Методичні вказівки до лабораторних робіт з радіаційної фізики (частина 1)

Поряд з вказаними процесами електрони під дією заряджених частинок високих енергій можуть попасти на дискретні енергетичні рівні забороненої зони, однак цей процес мало імовірний, оскільки густина таких рівнів мала із-за низької концентрації атомів активатора.

Після проходження зарядженої частинки високої енергії в кристалі утворюються збуджені метастабільні стани (екситони, пари електрон-дірка). Ці збудження можуть бути зняті різними шляхами. Можливе зняття збудження шляхом невипромінюючих переходів, коли енергія збудження перетворюється в енергію теплового руху частинок кристалу. Однак такі переходи малоімовірні, оскільки ширина забороненої зони (7еВ для NaJ) набагато більша енергії теплового руху частинок кристалу. Зі збільшенням температури кристалу імовірність невипромінюючих переходів експоненціально зростає. Зняття збудження можливе також за рахунок радіаційних переходів при рекомбінації електронів і дірок і анігіляції екситонів.

Рекомбінація електронів і дірок – процес порівняно повільний, оскільки для рекомбінації одній з цих часток в результаті дифузії необхідно попасти в область, де знаходиться протилежна частинка. Рекомбінація електронів і дірок і анігіляція екситонів не можуть бути основним механізмом сцинтиляційного процесу, оскільки спектр випромінювання перекривається із електроном поглинання кристалу. Наприклад, при анігіляції екситона виникає випромінювання з енергією фотона, приблизно рівною енергетичній ширині забороненої зони. Це випромінювання з великою імовірністю знову поглинається і приведе до утворення екситона в іншому місці кристалу. Подібне явище буде спостерігатись і при рекомбінації електрона і дірки. Радіаційні переходи при анігіляції і рекомбінації є механізмами, придатними для дифузії збудження по кристалу і захоплення електронів і дірок на домішкові рівні. 

Було встановлено, що спектр фотонів люмінесценції не залежить від способу збудження кристалу, а також концентрації атомів активатора і майже повністю обумовлений структурою енергетичних рівнів іонів Tl+ в кристалі. Крім того, в спектрі фотонів люмінесценції практично нема фотонів з енергією порядку ширини забороненої зони. Це означає, що люмінесценція обумовлена домішковими рівнями і що для неорганічних кристалів явище люмінесценції – властивість агрегатного стану речовини. Тому водний розчин NaJ(Tl) вже не має властивостей сцинтилятора. Крім того, світловихід суттєво залежить від концентрації активатора. Існує оптимальна концентрація активатора, при якій світловихід максимальний.

Відмічені особливості дозволяють побудувати наступну якісну картину сцинтиляційного процесу в активованих неорганічних кристалах. Випромінювання, що виникає при анігіляції екситонів і рекомбінації електронно-діркових пар, приводить до дифузії збудження по кристалу, в результаті якої помітна кількість електронів і дірок захоплюється домішковими рівнями іонів активатора. Після цього відбувається рекомбінація електронів і дірок з випромінюванням фотонів, енергія яких значно менша ширини забороненої зони. Чим більша концентрація активатора, тим більша імовірність захоплення електронів і дірок на домішкові рівні і тому світловихід росте. Але при збільшенні концентрації активатора збільшується і імовірність поглинання випромінювання цими ж домішковими рівнями, тому існує оптимальна концентрація активатора.

Сцинтилятор NaJ(Tl) має досить високу конверсійну ефективність (10%), час висвічування   мкс і довжину хвилі 410 нм. Інші неорганічні кристали мають характеристики, близькі до характеристик NaJ(Tl). Особливий інтерес серед цих кристалів мають кристали іодистого літію, тому що вони є високоефективними детекторами повільних нейтронів. Внаслідок реакції  утворюються в кристалі іонізуючі частинки – альфа-частинки і ядра тритію, які збуджують кристал і викликають сцинтиляцію.

Скляні сцинтилятори, активовані церієм, мають світловихід, що складає приблизно 15% від світловиходу NaJ(Tl), час висвічування 0,15мкс. Спектр фотонів люмінесценції має максимум при довжині хвилі 350–400 нм. Ці сцинтилятори містять до 11% літію, тому є ефективними детекторами нейтронів.

В органічних сцинтиляторах висвічування фотонів зв’язано з електронними переходами в збуджених молекулах, тобто люмінесценція – це властивість певних органічних молекул. Вона властива їм в різних агрегатних станах. Спектр люмінесценції органічних молекул має дві компоненти з різним часом висвічування. Для органічних сцинтиляторів характерний малий час висвічування швидкої компоненти, що наближається до часу життя окремої молекули в збудженому стані   Антрацен має серед органічних сцинтиляторів найбільшу конверсійну ефективність. Час висвічування швидкої компоненти 30 нс. Антрацен дуже неміцний кристал і при різких змінах температури тріскається, що утруднює його використання.

Стільбен має дуже малий час висвічування швидкої компоненти (6 нс), конверсійна ефективність 2%. Легко вирощуються кристали великих розмірів. Стільбен широко використовується для дослідження енергетичних розподілів нейтронів за протонами віддачі при пружному розсіюванні. 

Рідкі органічні сцинтилятори мають особливе значення. Вони дещо поступаються твердим по світловиходу, але їх можна використовувати у великих об’ємах. В них можна розчиняти речовини, які мають у своєму складі радіоактивні нукліди. Введення сполук, у складі яких є бор і кадмій, робить їх високоефективними детекторами для реєстрації нейтронів.

Простіші рідкі сцинтилятори складаються з розчинника (толуол, ксилол) і активатора