Was ist Szintillationsmaterial – Arten von Szintillatoren – Definition

Szintillationsmaterialien – Szintillatoren

Szintillatoren sind Arten von Materialien, die nach dem Durchgang eines geladenen Teilchens oder eines Photons nachweisbare Photonen im sichtbaren Teil des Lichtspektrums liefern. Der Szintillator besteht aus einem transparenten Kristall , normalerweise einer Phosphor-, Kunststoff- oder organischen Flüssigkeit, die beim Auftreffen von ionisierender Strahlung fluoresziert. Der Szintillator muss auch für seine eigenen Lichtemissionen transparent sein und eine kurze Abklingzeit haben. Der Szintillator muss auch von allem Umgebungslicht abgeschirmt sein, damit externe Photonen die durch einfallende Strahlung verursachten Ionisationsereignisse nicht überschwemmen. Um dies zu erreichen, wird häufig eine dünne undurchsichtige Folie wie aluminisiertes Mylar verwendet, die jedoch eine ausreichend geringe Masse aufweisen muss, um eine übermäßige Dämpfung der gemessenen einfallenden Strahlung zu minimieren .

In der Kern- und Teilchenphysik werden hauptsächlich zwei Arten von Szintillatoren verwendet: organische oder plastische Szintillatoren und anorganische oder kristalline Szintillatoren.

Anorganische Szintillatoren

Anorganische Szintillatoren sind normalerweise Kristalle, die in Hochtemperaturöfen gezüchtet werden. Sie umfassen Lithiumiodid (LiI), Natriumiodid (NaI) , Cäsiumiodid (CsI) und Zinksulfid (ZnS). Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (mit Thallium dotiertes Natriumiodid). Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es ein hohes Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Atomzahl und Pulsabklingzeiten von etwa 1 Mikrosekunde ( ~ 10 ^-6 s) aus). Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und können mit hohen Zählraten umgehen. Anorganische Kristalle können in kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden , um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Diese Funktion wird in der medizinischen Bildgebung häufig zur Erkennung von Röntgen- oder Gammastrahlen eingesetzt . Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser nachweisen als organische Szintillatoren. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergeben. Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre HygroskopizitätDies ist eine Eigenschaft, bei der sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden müssen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.

Thallium-dotierte Natriumiodid- NaI (Tl) -Szintillatoren

Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (mit Thallium dotiertes Natriumiodid) . NaI (Tl) als Szintillator wird in Szintillationsdetektoren verwendet, traditionell in der Nuklearmedizin, Geophysik, Kernphysik und Umweltmessungen. Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es ein hohes Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Atomzahl und Impulsabklingzeiten von etwa 1 Mikrosekunde (~ 10 ^-6 s) aus. Die Wellenlänge der maximalen Emission beträgt 415 nm. Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und können mit hohen Zählraten umgehen. Anorganische Kristalle können in kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden, um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Diese Funktion wird in der medizinischen Bildgebung häufig zur Erkennung von Röntgen- oder Gammastrahlen eingesetzt. Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser nachweisen. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergeben. Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre Hygroskopizität, eine Eigenschaft, bei der sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden müssen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. Die Kristalle sind gewöhnlich mit einer Photovervielfacherröhre in einer hermetisch abgedichteten Anordnung gekoppelt.

Thallium-dotierte Cäsiumiodid- CsI ​​(Tl) -Szintillatoren

Cäsiumiodid (CsI) in kristalliner Form wird als Szintillator zum Nachweis von Protonen und Alpha-Partikeln verwendet . Pure CsI ist ein schnelles und dichtes szintillierendes Material mit relativ geringer Lichtausbeute, das mit dem Abkühlen erheblich ansteigt. Die Nachteile von CsI sind ein hoher Temperaturgradient und eine leichte Hygroskopizität.

Thallium-dotiertes Cäsiumiodid hat eine effektive Ordnungszahl von 54 und eine Dichte von 4,51 g / cm ³ . CsI ​​(TI) ist ebenfalls hygroskopisch und sollte keiner hohen Luftfeuchtigkeit oder Wasser ausgesetzt werden. CsI ​​(TI) hat unterschiedliche Abklingzeiten für unterschiedliche Partikel (680 ns und 3340 ns) und kann zur Bestimmung zwischen verschiedenen Arten von Strahlung verwendet werden. Das Emissionsspektrum liegt bei 540-560 nm.

Organische Szintillatoren

Organische Szintillatoren sind Arten von organischen Materialien, die nach dem Durchgang eines geladenen Teilchens oder eines Photons im sichtbaren Teil des Lichtspektrums nachweisbare Photonen liefern. Der Szintillationsmechanismus in organischen Materialien unterscheidet sich stark vom Mechanismus in anorganischen Kristallen. In anorganischen Szintillatoren, zB NaI, CsI, entsteht die Szintillation aufgrund der Struktur des Kristallgitters. Der Fluoreszenzmechanismus in organischen Materialien ergibt sich aus Übergängen der Energieniveaus eines einzelnen Moleküls, und daher kann die Fluoreszenz unabhängig vom physikalischen Zustand (Dampf, Flüssigkeit, Feststoff) beobachtet werden.

Im Allgemeinen haben organische Szintillatoren schnelle Abklingzeiten (typischerweise ~ 10 ^–8 s ), während anorganische Kristalle normalerweise viel langsamer sind (~ 10 ^–6 s), obwohl einige auch schnelle Komponenten in ihrer Reaktion haben. Es gibt drei Arten von organischen Szintillatoren:

• Reine organische Kristalle . Reine organische Kristalle umfassen Kristalle von Anthracen, Stilben und Naphthalin. Die Abklingzeit dieser Art von Leuchtstoff beträgt ungefähr 10 Nanosekunden. Diese Art von Kristall wird häufig zum Nachweis von Beta-Partikeln verwendet . 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.
• Flüssige organische Lösungen . Flüssige organische Lösungen werden durch Auflösen eines organischen Szintillators in einem Lösungsmittel hergestellt.
• Plastikszintillatoren . Kunststoffleuchtstoffe werden durch Zugabe von Szintillationschemikalien zu einer Kunststoffmatrix hergestellt. Die Abklingkonstante ist die kürzeste der drei Leuchtstoffarten und nähert sich 1 oder 2 Nanosekunden. Kunststoff-Szintillatoren eignen sich daher besser für die Verwendung in Umgebungen mit hohem Fluss und bei Messungen mit hoher Dosisleistung. Der Kunststoff hat einen hohen Wasserstoffgehalt und ist daher für schnelle Neutronendetektoren nützlich . Die Erzeugung eines nachweisbaren Photons in einem Szintillator erfordert wesentlich mehr Energie als ein Elektron-Ionen-Paar durch Ionisation (typischerweise um den Faktor 10). Da anorganische Szintillatoren mehr Licht als organische Szintillatoren erzeugen, sind sie folglich besser für Anwendungen bei niedrigen Energien geeignet .