4.4.1. Общие характеристики сцинтилляторов

Процесс люминесценции может осуществляться, в принципе, двумя путями. В тех случаях, когда переходы из возбужденных энергетических состояний в основное разрешены, испускание света происходит в соответствии со средним временем жизни данного возбужденного состояния по обычным статистическим законам. Такого рода высвечивание называют флуоресценцией. Если же переход из возбужденного состояния в основное по каким-либо причинам запрещен, возникает метастабильное состояние, среднее время жизни которого может оказаться много больше времени жизни для обычного возбужденного состояния. В этом случае для того, чтобы испустить квант света, возбужденная система (в простейшем случае молекула или атом) должна предварительно перейти в более высокое энергетическое состояние, переход из которого в основное разрешен.

Необходимая для этого небольшая дополнительная энергия может быть приобретена возбужденной системой за счет флуктуации энергии теплового движения.

Процесс люминесценции такого рода принято называть фосфоресценцией.

Хотя в веществах, сцинтиллирующих под действием ионизирующих частиц, имеет место, как правило, флуоресценция, эти вещества часто называют фосфорами.

Следует отметить, что в некоторых сцинтилляторах вклад фосфоресценции составляет заметную долю от полной интенсивности световой вспышки.

Общие свойства сцинтилляторов. С точки зрения регистрации излучений сцинтилляторы должны удовлетворять как некоторым требованиям общего характера, так и специальным требованиям, обусловленным природой регистрируемых частиц.

Общие требования, предъявляемые к сцинтилляторам, заключаются в следующем. Прежде всего, вещество сцинтиллятора должно обладать высокой конверсионной эффективностью.

Под конверсионной эффективностью, иногда называемой физическим выходом, понимают отношение энергии световой вспышки к энергии, потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе. Конверсионная эффективность применяемых обычно сцинтилляторов лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. В идеальных сцинтилляторах конверсионная эффективность не должна зависеть ни от природы, ни от кинетической энергии регистрируемых частиц. В этом случае интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе; на основе такого сцинтиллятора может быть изготовлен детектор, обладающий свойством абсолютной пропорциональности. В реальных сцинтилляторах, однако, пропорциональные свойства ограничены, и для частиц, обладающих различными ионизирующими способностями, конверсионная эффективность может оказаться разной.

Высокая конверсионная эффективность вещества еще не определяет, однако, его пригодности в качестве сцинтиллятора. Действительно, для того чтобы зарегистрировать световую вспышку с помощью фотоумножителя, необходимо, чтобы кванты света, образовавшиеся в сцинтилляторе за счет ионизирующей частицы, могли выйти за пределы сцинтиллятора.

Отношение световой энергии, вышедшей из сцинтиллятора, к энергии, потерянной в нем частицей, называют технической эффективностью или техническим выходом. Техническая эффективность зависит от величины сдвига спектров испускания и поглощения, т.е.от прозрачности сцинтиллятора к собственному излучению, а также от ряда чисто практических причин: от толщины сцинтиллятора, количества примесей, уменьшающих его прозрачность, от состояния поверхности и т. п. В идеальных, абсолютно прозрачных для собственного излучения сцинтилляторах техническая эффективность должна быть равна конверсионной.

Световая вспышка регистрируется при помощи ФЭУ, обладающего некоторой спектральной характеристикой, охватывающей в основном область длин волн видимого света и близкого ультрафиолета. В соответствии с этим спектр частот, излучаемых сцинтиллятором, должен достаточно хорошо укладываться в чувствительной области ФЭУ. В противном случае для регистрации световых вспышек от того или иного сцинтиллятора пришлось бы изготавливать специальные фотоумножители с чувствительностью в области излучения данного сцинтиллятора.

И, наконец, для обеспечения достаточно высокой разрешающей способности по времени длительность световой вспышки должна быть сравнительно мала. В большинстве случаев интенсивность высвечивания сцинтиллятора J с течением времени t падает по экспоненциальному закону:

J (t) = J_о e^-t|т. Величина t – время, в течение которого интенсивность высвечивания падает в е раз –характеризует длительность световой вспышки и называется временем высвечивания сцинтиллятора. В некоторых сцинтилляторах зависимость интенсивности высвечивания J от времени имеет более сложный вид, описываемый суммой нескольких экспонент с разными постоянными времени (t). Возможен и неэкспоненциальный характер высвечивания.

Основные свойства сцинтиллятора и, в частности, время высвечивания t существенно определяются механизмом высвечивания. С этой точки зрения удобно разделить все известные сцинтиллирующие вещества на три класса: сцинтилляторы на основе тех или иных органических соединений, неорганические кристаллы и газы. Для всех сцинтилляторов, объединенных в том или ином классе, процессы возбуждения и последующей люминесценции протекают более или менее аналогичным образом.