Centelleadores

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Los centelleadores son sustancias que muestran centelleo (emiten luz al absorber radiación ionizante ( cuantos gamma , electrones , partículas alfa , etc. ). Como regla general, el número de fotones emitidos para un tipo dado de radiación es aproximadamente proporcional a la energía absorbida, lo que permite obtener espectros de energía de radiación.

Los detectores de centelleo nuclear son la principal aplicación de los centelleadores. En un detector de centelleo, la luz emitida durante el centelleo se recoge en un fotodetector (por regla general, este es un fotocátodo fotomultiplicador - PMT , los fotodiodos y otros fotodetectores se usan con mucha menos frecuencia ), se convierte en un pulso de corriente, amplificado y registrado por uno u otro sistema de grabación [1] .

Características de los centelladores

Salida de luz

Salida de luz: el número de fotones emitidos por el centelleador cuando se absorbe cierta cantidad de energía (normalmente 1 MeV ). Se considera que una gran salida de luz es de 50 a 70 mil fotones por MeV. Cuanto mayor sea la salida de luz, más sensible será el centelleador, por lo que se tiende a utilizar centelleadores con una salida de luz alta. Sin embargo, los centelleadores con una salida de luz significativamente menor (por ejemplo, tungstato de plomo ) también se pueden usar para detectar partículas de alta energía.

Espectro de emisión

El espectro de emisión debe adaptarse lo mejor posible a la sensibilidad espectral del fotodetector utilizado. La inconsistencia en el espectro con el fotodetector afecta negativamente la resolución energética.

Permiso de energía

Incluso cuando se absorben partículas con la misma energía, la amplitud del pulso a la salida del fotodetector del detector de centelleo varía de un evento a otro. esta conectado:

con la naturaleza estadística de los procesos de recolección de fotones en un fotodetector y posterior amplificación,
con diferente probabilidad de entrega de fotones al fotodetector desde diferentes puntos del centelleador,
con una dispersión del número mostrado de fotones.

Como resultado, en el espectro de energía estadísticamente acumulado, la línea (que para un detector ideal representaría la función delta ) resulta borrosa, a menudo puede [2] representarse como una Gaussiana con dispersión σ 2 . Como característica de la resolución energética del detector, la desviación estándar σ ( raíz cuadrada de la dispersión) y, más a menudo, el ancho completo de la línea a media altura (FWHM, del inglés. Full Width on Half Maximum ; a veces denominada media anchura ), relacionada con la mediana de la recta y expresada en tanto por ciento. Las gaussianas FWHM son tiempos σ . Debido a que la resolución de energía depende de la energía (típicamente proporcional a E −1/2 ), debe especificarse para una energía particular. La mayoría de las veces, la resolución se da para la energía de la línea gamma de cesio-137 ( 661,7 keV ). $2{\sqrt {2\ln 2}}\aprox. 2{,}355$

Tiempo de destello

El tiempo durante el cual la energía absorbida en el centelleador, excitada por el paso de una partícula cargada rápidamente, se convierte en radiación luminosa, se denomina tiempo de emisión. La dependencia de la emisión del centelleador con el tiempo desde el momento de absorción de una partícula (curva de luminiscencia) normalmente se puede representar como un exponente decreciente o, en general, como la suma de varios exponentes decrecientes:

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

El término de la fórmula con la mayor amplitud y constante de tiempo caracteriza el tiempo total de luminiscencia del centelleador. Casi todos los centelleadores después de una emisión rápida tienen una "cola" de resplandor residual que cae lentamente, lo que a menudo es una desventaja, desde el punto de vista de la resolución temporal, de la tasa de recuento de partículas detectadas. ${\ estilo de pantalla \ estilo de pantalla A_ {i}}$ ${\ estilo de visualización \ tau _ {i}}$

Por lo general, la suma de muchos exponentes en la fórmula anterior se puede representar con suficiente precisión para la práctica como la suma de dos exponentes:

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

donde es la constante de tiempo de la emisión "rápida",

{\ estilo de visualización \ tau _ {f}}

{\ estilo de visualización \ tau _ {s}}

- constante de tiempo de iluminación "lenta",

{\ estilo de visualización A, \ }

B

son las amplitudes de resplandor y resplandor, respectivamente.

Las amplitudes del resplandor y del resplandor dependen de la energía absorbida en el centelleador, la capacidad ionizante de las partículas rápidas y los rayos gamma. Por ejemplo, en centelleadores hechos de fluoruro de bario dopado, la amplitud del resplandor causado por la absorción de un cuanto gamma supera significativamente la amplitud del resplandor causado por la absorción de una partícula alfa , tras la absorción de la cual, por el contrario, el prevalece la amplitud del resplandor. Este fenómeno permite distinguir la naturaleza de las radiaciones ionizantes.

El tiempo típico de brillo de los centelleadores inorgánicos es de cientos de nanosegundos a decenas de microsegundos. Los centelleadores orgánicos (plásticos y líquidos) parpadean en nanosegundos.

Fuerza de radiación

Los centelleadores irradiados se degradan gradualmente. La dosis de radiación que un centelleador puede soportar sin un deterioro significativo de sus propiedades se denomina intensidad de radiación.

Factor de extinción

Partículas de diferente naturaleza, pero con la misma energía, cuando se absorben en un centelleador, por lo general, dan una salida de luz diferente. Las partículas con una alta densidad de ionización ( protones , partículas alfa, iones pesados , fragmentos de fisión) producen menos fotones en la mayoría de los centelleadores que los rayos gamma, las partículas beta , los muones o los rayos X. La relación entre la salida de luz de un tipo dado de partícula y la salida de luz de los rayos gamma con la misma energía se denomina factor de extinción (del inglés extinción - "apagar"). El factor de extinción de los electrones (partículas beta) suele estar cerca de la unidad. El factor de extinción de las partículas alfa se denomina relación α/β ; para muchos centelladores orgánicos está cerca de 0,1.

Centelleadores inorgánicos (el activador se indica entre paréntesis)

	Tiempo de iluminación , µs	Espectro de emisión máximo , nm	Relación de eficiencia ( relativa al antraceno )	Nota
NaI ( Tl )	0.25	410	2.0	higroscópico
CsI ( Tl )	0.5	560	0.6	fosforescencia
LiI ( Sn )	1.2	450	0.2	muy higroscópico
LiI ( UE )				muy higroscópico
ZnS ( Ag )	1.0	450	2.0	polvo
CDS ( Ag )	1.0	760	2.0	pequeños cristales individuales

Centelleadores inorgánicos

Muy a menudo, los monocristales inorgánicos se utilizan como centelleadores. A veces, para aumentar la salida de luz, el cristal se dopa con un activador (o el llamado dopante). Así, en el centelleador de NaI(Tl), la matriz cristalina de yoduro de sodio contiene centros activadores de talio (una impureza al nivel de centésimas de porcentaje). Los centelleadores que brillan sin un activador se llaman intrínsecos .

Centelleadores cerámicos inorgánicos

Los centelleadores cerámicos transparentes se fabrican a partir de materiales cerámicos transparentes a base de óxidos Al 2 O 3 (Lukalox), Y 2 O 3 (Ittralox) y derivados de los óxidos Y 3 Al 5 O 12 y YAlO 3 , así como MgO, BeO [3] .

Centelleadores orgánicos

	${\ estilo de visualización \ lambda _ {\ max}}$ emisiones [nm]	Tiempo de iluminación [ns]	Rendimiento de luz (en relación con NaI)
Naftalina	348	96	0.12
antraceno	440	treinta	0.5
paraterfenilo	440	5	0.25

Los centelleadores orgánicos suelen ser mezclas de dos o tres componentes [4] . Los centros de fluorescencia primarios se excitan debido a la excitación de las partículas incidentes. Cuando estos estados excitados decaen, se emite luz en el rango de longitud de onda ultravioleta . Sin embargo, la longitud de absorción de esta luz ultravioleta es bastante corta: los centros de fluorescencia son opacos a su propia luz emitida.

La salida de luz se lleva a cabo añadiendo al centelleador un segundo componente que absorbe la luz ultravioleta emitida inicialmente y la reirradia isotrópicamente con longitudes de onda más largas (el llamado desviador de espectro, o shifter ).

Los dos ingredientes activos de los centelleadores orgánicos se disuelven en un líquido orgánico o se mezclan con un material orgánico para formar una estructura polimérica. Usando esta tecnología, es posible producir un centelleador líquido o plástico de cualquier forma y tamaño geométrico. En la mayoría de los casos, las láminas de centelleo se fabrican con un espesor de 1 a 30 mm.

Los centelleadores orgánicos tienen tiempos de destello mucho más cortos (del orden de unos pocos a decenas de nanosegundos) en comparación con los centelleadores inorgánicos, pero tienen una salida de luz más baja .

También existen otros centelladores orgánicos, como el de la empresa americana BICRON . Los centelleadores Bicron BC 400…416 se fabrican a base de poliviniltolueno [5] [6] .

Centelleadores de gas

Los contadores de centelleo de gas utilizan la luz emitida por los átomos, que se excitan durante la interacción de las partículas cargadas con ellos y luego regresan al estado fundamental. La vida útil de los niveles excitados se encuentra en el rango de nanosegundos. El rendimiento de luz en los centelleadores de gas es comparativamente bajo debido a la baja densidad de los gases. Sin embargo, los gases inertes licuados también se pueden utilizar como centelleadores de gas.

Centelleadores líquidos

Véase también

Notas

↑ Detectores de radiación nuclear - artículo de la Gran Enciclopedia Soviética .
↑ En algunos casos, las líneas en el espectro del centelleador pueden diferir mucho del gaussiano, por ejemplo, por la asimetría.
↑ Artículo general sobre la historia de la cerámica . Consultado el 11 de marzo de 2009. Archivado desde el original el 29 de mayo de 2008. (indefinido)
↑ Perkins D. Introducción a la física de alta energía. - M., Mir , 1975. - pág. 71-73
↑ Características de los materiales del centelleador BICRON. Archivado el 8 de diciembre de 2008 en Wayback Machine .
↑ Sitio web oficial de BICRON Archivado el 15 de marzo de 2008 en Wayback Machine .