Сцинтилляторы

Световыход — количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ). Большим световыходом считается величина 50—70 тыс. фотонов на МэВ. Чем выше световыход, тем более чувствителен сцинтиллятор, поэтому стремятся применять сцинтилляторы с большим световыходом. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца).

Спектр высвечивания должен быть по возможности оптимально согласован со спектральной чувствительностью используемого фотоприёмника. Несогласованность по спектру с фотоприёмником негативно сказывается на энергетическом разрешении.

Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано:

• со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления,
• с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора,
• с разбросом высвечиваемого числа фотонов.

В результате в статистически накопленном энергетическом спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, её часто[2] можно представить в виде гауссианы с дисперсией σ². В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используются среднеквадратическое отклонение σ (квадратный корень из дисперсии) и, чаще, полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum; иногда называется полушириной), отнесённые к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в ${\displaystyle 2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2{,}355}$ раза больше σ. Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально E^−1/2), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 (661,7 кэВ).

Типичная кривая высвечивания неорганического сцинтиллятора, возбуждённого поглощением быстрой заряженной частицы. После кратковременной яркой вспышки свечение относительно медленно затухает.

Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе, возбуждённого прохождением быстрой заряженной частицы энергия преобразуется в световое излучение, называют временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или, в общем случае, как сумма нескольких убывающих экспонент:

${\displaystyle \displaystyle I\sim \sum _{i}A_{i}\exp(-t/\tau _{i}).}$

Слагаемое в формуле с наибольшей амплитудой ${\displaystyle \displaystyle A_{i}}$ и постоянной времени ${\displaystyle \tau _{i}}$ характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Почти все сцинтилляторы после быстрого высвечивания имеют медленно спадающий «хвост» послесвечения, что зачастую является недостатком, с точки зрения временного разрешения, скорости счёта регистрируемых частиц.

Обычно сумму многих экспонент в приведённой формуле с достаточной для практики точностью можно представить в виде суммы двух экспонент:

${\displaystyle I=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right).}$

где ${\displaystyle \tau _{f}}$ — постоянная времени «быстрого» высвечивания,

${\displaystyle \tau _{s}}$ — постоянная времени «медленного» высвечивания,

${\displaystyle A,\ }$ ${\displaystyle B}$ — амплитуды свечения и послесвечения соответственно.

Амплитуды свечения и послесвечения зависят от энергии, поглощённой в сцинтилляторе, ионизирующей способности быстрых частиц и гамма-квантов. Например, в сцинтилляторах изготовленных из легированного фторида бария амплитуда свечения, вызванного поглощением гамма-кванта существенно превышает амплитуду свечения, вызванного поглощением альфа-частицы, при поглощении которой наоборот, превалирует амплитуда послесвечения. Это явление позволяет различать природу ионизирующего излучения.

Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов — от сотен наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, альфа-частицы, тяжёлые ионы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы, мюоны или рентген. Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching — «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β-отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.

Прозрачные керамические сцинтилляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов Al₂O₃ (Лукалокс), Y₂O₃ (Иттралокс) и производных оксидов Y₃Al₅O₁₂ и YAlO₃, а также MgO, BeO[3].