG (Ce) oder Granat aus Yttriumaluminium: YAG (Ce) ist nicht hygroskopisch. Die Wellenlänge der maximalen Emission liegt bei 550 nm und ist gut auf rotwiderstandsfähige PMTs oder Fotodioden abgestimmt. Es ist relativ schnell (70 ns Abklingzeit). Seine Lichtleistung beträgt etwa 1/3 der von N / aich(T.l). Das Material weist einige Eigenschaften auf, die es für elektronenmikroskopische Anwendungen besonders attraktiv machen (z. B. hohe Elektronenumwandlungseffizienz, gute Auflösung, mechanische Robustheit und lange Lebensdauer).
• ZnS (Ag) oder Zinksulfid: ZnS (Ag) ist einer der älteren anorganischen Szintillatoren (das erste Experiment unter Verwendung eines Szintillators von Sir William Crookes (1903) umfasste einen ZnS-Bildschirm). Es ist jedoch nur als polykristallines Pulver erhältlich. Seine Verwendung ist daher auf dünne Siebe beschränkt, die hauptsächlich zur Detektion von α-Partikeln verwendet werden.
• ZnWO
  _⁴ oder Zinkwolframat ist ähnlich wie CdWO
  _⁴ Szintillator mit langer Zerfallskonstante von 25 μs und etwas geringerer Lichtausbeute.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Quellen[edit]

Externe Links[edit]