Сцинтилляционные детекторы

Раздел 3.Сцинтилляционные детекторы .

Сцинтилляционный счётчик состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя  (или фотодиода).

Сцинтилляторами называют вещества, которые под действием рентгеновских квантов испускают фотоны в видимом или ультрафиолетовой области спектра. В сцинтилляторе спектр испускания излучения должен быть сдвинут относительно полосы поглощения. То есть, в веществе должна быть высокой вероятность испускания фотонов атомами и молекулами в возбуждённых состояниях и, в то же время, мала вероятность поглощения испущенных фотонов.

Наибольшее практическое применение  в качестве сцинтилляторов в рентгеновских детекторах имеют  активированные ионные кристаллы. Качественно процесс сцинтилляции в таких кристаллах можно описать следующим образом. В этих кристаллах взаимодействие атомов приводит к расщеплению энергетических уровней и образованию нескольких энергетических зон, которые могут быть заняты электронами. Эти зоны разделены  запрещёнными зонами. Валентная зона (полностью заполненная),запрещённая зона, экситонная и зона проводимости.

Рис.18.Энергетические зоны ионного кристалла.

При поглощении кванта электроны могут получить достаточно энергию для перехода в зону проводимости. При этом  в валентной зоне появляется вакантный уровень «дырка». И электрон  в зоне проводимости и дырка в валентной зоне могут свободно и независимо перемещаться по кристаллу, создавая электрическую проводимость кристалла. Этот процесс можно рассматривать как ионизацию. Возможен конкурирующий процесс , когда электрон получает энергию недостаточную для перехода в зону проводимости и остаётся электростатически связанным с дыркой в валентной зоне, то есть электрон попадает в экситонную зону. Пару электорн-дырка называют экситоном. Экситоны могут перемещаться в кристалле, но не создают электрической проводимости. В галоидных кристаллах ширина запрещённой зоны около 7 эв, ширина экситонной зоны около 1эв.

Снятие возбуждения, образованного квантом может происходить  несколькими путями. Электроны из зоны проводимости могут перейти в валентную зону, однако из-за большой ширины запрещенной зоны этот переход маловероятен. Рекомбинация электронов и дырок достаточно медленный процесс, так как электрону в результате диффузии необходимо попасть в ту часть кристалла, где имеется дырка. Аннигиляция экситонов, сопровождается излучением, совпадающим со спектром поглощения. Оба процесса, следовательно, поэтому не могут объяснять механизм сцинтилляционного процесса.

Электроны, дырки и экситоны при движении по кристаллу захватываются на дискретные уровни запрещённой зоны, в результате радиационных и безызлучательных процессов.

Время жизни носителей энергии на дискретных уровнях запрещённой зоны относительно радиационных переходов может быть большим. Захват электрона на такой уровень  рассматривают как поглощение энергии центром тушения.В центрах тушения электроны теряют свою энергию нерадиационным путём. Появление этих центров связывают с нарушениями кристаллической решётки и атомами примеси.

Чистые не активированные кристаллы не обладают сцинтиляционными свойствами .Введение небольшого количества активаторов(0.1%) создаёт центры люминисценции.

Если же время жизни относительно радиационных переходов мало, то переход в валентную зону сопровождается излучением. Такие энергетические уровни называют центрами люминесценции, и их наличие связывают с присутствием в кристалле ионов активаторов. Энергия этих уровней меньше ширины запрещённой зоны, т.е. спектр таких фотонов лежит вне спектра поглощения кристалла.

Отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощённой в сцинтилляторе называют конверсионной эффективностью сцинтиллятора. Для разных сцинтиляторов конверсионная эффективность различается но не превышает 0,3. Количество фотонов света, испускаемое сцинтиллятором при попадании одного рентгеновского кванта, характеризуют величиной называемой световыходом  сцинтиллятора.