Scintilator

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Un scintilator este un material capabil să emită impulsuri de lumină , de obicei vizibile sau ultraviolete , atunci când este traversat de fotoni de mare energie sau particule încărcate.

Operațiune

Pe măsură ce trece, particula incidentă dă o parte din energia sa scintilatorului provocând, de exemplu, excitația unui electron care se deplasează la un nivel de energie mai înalt. Când electronul se descompune la nivelul pe care îl ocupa înainte de excitație, acesta emite un foton de energie relativ scăzută, de obicei în vizibil. Acest impuls luminos este apoi detectat și amplificat de senzori adecvați, de exemplu de un fotomultiplicator .

Proprietate

  1. Capacitatea de a converti energia cinetică a particulelor încărcate în lumină detectabilă
  2. Conversia ar trebui să fie cât mai liniară posibil pentru intervale de energie cât mai mari posibil
  3. Materialul cu care este fabricat scintilatorul trebuie să fie transparent la radiațiile emise
  4. Timpul de dezactivare trebuie să fie cât mai scurt posibil
  5. Materialul trebuie să aibă calități optice bune și trebuie să fie posibil să se producă în astfel de forme și cantități care să permită o utilizare ușoară
  6. Indicele de refracție al mediului trebuie să fie cât mai aproape de cel al sticlei (n ≈ 1,5) pentru a permite cuplarea acestuia cu fotomultiplicatori sau alte instrumente de amplificare și detectare a semnalului fără pierderi semnificative de lumină originală.

Tipuri de scintilatoare

Există diferite tipuri de scintilatoare care se disting prin tipul de material din care sunt fabricate, timpii de răspuns, lungimile de undă emise, eficiența scintilației (câtă energie este transformată în lumină) etc.

De exemplu, cele mai frecvente scintilatoare utilizate pentru detectarea radiațiilor sunt cristalele anorganice, materialele organice, plastice și lichide. Majoritatea sunt cristale anorganice sau plastice, cele mai frecvente fiind iodura de sodiu dopată cu taliu , care are o eficiență ridicată a scintilației.

Scintilatoare de cristale anorganice

În general, acestea sunt compuse din halogenuri alcaline , cum ar fi NaI . Acestea se disting prin puterea mare de oprire ( putere de oprire), care le face deosebit de potrivite pentru detectarea radiației penetrante și pentru eficiența ridicată. Cu toate acestea, acestea sunt mult mai lente decât celelalte, având timpi de răspuns de ordinul a sute de nanosecunde.

Cristalele sunt adesea dopate, de exemplu iodură de sodiu cu taliu . Aceste impurități sunt esențiale pentru a crește eficiența scintilației, pentru a reduce autoabsorbția și pentru a avea un flux luminos în lungimea de undă dorită.

Procesul care duce la emisia de lumină este următorul. Structura regulată a cristalului formează benzi de energie (banda de conducere și banda de valență), separate de o bandă interzisă, unde nu pot fi găsiți electroni. Particula de detectat dă energie unui electron care poate trece de la banda de valență la banda de conducere, se formează o pereche electron-gaură . Electronul și orificiul migrează independent până când electronul a pierdut suficientă energie și se dezactivează și revine la banda de valență emitând un foton . Acest proces este ineficient, iar probabilitatea de autoabsorbție este foarte mare, deoarece spectrul de emisie și absorbție sunt foarte similare.

Odată cu adăugarea de impurități, se formează centre de activare, unde probabilitatea de recombinare între electronul din banda de conducere și un decalaj în banda de valență este mai mare. Mai mult, în vecinătatea activatorului, structura benzii este modificată, adică se formează stări energetice între banda de conducție și banda de valență. În acest fel, un electron deconectat produce mulți fotoni la energii mult mai mici decât energia care separă cele două benzi și autoabsorbția devine neglijabilă.

Timpul de migrație al electronilor este foarte rapid, astfel încât stările excitate sunt practic formate împreună. Deoarece acest timp este foarte scurt, timpul de scintilație este dominat de timpul de de-excitație.

Scintilatoare organice în general

Scintilatoarele organice au proprietatea de a fi intrinsec transparente. De fapt, ceea ce se întâmplă este că fluorescența emisă este de fotoni care au o energie mai mică decât cea absorbită. Acest lucru implică o probabilitate foarte mică de a fi absorbit de moleculele mediului.

Scintilatoare de cristale organice

Acestea sunt molecule organice cu inele aromatice, în care radiația încărcată incident excită modurile de rotație sau vibrație. Acestea sunt în formă solidă, de fapt cristaline , și se disting prin răspunsul rapid (de obicei în aproximativ o nanosecundă ). Cu toate acestea, acestea au o fiabilitate redusă, deoarece este dificil să le organizăm în forma considerată cea mai potrivită, deoarece sunt cristaline.

Scintilatoare organice în soluție

Moleculele sunt aceleași cu tipul anterior, dar în loc să fie cristalizate, sunt ținute în soluție . Performanța depinde de puritatea și concentrația soluției.

Scintilatoare din plastic

Similar cu cele anterioare, dar „solventul” este solid , fiind constituit dintr-un material plastic ușor de lucrat, de exemplu polistiren . Rezultatul este un scintilator performant, deși ușor mai lent decât precedentele (timpi de răspuns de două sau trei nanosecunde).

Scintilatoare sticloase

Acestea constau din sticle de silicat care conțin impurități litiu cu centre de activare a ceriului . Au o eficiență slabă în detectarea electronilor rapidi , precum și un răspuns neliniar pentru celelalte particule încărcate, cu toate acestea sunt utilizate pe scară largă în detectarea neutronilor . Particularitatea lor este că, fiind caracterizate prin metode de producție similare cu cele ale sticlei obișnuite, ele pot fi fabricate în cele mai disparate forme, găsindu-se astfel aplicații în sectoarele excluse din scintilatoarele clasice: medii corozive, temperaturi ridicate. Un mic dezavantaj în utilizarea lor este reprezentat de procentul de elemente radioactive prezente în mod natural în sticlă, cum ar fi toriu și potasiu , care pot invalida măsurătorile dacă nu sunt luate în considerare în mod corespunzător.

Scintilatoare cu gaz

În acest caz, mecanismul de emisie a fotonilor nu se referă la recombinarea electron - gaură , ci la dez-excitația moleculelor de gaz. Cea mai mare parte a radiației este emisă în spectrul ultraviolet și, prin urmare, este necesar să se utilizeze fotomultiplicatori sau fotodiodi sensibili la această lungime de undă . Alternativ, o cantitate mică de alte gaze poate fi amestecată, cum ar fi de exemplu azotul care, prin absorbția în ultraviolete și reemiterea pe lungimi de undă mai mari, mută spectrul scintilatorului în zone cu o mai mare practicitate. Principalul dezavantaj al scintilatoarelor de gaz este eficiența lor scăzută datorită faptului că dezactivarea nu are loc întotdeauna odată cu emisia de fotoni, ci și prin coliziuni intermoleculare sau prin procesul de stingere . Cea mai bună caracteristică a lor este în schimb timpul de de-excitație foarte scurt, de ordinul câtorva nanosecunde, care le fac competitive cu scintilatoarele organice. În plus, fiind bazate pe gaz, acestea sunt deosebit de ușor de manevrat, putând varia cu ușurință dimensiunea, forma și proprietățile asociate acestora.

Aplicații

Scintilatoarele sunt utilizate în principal ca detectoare în fizica particulelor , în principal pentru detectarea particulelor încărcate cu energie ridicată. Acestea sunt utilizate pentru numărarea simplă a particulelor sau, de exemplu, pentru măsurarea timpului de zbor , din care este posibil să se obțină viteza particulelor și masa acesteia. Camerele de scintilație, construite practic pe aceleași principii, au fost utilizate pe scară largă în anii 1970 pentru experimentele de fizică a particulelor , ulterior au fost înlocuite cu detectoare mai sofisticate precum camere de impulsuri sau detectoare cu semiconductori .

Scintilatoarele pot fi utilizate și pentru fizica neutronilor , pentru protecție în prezența razelor X , pentru monitorizarea nucleară, pentru detectarea CT și a gazelor. Alte aplicații ale scintilatoarelor includ scanere CT și camere cu raze gamma utilizate în diagnosticarea medicală și ecranele monitoarelor și televizoarelor CRT mai vechi.

Utilizarea unui scintilator în combinație cu un tub fotomultiplicator este utilizată pe scară largă la distanțele manuale (portabile), utilizate pentru detectarea și măsurarea radioactivității și pentru monitorizarea materialului nuclear. Detectoarele de scintilație sunt utilizate în industria petrolieră ca detectoare de raze gamma.

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 21250