Сцинтилляция (физика)

Чтобы узнать о других значениях, см. Сцинтилляция (значения) .

В конденсированного состояния физике сцинтилляция ( / ˈ s ɪ n t ɪ l eɪ ʃ ən / SIN -til-ay-shun ) — это физический процесс, при котором материал, называемый сцинтиллятором , излучает ультрафиолетовый или видимый свет при возбуждении высокой энергии. фотонами ( рентгеновские лучи или гамма-лучи ) или энергичные частицы (такие как электроны , альфа-частицы , нейтроны или ионы ). см. в разделе «Сцинтиллятор и сцинтилляционный счетчик» . Практическое применение

Обзор

Сцинтилляция является примером люминесценции , при которой свет характерного спектра излучается после поглощения излучения . Процесс сцинтилляции можно разделить на три основные стадии: (A) преобразование, (B) транспорт и передача энергии к центру люминесценции и (C) люминесценция. Испускаемое излучение обычно менее энергично, чем поглощенное излучение, поэтому сцинтилляция обычно представляет собой процесс преобразования с понижением частоты.

Процессы конвертации

Первая стадия сцинтилляции, конверсия, представляет собой процесс, при котором энергия падающего излучения поглощается сцинтиллятором, и высокоэнергетические электроны и дырки в материале создаются . Механизм поглощения энергии сцинтиллятором зависит от типа и энергии используемого излучения. Для фотонов высокой энергии, таких как рентгеновские лучи (0,1 кэВ < $E_{\gamma }$ < 100 кэВ) и γ-лучи ( $E_{\gamma }$ > 100 кэВ), за процесс преобразования энергии при сцинтилляции ответственны три типа взаимодействий: фотоэлектрическое поглощение , Комптоновское рассеяние , и парное производство , что происходит только тогда, когда $E_{\gamma }$ > 1022 кэВ, т.е. у фотона достаточно энергии для создания электрон-позитронной пары.

Эти процессы имеют разные коэффициенты затухания , которые зависят главным образом от энергии падающего излучения, среднего атомного номера материала и плотности материала. Обычно поглощение излучения высокой энергии описывается следующим образом:

$I=I_{0}\cdot e^{-\mu d}$

где $I_{0}$ - интенсивность падающего излучения, $d$ - толщина материала, а $\mu$ — линейный коэффициент затухания, который представляет собой сумму коэффициентов затухания различных вкладов: $\mu =\mu _{pe}+\mu _{cs}+\mu _{pp}+\mu _{oc}$, что будет объяснено ниже.

При более низких энергиях рентгеновского излучения ( $E_{\gamma }\lesssim$ 60 кэВ), наиболее доминирующим процессом является фотоэлектрический эффект, при котором фотоны полностью поглощаются связанными электронами в материале, обычно остовными электронами в K- или L-оболочке атома, а затем выбрасываются, что приводит к ионизации атом-хозяин. Вклад линейного коэффициента затухания фотоэлектрического эффекта определяется выражением:

$\mu _{pe}\propto {\rho Z^{n} \over E_{\gamma }^{3.5}}$

где $\rho$ – плотность сцинтиллятора, $Z$ средний атомный номер, $n$ - константа, которая варьируется от 3 до 4, а $E_{\gamma }$ это энергия фотона. При низких энергиях рентгеновского излучения предпочтительны сцинтилляционные материалы с атомами с высокими атомными номерами и плотностями, поскольку они более эффективно поглощают падающее излучение.

При более высоких энергиях ( $E_{\gamma }$ $\gtrsim$ 60 кэВ) Комптоновское рассеяние, неупругое рассеяние фотонов связанными электронами, часто также приводящее к ионизации атома-хозяина, становится более доминирующим процессом конверсии. Вклад линейного коэффициента ослабления комптоновского рассеяния определяется выражением:

$\mu _{cs}\propto {\rho \over {\sqrt {E_{\gamma }}}}$

В отличие от фотоэффекта, поглощение, возникающее в результате комптоновского рассеяния, не зависит от атомного номера атомов, присутствующих в кристалле, а линейно зависит от их плотности.

При энергиях γ-квантов выше $E_{\gamma }$ При > 1022 кэВ, т. е. при энергии, в два раза превышающей энергию массы покоя электрона, начинает происходить образование пар. Производство пар – это

релятивистское явление, при котором энергия фотона преобразуется в пару электрон-позитрон. Созданные электрон и позитрон затем будут взаимодействовать со мерцающим материалом, создавая энергичные электроны и дырки. Вклад коэффициента затухания для образования пар определяется следующим образом:

$\mu _{pp}\propto \rho Z\ln {\Bigl (}{2E_{\gamma } \over m_{e}c^{2}}{\Bigr )}$

где $m_{e}$ - масса покоя электрона и $c$ это скорость света . Следовательно, при высоких энергиях γ-квантов поглощение энергии зависит как от плотности, так и от среднего атомного номера сцинтиллятора. Кроме того, в отличие от фотоэлектрического эффекта и комптоновского рассеяния, образование пар становится более вероятным по мере увеличения энергии падающих фотонов, и образование пар становится наиболее доминирующим процессом преобразования, описанным выше. $E_{\gamma }$~ 8 МэВ.

The $\mu _{oc}$ Этот термин включает и другие (незначительные) вклады, такие как рэлеевское (когерентное) рассеяние при низких энергиях и фотоядерные реакции при очень высоких энергиях, которые также способствуют конверсии, однако вклад рэлеевского рассеяния практически незначителен, и фотоядерные реакции становятся актуальными только при очень высоких энергиях. высокие энергии.

После того как энергия падающего излучения поглощается и преобразуется в так называемые горячие электроны и дырки в материале, эти энергичные носители заряда будут взаимодействовать с другими частицами и квазичастицами в сцинтилляторе (электронами, плазмонами , фононами ), что приводит к «лавинное событие», когда образуется большое количество вторичных электронно-дырочных пар до тех пор, пока горячие электроны и дырки не потеряют достаточную энергию. Большое количество электронов и дырок, образующихся в результате этого процесса, затем подвергается термализации , т.е. рассеиванию части своей энергии за счет взаимодействия с фононами в материале.

В результате большое количество энергичных носителей заряда подвергнется дальнейшей диссипации энергии, называемой термализацией. Это происходит за счет взаимодействия с фононами для электронов и оже-процессов для дырок.

По оценкам, среднее время преобразования, включая поглощение энергии и термализацию, составляет порядка 1 пс. чем среднее время затухания фотолюминесценции что намного быстрее , .

Транспорт заряда возбужденных носителей

Второй этап сцинтилляции — перенос заряда термализованных электронов и дырок к центрам люминесценции и передача энергии атомам, участвующим в процессе люминесценции. На этом этапе большое количество электронов и дырок, образовавшихся в процессе преобразования, мигрируют внутрь материала. Вероятно, это одна из наиболее важных фаз сцинтилляции, поскольку обычно именно на этой стадии происходит большая часть потери эффективности из-за таких эффектов, как захват или безызлучательная рекомбинация . В основном это вызвано наличием дефектов в кристалле сцинтиллятора, таких как примеси, ионные вакансии и границы зерен . Транспорт заряда также может стать узким местом для определения времени процесса сцинтилляции. Фаза переноса заряда также является одной из наименее изученных частей сцинтилляции и сильно зависит от типа используемого материала и его собственных свойств проводимости заряда.

Люминесценция

π-электронные энергетические уровни органической молекулы. S ₀ – основное состояние. S ₁ , S ₂ , S ₃ являются возбужденными синглетными состояниями. T ₁ , T ₂ , T ₃ — возбужденные триплетные состояния. S ₀₀ , S ₀₁ , S ₁₀ , S ₁₁ и т. д. являются вибрационными подуровнями.

Как только электроны и дырки достигают центров люминесценции, наступает третья и последняя стадия сцинтилляции: люминесценция. На этом этапе электроны и дырки захватывают потенциальные пути люминесцентного центра, а затем электроны и дырки излучательно рекомбинируют . Точные детали фазы люминесценции также зависят от типа материала, используемого для сцинтилляции.

Неорганические кристаллы

Дополнительная информация: Сцинтилляционный счетчик § Материалы для обнаружения.

Для фотонов, таких как гамма-лучи, NaI часто используются кристаллы , активированные таллием (NaI (Tl)). Для более быстрого отклика (но только 5% выходного сигнала) CsF . можно использовать кристаллы

Органические сцинтилляторы

В органических молекулах сцинтилляция является продуктом π-орбиталей . Органические материалы образуют молекулярные кристаллы, молекулы которых слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса . Основное состояние ¹² С равен 1 с ² 2 с ² 2р ² . В теории валентных связей, когда углерод образует соединения, один из 2s-электронов возбуждается в состояние 2p, что приводит к конфигурации 1s. ² 2 с ¹ 2р ³ . Для описания различных валентностей углерода четыре валентные электронные орбитали, одна 2s и три 2p, считаются смешанными или гибридизованными в нескольких альтернативных конфигурациях. Например, в тетраэдрической конфигурации s и p ³ орбитали объединяются, образуя четыре гибридные орбитали. В другой конфигурации, известной как тригональная конфигурация, одна из p-орбиталей (скажем, p _z ) остается неизменной, и три гибридные орбитали образуются путем смешивания орбиталей s, p _x и p _y . Орбитали, симметричные относительно осей связи и плоскости молекулы (sp ² ) известны как σ-электроны, а связи называются σ-связями. Орбиталь p _z называется π-орбиталью. π-связь возникает при взаимодействии двух π-орбиталей. Это происходит, когда их узловые плоскости компланарны.

В некоторых органических молекулах π-орбитали взаимодействуют, образуя общую узловую плоскость. Они образуют делокализованные π-электроны, которые могут возбуждаться излучением. Девозбуждение делокализованных π-электронов приводит к люминесценции.

Возбужденные состояния π-электронных систем можно объяснить с помощью модели свободных электронов по периметру (Платт, 1949). Эта модель используется для описания полициклических углеводородов, состоящих из конденсированных систем бензоидных колец, в которых ни один атом С не принадлежит более чем двум кольцам и каждый атом С находится на периферии.

Кольцо можно аппроксимировать кругом длиной l. Волновая функция электронной орбитали должна удовлетворять условию плоского ротатора:

$\psi (x)=\psi (x+l)\,$

Соответствующие решения волнового уравнения Шредингера :

${\begin{aligned}\psi _{0}&=\left({\frac {1}{l}}\right)^{\frac {1}{2}}\\\psi _{q1}&=\left({\frac {2}{l}}\right)^{\frac {1}{2}}\cos {\left({\frac {2\pi \ qx}{l}}\right)}\\\psi _{q2}&=\left({\frac {2}{l}}\right)^{\frac {1}{2}}\sin {\left({\frac {2\pi \ qx}{l}}\right)}\\E_{q}&={\frac {q^{2}\hbar ^{2}}{2m_{0}l^{2}}}\end{aligned}}$

где q — орбитальное квантовое число кольца; количество узлов волновой функции. Поскольку электрон может иметь спин вверх и вниз и может вращаться по окружности в обоих направлениях, все энергетические уровни, кроме самого нижнего, являются двукратно вырожденными.

Выше показаны π-электронные энергетические уровни органической молекулы. Поглощение излучения сопровождается колебанием молекул до _{состояния S1} . За этим следует девозбуждение в состояние S ₀ , называемое флуоресценцией. Заселение триплетных состояний возможно и другими способами. Триплетные состояния распадаются с гораздо более длительным временем затухания, чем синглетные состояния, что приводит к так называемому медленному компоненту процесса распада (процесс флуоресценции называется быстрым компонентом). В зависимости от конкретных потерь энергии той или иной частицы (dE/dx) «быстрое» и «медленное» состояния заняты в разных пропорциях. Таким образом, относительные интенсивности световыхода этих состояний различаются для разных dE/dx. Это свойство сцинтилляторов позволяет различать форму импульса: можно определить, какая частица была обнаружена, глядя на форму импульса. Конечно, разница в форме видна на задней стороне импульса, поскольку она обусловлена ​​распадом возбужденных состояний.

См. также

• Позитронно-эмиссионная томография