click me！

Что такое сцинтилляционные материалы?


Определение и принцип применения

Сцинтилляционные материалы — это вещества, способные преобразовывать высокоэнергетическое излучение, такое как рентгеновское или гамма-излучение, в видимый или близкий к видимому свет. Широко применяются в медицинской диагностике, физике высоких энергий и геофизической разведке. Сцинтилляторы могут иметь газовую, жидкую или твердую форму и быть органическими или неорганическими, например, стекло, монокристаллы или керамика.

Детекторы, использующие сцинтилляторы, обычно состоят из двух основных компонентов: самого сцинтилляционного материала и фотодетектора, которым может быть либо фотонный умножитель (ФЭУ), либо фотодиод. Роль фотодетектора — преобразовать излучённый сцинтиллятором свет в электрический сигнал для дальнейшего анализа.


Рисунок 1: Схематическая диаграмма сцинтилляционного детектора, состоящего из сцинтилляционного материала и фотонного умножителя.

Фотонные умножители, самые распространённые фотодетекторы, состоят из фотокатода, за которым следует ряд динодов. Когда фотон попадает на фотокатод, он испускает фотоэлектрон, инициируя каскад умножения электронов на динодах. Полученный усиленный сигнал затем собирается на аноде и передаётся в измерительные схемы. Величина электрического сигнала пропорциональна количеству сгенерированных фотоэлектронов.

Механизм сцинтилляции включает три основных подпроцесса: конверсия, передача энергии и люминесценция. Когда высокоэнергетическое излучение поглощается сцинтиллятором, оно создаёт первичные пары электрон-дырка, которые затем производят вторичные пары в результате каскадного эффекта. Эти возбуждения тепловизируются, достигая дна зоны проводимости и вершины валентной зоны за пикосекунду. Затем свободные пары электрон-дырка мигрируют по материалу, передавая энергию люминесцентным центрам в процессе, продолжающемся от 10^-12 до 10^-8 секунд. В заключение происходит люминесценция, длительность которой зависит от конкретных люминесцентных центров в материале.

Энергия испускаемого фотона является ключевым параметром для различения различных радиоизотопов, так как она коррелирует с энергией падающего излучения. Предпочтение отдаётся фотоэлектрическому эффекту для повышения точности, поскольку этот механизм обеспечивает полное поглощение поступающего излучения. Предпочтительны материалы с высоким атомным номером и высокой долей фотоэлектрического эффекта для увеличения вероятности его возникновения.

Сцинтилляторы обладают рядом характеристик, необходимых для их применения, включая световую отдачу (фотонов/МэВ), энергетическое разрешение, время затухания, остаточное свечение и способность к поглощению, определяющие их пригодность для различных задач.

Производство сцинтилляторов

Традиционно неорганические сцинтилляторы изготавливаются в виде монокристаллов с использованием методов Чохральского или Бриджмена-Стокбарджера. Метод Чохральского включает медленное вытягивание затравочного кристалла из расплава, тогда как метод Бриджмена-Стокбарджера предполагает опускание запаянной ампулы с расплавленным материалом в более холодную зону для роста кристалла. Каждый метод адаптирован к конкретным материалам в зависимости от температуры плавления и чувствительности к окружающим условиям.

Метод Чохральского, показанный на Рисунке 2, предполагает прикрепление затравочного кристалла к нижней части вертикального рычага, который едва касается поверхности расплава. Затем рычаг постепенно поднимается, позволяя кристаллу формироваться на границе между затравкой и расплавом. Обычно кристалл медленно вращается, чтобы предотвратить перенос неоднородностей из жидкости в кристалл. Контролируемые изменения скорости вытягивания, отслеживаемые компьютеризированными установками, позволяют получать кристаллы с желаемыми диаметрами. Этот метод часто используется для материалов с высокой температурой плавления.

Рисунок 2. Установка Чохральского (слева)
Рисунок 3. Печь Бриджмена-Стокбарджера (справа).

В отличие от этого, метод Бриджмена-Стокбарджера, показанный на Рисунке 3, предполагает нагрев поликристаллического материала в герметичной ампуле, имеющей цилиндрическую форму с коническим нижним концом. Расплавленный материал удерживается нагревателями внутри ампулы. По мере того как ампула постепенно опускается в более холодную зону, кристалл начинает расти с конического наконечника. Скорость опускания совпадает со скоростью роста кристалла, что обеспечивает стабильную температуру на границе между кристаллом и расплавом. При успешном выполнении весь расплав в ампуле кристаллизуется в один большой кристалл. Примеси накапливаются на границе между расплавом и твёрдым телом по мере её перемещения вверх, в конечном итоге концентрируясь в верхней части кристалла. Этот метод особенно подходит для материалов с низкой температурой плавления и чувствительных к атмосферным условиям, например, йодид стронция.

Последние достижения в области НИОКР сцинтилляторов





Рисунок 4. История исследований и разработок распространённых сцинтилляторов. Стрелки указывают на модификации материалов.

Первоначально внимание исследователей привлекли галогениды щелочных металлов (например, NaI и CsI) и природные фосфоры (например, CaF2 и CdWO4). В частности, CaF2 и CdWO4, известные в минералогии как флюорит и шеелит соответственно, стали ранними кандидатами. Период с 1940-х по 1960-е годы ознаменовался разработкой основных сцинтилляционных материалов, включая NaI(Tl), CsI(Tl) и CaF2(Eu).

Затем, в 1980-х годах, были разработаны новые материалы, такие как Bi4Ge3O12 (BGO), обладающий исключительно высоким эффективным атомным номером. BGO нашёл применение в ранних системах позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) благодаря своим характеристикам. Появление BGO стимулировало значительные усилия по НИОКР, включая внедрение легирования Ce в изоляционные матрицы — метод, ставший стандартом в разработке сцинтилляторов. Ce-легированные Lu2SiO5 (LSO) и его смесь с иттрием (LYSO) стали стандартными материалами, вытеснив BGO в современных системах ПЭТ.


Рисунок 5. LYSO (Ce)

Недавние инновации включают разработку Ce-легированного Gd3(Al,Ga)5O12 (GAGG), который широко используется вместе с фотодетекторами на основе кремния. Особенно Ce-легированные гранаты обладают уникальными длинами волн излучения, что делает их подходящими для детекторов излучения на основе фотодиодов. Рисунок 4 предоставляет полный обзор траектории исследований и разработок распространённых сцинтилляционных материалов.


Рисунок 6. GAGG(Ge)

Что предлагает Shalom EO?

Shalom EO является ведущим поставщиком сцинтилляционных материалов, предлагая широкий ассортимент продукции для различных применений. Их материалы делятся на две основные категории: кристаллы и пластики.

Кристаллические сцинтилляторы состоят из неорганических кристаллических материалов, часто легированных определёнными примесями для улучшения сцинтилляционных свойств. Эти кристаллы обычно обеспечивают высокую световую отдачу и отличное энергетическое разрешение, что делает их подходящими для точных измерений в таких областях, как физика частиц, медицинская визуализация и детекция радиации. Примеры кристаллических сцинтилляторов включают NaI(Tl), CsI(Tl) и LYSO. Эти материалы широко используются в приложениях, требующих высокой производительности и точности.

Пластиковые сцинтилляторы состоят из органических полимеров, легированных флуоресцентными красителями или другими сцинтилляционными агентами. Эти материалы обеспечивают универсальность, простоту изготовления и экономичность по сравнению с кристаллическими сцинтилляторами. Пластиковые сцинтилляторы часто используются в областях, где важны гибкость, прочность и низкая стоимость, таких как радиационный мониторинг, ядерные гарантии и промышленный контроль процессов. Эти материалы обеспечивают эффективное обнаружение ионизирующего излучения и могут быть адаптированы под конкретные требования.


Рисунок 6. Пластиковый сцинтилляционный материал

Hangzhou Shalom EO предлагает различные неорганические сцинтилляторы, такие как CsI(Tl), LYSO(Ce), CsI(Na), BGO, YAG(Ce), CaF2(Eu), BaF2, CdWO4, GAGG(Ce), LuAg(Ce), GOS, LSO, LaBr3(Ce), LaCl3(Ce) и CeBr3. Они включают полированные кристаллы с или без отражателей, инкапсулированные кристаллы, пикселированные сцинтилляторы, сцинтилляционные экраны и сборки детекторов, состоящие из ФЭУ, электроники и сцинтилляторов.

Tags: Что такое сцинтилляционные материалы