Сцинтилля́торы — вещества, проявляющие сцинтилляцию , то есть излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения ( гамма-квантов , электронов , альфа-частиц и т.д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения.

Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя — ФЭУ , значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой .

Характеристики сцинтилляторов

Световыход

Световыход — количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ ). Большим световыходом считается величина 50—70 тыс. фотонов на МэВ. Чем выше световыход, тем более чувствителен сцинтиллятор, поэтому стремятся применять сцинтилляторы с большим световыходом. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца ).

Спектр высвечивания

Спектр высвечивания должен быть по возможности оптимально согласован со спектральной чувствительностью используемого фотоприёмника. Несогласованность по спектру с фотоприёмником негативно сказывается на энергетическом разрешении.

Энергетическое разрешение

Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано:

• со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления,
• с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора,
• с разбросом высвечиваемого числа фотонов.

В результате в статистически накопленном энергетическом спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию ) оказывается размытой, её часто можно представить в виде гауссианы с дисперсией σ ² . В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используются среднеквадратическое отклонение σ ( квадратный корень из дисперсии) и, чаще, полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum ; иногда называется полушириной ), отнесённые к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в ${\displaystyle 2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2{,}355}$ раза больше σ . Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально E ^−1/2 ), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 ( 661,7 кэВ ).

Время высвечивания

Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе, возбуждённого прохождением быстрой заряженной частицы энергия преобразуется в световое излучение, называют временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или, в общем случае, как сумма нескольких убывающих экспонент:

${\displaystyle \displaystyle I\sim \sum _{i}A_{i}\exp(-t/\tau _{i}).}$

Слагаемое в формуле с наибольшей амплитудой ${\displaystyle \displaystyle A_{i}}$ и постоянной времени ${\displaystyle \tau _{i}}$ характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Почти все сцинтилляторы после быстрого высвечивания имеют медленно спадающий «хвост» послесвечения, что зачастую является недостатком, с точки зрения временного разрешения, скорости счёта регистрируемых частиц.

Обычно сумму многих экспонент в приведённой формуле с достаточной для практики точностью можно представить в виде суммы двух экспонент:

${\displaystyle I=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right).}$

где ${\displaystyle \tau _{f}}$ — постоянная времени «быстрого» высвечивания,

${\displaystyle \tau _{s}}$ — постоянная времени «медленного» высвечивания,

${\displaystyle A,\ }$ ${\displaystyle B}$ — амплитуды свечения и послесвечения соответственно.

Амплитуды свечения и послесвечения зависят от энергии, поглощённой в сцинтилляторе, ионизирующей способности быстрых частиц и гамма-квантов. Например, в сцинтилляторах изготовленных из легированного фторида бария амплитуда свечения, вызванного поглощением гамма-кванта существенно превышает амплитуду свечения, вызванного поглощением альфа-частицы , при поглощении которой наоборот, превалирует амплитуда послесвечения. Это явление позволяет различать природу ионизирующего излучения.

Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов — от сотен наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

Радиационная прочность

Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.

Квенчинг-фактор

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации ( протоны , альфа-частицы, тяжёлые ионы , осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы , мюоны или рентген . Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching — «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β -отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.

Неорганические сцинтилляторы (в скобках указан активатор)

	Время высвечивания, мкс	Максимум спектра высвечивания, нм	Коэффициент эффективности (по отношению к антрацену )	Примечание
NaI ( Tl )	0,25	410	2,0	гигроскопичен
CsI ( Tl )	0,5	560	0,6	фосфоресценция
LiI ( Sn )	1,2	450	0,2	очень гигроскопичен
LiI ( Eu )				очень гигроскопичен
ZnS ( Ag )	1,0	450	2,0	порошок
CdS ( Ag )	1,0	760	2,0	небольшие монокристаллы

Неорганические сцинтилляторы

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода кристалл легируют активатором (или так называемым допантом). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными .

Неорганические керамические сцинтилляторы

Прозрачные керамические сцинтилляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов Al ₂ O ₃ (Лукалокс), Y ₂ O ₃ (Иттралокс) и производных оксидов Y ₃ Al ₅ O ₁₂ и YAlO ₃ , а также MgO, BeO .

Органические сцинтилляторы

	${\displaystyle \lambda _{\max }}$ эмиссии [нм]	Время высвечивания [нс]	Световыход (относительно NaI)
Нафталин	348	96	0,12
Антрацен	440	30	0,5
Паратерфенил	440	5	0,25

Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух- или трёхкомпонентные смеси . Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт возбуждения налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн . Длина поглощения этого ультрафиолетового света, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.

Вывод света осуществляется добавлением к сцинтиллятору второго компонента, поглощающего первично излученный ультрафиолетовый свет и переизлучающего его изотропно с бо́льшими длинами волн (так называемого сместителя спектра, или шифтера ).

Две активных компоненты в органических сцинтилляторах или растворяются в органической жидкости или смешиваются с органическим материалом так, чтобы образовать полимерную структуру. По такой технологии можно производить жидкий или пластмассовый сцинтиллятор любой геометрической формы и размера. В большинстве случаев изготавливаются листы сцинтиллятора толщиной от 1 до 30 мм.

Органические сцинтилляторы имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц — десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший .

Также существуют другие органические сцинтилляторы, например американской компании . Сцинтилляторы Bicron BC 400…416 производятся на основе .

Газовые сцинтилляторы

Газовые сцинтилляционные счетчики используют свет, излученный атомами, которые возбуждаются в процессе взаимодействия с ними заряженных частиц и затем возвращаются в основное состояние. Времена жизни возбужденных уровней лежат в наносекундном диапазоне. Световыход в газовых сцинтилляторах в силу низкой плотности газов сравнительно невысок. Однако в качестве газовых сцинтилляторов могут также применяться сжиженные инертные газы.

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Жидкие сцинтилляторы

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

См. также

	В Викисловаре есть статья « »

• Кристаллы
• Лазер
• Керамика
• Прозрачные керамические материалы
• Оптические материалы
• Волновод

Примечания