Основные теоретические положения. Заряженная частица, попадающая в вещество, расходует часть своей энергии на ионизацию атомов, а другую часть - на их возбуждение

Заряженная частица, попадающая в вещество, расходует часть своей энергии на ионизацию атомов, а другую часть - на их возбуждение. Возбужденные атомы, возвращаясь в основное состояние, выделяют энергию своего возбуждения. Также энергия выделяется и при рекомбинации ионов. В основном эта энергия превращается в тепло, но часть энергии испускается в виде фотонов. В ряде случаев эти фотоны могут выходить из

тела, в котором они образовались из-за попадания в него заряженных частиц. Такие тела с большим световым выходом называются сцинтилляторами, и используются в детекторах для регистрации ионизирующих частиц - сцинтилляционных счетчиках. Кроме самого сцинтиллятора, в состав сцинтилляционного счетчика входят электрические схемы (фотоумножители), преобразующие световые импульсы в электрические сигналы.

Главной характеристикой сци­н­тиллирующего вещества является от­ношение энергии, преобразующейся в свет, к полной энергии, которую теряет в веществе падающая ионизирующая частица. Это отношение называется конверсионной эффективностью или, иначе, физическим выходом.

Однако одной высокой конверсионной активности недостаточно для применения данного вещества в качестве сцинтиллятора, так как необходимо, чтобы свет мог выйти из него наружу. Установлено, что большая часть веществ непрозрачна для собственного излучения. Механизм такой непрозрачности прост: так как энергия фотонов равна разности энергий некоторых энергетических уровней (постулат Бора), то фотоны, испущенные при снятии возбуждения атома, резонансным образом поглощаются в веществе, то есть вызывают переходы других атомов из основного состояния в возбужденное. Для оценки качества сцинтиллятора используется поэтому не величина физического выхода, а другой параметр - технический выход. Под техническим выходом понимают отношение энергии, уносимой фотонами, вышедшими из вещества, к энергии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Технический выход (по другому - техническая эффективность) зависит от формы и размеров образца, количества внутренних примесей, качества поверхности и других подобных факторов.

Существует три типа сцинтилляторов с разными механизмами высвечивания. Это органические сцинтилляторы, неорганические кристаллы и газы. Наиболее распространены первые два типа, механизм сцинтилляции в которых описан ниже.

Рассмотрим процесс возникновения световой вспышки в органическом сцинтилляторе. В органических кристаллах связи между молекулами слабы и электронные энергетические уровни практически не возмущены. Разность энергий колебательных уровней много меньше энергии первого возбужденного энергетического состояния. Поэтому процесс излучения в практически кристалле такой же, что и у отдельной молекулы. На рис. 4.1 изображены основной уровень молекулы О и ее первое возбужденное состояние В. Над каждым из этих уровней располагается полоса колебательных уровней. Важно, что время жизни молекулы в первом возбужденном состоянии (~10^-8 с) много больше времени перехода между колебательными уровнями.

Рассмотрим упрощенную схему, поясняющую сцинтилляцию органического кристалла. Предположим, что в результате возбуждения, вызванного прохождением заряженной частицы, молекула перешла из основного состояния О в некоторое возбужденное состояние В. Передавая излишек энергии в колебательные степени свободы, молекула за короткий промежуток времени переходит на нижнее состояние первой возбужденной полосы. Дальнейший переход из состояния В в одно из состояний основной полосы сопровождается испусканием света. В конце происходит безизлучательный переход из состояния К1 в основное состояние молекулы.

Энергия фотона, излученного при переходе, оказывается меньше раз­ности уровней В и О и недостаточна для возбуждения молекул, находящихся в основном состоянии. Поглотить такой квант могут только молекулы, колебания которых соответствуют уровням, более высоким, чем К1. Но таких молекул не так много, поэтому самопоглощение света сцинтилляцией оказывается незначительным. Рис. 4.1 демонстрирует, что при испускании и поглощении света молекулами возникает не одна линия испускания или поглощения, а целые области, как показано на рис. 4.2. Из рис. 4.2 следует, что эти области частично перекрываются. Чем меньше область перекрытия спектров, тем прозрачнее сцинтиллятор для собственного излучения.

При комнатной температуре чистые неорганические кристаллы не сцинтиллируют. Известно, что в непроводящих чистых неорганических кристаллах электроны в основном состоянии расположены в валентной зоне А. Проходя через кристалл, заряженная частица переводит часть электронов из основного в возбужденное состояние - в зону проводимости В (рис. 4.3). Во время диффузии в зоне проводимости электрон может оказаться вблизи свободного уровня валентной зоны - дырки. Если происходит рекомбинация электрона с дыркой, то излучаются световые кванты с энергией, определяемой шириной запрещенной зоны кристалла. Этой же шириной определяется и спектр поглощения в кристаллах. Поэтому излученные при рекомбинации фотоны интенсивно поглощаются внутри кристалла, не выходя из кристалла.

Для придания таким кристаллам сцинтиллирующих свойств, в них вводят небольшое количество активатора (~0,1%), чтобы в кристалле образовались локальные энергетические уровни, которые называют центрами люминесценции. Вещество активатора подбирают так, чтобы его уровни располагались в запрещенной зоне кристалла. В результате оказываются возможными переходы электронов из зоны проводимости на уровни активатора d. Спектр излучаемых таким образом фотонов не перекрывается со спектром поглощения чистого кристалла и может поглощаться только самим активатором, концентрация которого мала, следовательно, фотоны выходят из сцинтиллятора.

На практике механизм высвечивания неорганических кристаллов намного сложнее описанной схемы. В частности, в активированных щелочногалоидных кристаллах, например NaCl, значительная доля энергии, потерянной частицей, влетающей в кристалл, преобразуется в энергию возбуждения связанных электронов (такие образования называются экситонами). Экситоны медленно мигрируют в кристалле и могут захватываться центрами люминесценции, в которых и происходит высвечивание.

Установлено, что время высвечивания неорганических кристаллов на несколько порядков больше, чем у органических сцинтилляторов, что объясняется большим временем диффузии возбужденных электронов или дырок (или миграцией экситонов).