Сцинтилляционные кристаллы
Светоотдача (LO) - это коэффициент преобразования ионизирующего излучения в световую энергию. Обладая самым высоким LO, кристалл NaI (Tl) является наиболее популярным сцинтилляционным материалом. Поэтому LO NaI (Tl) принимается равным 100%. Световой выход других сцинтилляторов определяется относительно выхода NaI (Tl) (%). LO (Фотон / МэВ) - это количество видимых фотонов, произведенных в объеме сцинтиллятора под действием гамма-излучения.
Время затухания сцинтилляции - это время, необходимое для уменьшения сцинтилляционного излучения до е-1 от его максимума.
Энергетическое разрешение - это полная ширина распределения, измеренная на половине его максимума (FWHM), деленная на количество пикового канала и умноженная на 100. Обычно энергетическое разрешение определяется с использованием источника 137Cs. Вышеприведенное описание проиллюстрировано на рис. 1. Энергетическое разрешение показывает способность детектора различать гамма-источники с немного разными энергиями, что имеет большое значение для гамма-спектроскопии.
Спектр излучения - это относительное количество фотонов, испускаемых сцинтиллятором, как функция длины волны. Спектр излучения показан на рис. 2. Максимум интенсивности соответствует длине волны Imax, указанной в таблице. Для коэффициента детектирования излучаемых фотонов максимум квантовой эффективности ФЭУ должен совпадать с Imax.
Фон - это величина, определяемая как количество люминесцентных импульсов, испускаемых радиоактивным веществом в течение 1 секунды в объеме сцинтиллятора массой 1 кг.
Большинство сцинтилляционных кристаллов обнаруживают ряд люминесцентных компонентов. Основная составляющая соответствует времени затухания, однако существуют и менее интенсивные и более медленные. Обычно сила этих компонентов оценивается по интенсивности свечения сцинтиллятора, измеренной в заданное время после времени затухания. Послесвечение - это отношение интенсивности, измеренной в это заданное время (обычно через 6 мс), к интенсивности основного компонента, измеренной во время затухания.
Сложные оксидные кристаллы Силикат гадолиния, легированный церием (Gd2SiO5 (Ce) или GSO), BGO, CWO и PWO, имеют ряд преимуществ перед кристаллами галогенидов щелочных металлов: высокий эффективный атомный номер, высокая плотность, хорошее энергетическое разрешение в области энергий более 5 МэВ , низкое послесвечение и негигроскопичность. Благодаря этим характеристикам детекторы с кристаллами оксида более отказоустойчивы, не нуждаются в герметизации, имеют массу и объем в несколько раз меньше, чем аналоги галогенидов щелочных металлов, при той же эффективности обнаружения. Однако оксидные сцинтилляторы характеризуются более низким световым выходом и несколько меньшим разрешением по энергии при энергиях менее 5 МэВ.
Германат висмута (Bi4Ge3012 или BGO) является одним из наиболее широко используемых сцинтилляционных материалов оксидного типа. Он имеет высокие значения атомного номера и плотности. Детекторы на основе BGO имеют объем в 10 - 4 раза и массу в 5 - 7 раз меньше, чем детекторы со сцинтилляторами на щелочно-галогенидных соединениях. BGO является механически достаточно прочным, прочным, негигроскопичным и не имеет трещин. BGO имеет чрезвычайно высокую плотность 7,13 г / см3 и высокое значение Z, что делает эти кристаллы очень подходящими для обнаружения естественной радиоактивности (U, Th , K), для приложений физики высоких энергий (высокая фотофракция) или в компактных комптоновских спектрометрах подавления.
Детекторы BGO характеризуются высоким энергетическим разрешением в диапазоне энергий 5–20 МэВ, относительно коротким временем затухания; его параметры остаются стабильными до доз 5 х 104 Гр; возможно получение монокристаллов крупных размеров. Благодаря этим особенностям кристаллы BGO находят применение в физике высоких энергий (сцинтилляторы для электромагнитных калориметров и детектирующих сборках ускорителей), в спектрометрии и радиометрии гамма-излучения, позитронной томографии.
Вольфрамат кадмия (CdWO4 или CWO) имеет высокие значения плотности и атомного номера. Таким образом, светоотдача CWO в 2,5 - 3 раза выше, чем у германата висмута. Из-за низкого собственного фона и послесвечения, а также достаточно высокой светоотдачи CWO наиболее подходящими областями его применения являются спектрометрия и радиометрия радионуклидов в сверхнизких активностях. CWO - наиболее широко используемый сцинтиллятор для компьютерной томографии. Достаточно большое время затухания (3-5 Cls) является важной особенностью CWO, которая во многих случаях ограничивает возможности его применения.
Вольфрамат свинца (PbWO4 или PWO) представляет собой тяжелый (плотность = 8,28 г / см3, Z = 73) и быстрый (время распада = 3–5 нс) сцинтилляционный материал. Он имеет наименьшие значения радиационной длины и радиуса Мольера (0,9 и 2,19 соответственно) среди всех известных сцинтилляторов. Радиационные повреждения возникают при дозах, превышающих 105 Гр. Тем не менее световой выход PWO составляет всего около 1% от Csl (TI), так что этот материал можно использовать только в физике высоких энергий.
Двойной вольфрамат натрия-висмута (NaBi (WO4) 2 или NBWO) - это новый материал, который можно использовать в качестве излучателя Черенкова для обнаружения частиц. Этот кристалл имеет структуру шеелита пространственной группы C64h. Катионы Na + и Bi3 + статистически распределены по структурным позициям 4a (структурно-статистический беспорядок). Элементарная ячейка содержит две формульные единицы. Параметры элементарной ячейки по данным рентгеновского исследования: a = 5 281 ± 0,001 Å; c = 11,510 ± 0,002 Å; плотность r = 7,588 ± 0,004 г / см3. Оптические и люминесцентные свойства NBW практически не изучены, так как этот кристалл вряд ли может быть использован в качестве сцинтиллятора из-за низкого квантового выхода его люминесценции. Сообщалось, что спектр рентгеновской люминесценции имеет максимум ~ 520 нм, а интенсивность люминесценции составляет около 5% от интенсивности BGO.
Йодид натрия NaI (Tl), активированный таллием, является наиболее широко используемым сцинтилляционным материалом. NaI (TI) традиционно используется в ядерной медицине, измерениях окружающей среды, геофизике, физике средних энергий и т. Д. Факт его большой светоотдачи среди сцинтилляторов, удобный диапазон излучения (совпадает с областью максимальной эффективности фотоумножителя (ФЭУ) с биалкилкалием). фотокатоды), возможность получения кристаллов больших размеров и их невысокая цена по сравнению с другими сцинтилляционными материалами в значительной степени компенсируют основной недостаток Nal (TI). А именно гигроскопичность, из-за которой NaI (TI) можно использовать только в герметичных сборках. Изменение условий роста кристаллов, концентрации легирующей примеси, качества сырья и т. Д. Позволяет улучшить определенные параметры, например, повысить радиационную стойкость, повысить прозрачность и уменьшить послесвечение. Для конкретных приложений можно выращивать низкофоновые кристаллы. Кристаллы NaI (TI) с повышенной концентрацией легирующей примеси используются для изготовления детекторов рентгеновского излучения высокого спектрометрического качества. NaI (TI) производится в двух формах: монокристаллы и поликристаллы. Оптические и сцинтилляционные характеристики материала одинаковы в обоих состояниях. Однако в некоторых случаях применение поликристаллического материала позволяет решить ряд дополнительных проблем. Во-первых, штамповка позволяет получать кристаллы с линейными размерами, значительно превышающими размеры выращенных монокристаллов. Во-вторых, поликристаллы обладают повышенной прочностью, что в некоторых случаях важно. Кроме того, поликристаллы NaI (TI) не обладают идеальным сколом, поэтому вероятность их разрушения в процессе использования снижается. Использование экструзии при переводе NaI (TI) в поликристаллическое состояние также позволяет получать детали сложной формы без дополнительной дорогостоящей механической обработки.
Наиболее важной особенностью кристаллов иодида цезия, легированных таллием CsI (Tl), является их спектр излучения с максимумом при 550 нм, что позволяет использовать фотодиоды для регистрации излучения. Использование пары сцинтиллятор-фотодиод позволяет значительно уменьшить размер детектирующей системы (за счет использования фотодиода вместо ФЭУ), отказаться от источника питания высокого напряжения и использовать детектирующие системы в магнитных полях. Высокая радиационная стойкость (до 102 Гр) позволяет использовать CsI (TI) в ядерной физике, физике средних и высоких энергий. Специальная обработка обеспечивает получение сцинтилляторов CsI (TI) с низким послесвечением (менее 0,1% через 5 мс) для использования в томографических системах.
Иодид цезия, легированный натрием CsI (Na), в настоящее время является широко используемым материалом. Высокий световой поток (85% от NaI (TI)), излучение в синей области спектра (совпадает с диапазоном максимальной чувствительности самого популярного ФЭУ с двухщелочными фотокатодами) и существенно меньшая гигроскопичность по сравнению с NaI ( TI) делает этот материал хорошей альтернативой NaI (TI) во многих стандартных приложениях. Температурная зависимость светового потока имеет максимум при 80 ° C. Это позволяет использовать CsI (Na) в качестве сцинтилляционного материала при повышенных температурах. Время распада CsI (Na) зависит от концентрации легирующей примеси и колеблется в диапазоне 500 - 700 нс.
Сцинтилляционный материал селенид цинка ZnSe (Te) был создан специально для согласования с фотодиодом, максимум излучения которого составляет 640 нм. Коэффициент согласования между сцинтиллятором и фотодиодом до 0,9. Сцинтилляторы ZnSe резко отличаются от ZnS. «Быстрый» ZnSe имеет время затухания 3-5 мкс, «медленный» - 30-50 мкс. Они используются предпочтительно для регистрации рентгеновских лучей и гамма-частиц. Кристаллы ZnSe (Te) не обладают хорошей прозрачностью, поэтому мы не рекомендуем использовать их толщиной более 3-4 мм. Относительно CsI (Tl) светоотдача для рентгеновских лучей с E <100 кэВ (CsI (Tl) = 100%) составляет до 170% при толщине 2 мм. Неравномерность обычно составляет менее 1%. Кристаллы ZnSe (Te) негигроскопичны и достаточно хороши для механической обработки без сколов. Стандартные були из ZnSe (Te) имеют диаметр 24 мм. Диаметр до 40 мм доступен по запросу.