Stsintillaator

Kristall, mille ümber on stsintillatordetektori osad

Plaststsintillaator helendab UV-valguse käes

Stsintillaator on luminofoor, milles tuleb välja stsintillatsiooni omadus luminestsentsil , kui seda on ergastatud ioniseeriva kiirgusega. Stsintillatsioon on valgussähvatus, mis tekib läbipaistvas materjalis, kui seda läbib osake (elektron, ioon, kõrge energiaga footon). Luminestseeruvad materjalid neelavad neid läbivate osakeste energia ja hakkavad stsintilleeruma ehk annavad saadud energia ära ja selle käigus eraldub valgus. Vahepeal on ergastatud olek metastabiilne ehk tavaolekusse tagasi minemine on hilinemisega. Hilinemise ajaline kestus sõltub materjalist (varieerub mõnest nanosekundist kuni mõne tunnini). Seda protsessi saab kirjeldada kahel viisi, kas tegu on hilinenud fluorestsentsiga/fosforestsentsiga, see aga sõltub osakese liikumisest ja välja kiiratud footoni lainepikkusest. Seda nähtust kutsutakse järelkumaks.

Tööpõhimõte

Stsintillaatorit saab ka detektorina kasutada, kui ühendada see valgussensoriga nagu näiteks fotokordisti, valgusdiood. Fotokordisti neelab valgust, mille stsintillaator välja kiirgas, fotokordistis toimub fotoefekt, kus signaal saadetakse edasi elektronidena. Elektronid läbivad omakorda fotokordisti, sealt edasi liigub signaal juba elektripulsina edasi. Vaakumfotodioodid on sarnase tööpõhimõttega, sel juhul signaali ei võimendata kordistites, ränifotodioodid tuvastavad pealelangevaid footoneid osakeste ergastumise alusel ränis endas.

Ajalugu

Esimene seade, mis kasutas stsintillaatorit valmis aastal 1903. Selle mõtles välja Sir William Crookes ja ta kasutas tsinksulfaadist ekraani . Stsintillatsioone, mis tekkisid ekraanil, sai vaadelda mikroskoobiga – sellist seaded kutsutakse spintariskoobiks. Stsintillaatorid muutusid populaarsemaks alles 1944. aastal, kui Curran ja Baker töötasid välja stsintillaatori, mis kasutas fotokordistit.

Rakendused

Alfastsintillaator-sond, millega tuvastatakse pinna saastet kalibreerimisel

Stsintillaatoreid kasutatakse kiirguse tuvastamiseks. Näiteks Ameerikas kasutab riigikaitse osakond neid radioaktiivsete materjalide tuvastamiseks. Neid kasutatakse ka osakeste tuvastamiseks, röntgenikiirgusel põhinevates skannerites ja tomograafias. Vanemates monitorides leidus ka stsintillaatoreid.

Stsintillaatoreid koos fotokordistiga kasutatakse kaasaskantavates detektorites, näiteks tuumajaama lähedal või asukohas, kus võib olla tuumajäätmeid õhus. Stsintillaatorid kiirgavad valgust fluorestseerivates torudes, et muuta UV-valgus nähtavaks valguseks. Stsintilleerivaid detektoreid kasutatakse ka energiatööstuses gammakiirguse tuvastamiseks.

Stsintillaatorite omadused

Stsintillaatoritel on palju kasulikke omadusi – suur tihedus, kiiresti toimiv, odav, tugev kiirgus, seadmete tootmine on kerge ja seadmed on vastupidavad. Kõrge tihedus tagab selle, et stsintillaatorit läbivad osakesed neelduvad. Mida tihedam on detektor seda kergem on osakesi tuvastada. Lisaks tagab suurem tihedus ka parema ruumilise resolutsiooni. Tavaliselt on suure tihedusega materjalide rasked ioonid kristallvõres (näiteks plii ja kaadmium). Kiiresti toimiv seade tagab hea spektraalse resolutsiooni. Aja täpne mõõtmine stsintilleerivate detektoritega on proportsionaalne suurusega Mall:Sqrt. Lühike lagunemisaeg on täpse aja intervallide mõõtmiseks oluline. Suur tihedus ja lühike reageerimisaeg lubavad tuvastada ka kõige haruldasemaid nähtusi osakestefüüsikas. Energia mida osake annab üle stsintillaatorile on võrdne stsintillaatorist välja kiirgava energiaga. Kuna erinevatel osakestel on erinev joone puutuja kui nende kosteaega mõõta ehk stsintillaatoreid saab kasutada eri liiki kiirguste tuvastamiseks, kui on väga palju erinevaid kiirgusi. Stsintillaatoril on veel üks hea omadus – nende tootmine on odav. Kristalsete stsintillaatorite valmistamiseks on tavaliselt vaja väga puhtaid kemikaale või haruldasi metalle, mis on suhteliselt kallis. Haruldased metallid pole kergesti kättesaadavad ja kristalsete materjalide jaoks on vaja spetsiaalseid anumaid (kasvatamiseks). Praegu kasutatakse teisi stsintillaatoreid, kuna need on odavamad.

Stsintillaatoritel on üsna väike gammaväljund ehk väga efektiivne pealelangeva kiirguse muutmiseks stsintilleerivateks footoniteks. Veel stsintillaatorite omadusi : väike gammakiirguse väljund (efektiivne protsessis, kus pealelangev kiirgus muundub stsintilleerivateks footoniteks), läbipaistvus enda poolt kiiratud valguse suhtes, efektiivne kiirguse tuvastusvõime, kõrge peatamisvõime (neelab kiirgust hästi), lineaarsus suurte energiate korral, kiirgus on samas spektraalses vahemikus mis fotokordisti, murdumisnäitaja on klaasi omaga väga sarnane (umbes 1,5), talub kõrgeid temperatuure. Kõige parem lahendus sõltub, sellest kus kohas stsintillaatorit kasutada.

Eespool toodud omadustest on kõige tähtsam valguse väljund, sest see mõjutab otseselt seadme efektiivsust ja detektori resolutsiooni (efektiivsus on detekteeritud osakeste arvu ja detektoriga põrkuvate osakeste arvu suhe). Valguse väljundi kirjeldamiseks kasutatakse stsintilleeritud footonite arvu, mis tekkisid keV energia kohta. Näiteks 40 footonit/keV NaI puhul, 10 footonit/ keV plastist stsintillaatorite korral ja umbes 8 footonit/keV vismutist valmistatud stsintillaatorite puhul.

Väljakiirgavate stsintillerivate footonite arvu N ühes stsintilleerivas sündmuses saab kirjeldada lineaarse superpositsioonina ühest või kahes eksponentsiaalsest lagunemisest. Kahe lagunemise korral on meil :

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

kus τ_f ja τ_s on vastavalt kiire ja aeglase lagunemise konstandid.

Stsintillaatoreid kirjeldab kaks komponenti: üks kiire, teine aeglane. Tavaliselt domineerib kiirem liige. Suhtelised amplituudid A ja B sõltuvad stsintillaatori materjalist.

Selliste stsintillaatorite puhul saab signaali kuju manipuleerida ehk osakeste tuvastamine on tunduvalt kergem põhinedes fotokordisti signaalile. Näiteks BaF₂ puhul ergastab γ-kiirgus kiiremat liiget ja alfaosakesed ergastavad aeglast liiget, seega on võimalik tuvastada neid osakesi fotokordisti signaali lagunemise aja põhjal.

Stsintillaatoritüübid

Orgaanilised kristallid

Orgaanilised stsintillaatorid on süsivesiniku ühendid kus leidub areene, mis on omavahel seotud eri viisidel. Nende luminestsents laguneb kuskil paari nanosekundi jooksul.

Mõned orgaanilised stsintillaatorid on puhtal kristallilisel kujul. Levinumad on antratseen (C₁₄H₁₀, lagunemisaeg ≈30 ns), stilbeen (C₁₄H₁₂, 4,5 ns lagunemisaeg), ja naftaleen (C₁₀H₈, lagunemisaeg paar ns).

Need on väga vastupidavad, aga nende kosteaeg on anisotroopne, mis rikub ära energia resolutsiooni, kui valgus pole kollimeeritud. Lisaks ei saa neid kuigi lihtsalt toota ja neid kristalle ei saa suures koguses kasvatada, seega neid ei kasutata eriti palju.

Orgaanilised vedelikud

Need on vedelad lahused ühest või mitmest orgaanilisest stsintillaatori orgaanilisest lahusest. Tavalised lahustid on floorid, näiteks p-terpentüül ((C₁₈H₁₄), PBD(C₂₀H₁₄N₂O), butüül PBD(C₂₄H₂₂N₂O, see fluorestseeruv orgaaniline ühend on kasutusel Los Alomose laboratooriumis USA-s vedel stsintillaator neutriino detektoris), PPO(C₁₅H₁₁NO) ja lainepikkuse muutjana kasutatakse POPOP(C₂₄H₁₆N₂O).

Vedelaid stsintillaatoreid saab kergesti täiendada, lisades juurde näiteks lainepikkuse muutja, et oleks sama spektraalne tundlikkus, mis fotokordisti torul. See muudab tuvastamise efektiivsemaks. Õhk ei tohi ligi pääseda vedalal kujul stsintillaatorile, sest muidu väheneb stsintillaatori valgusväljund.

Füüsika

Orgaanilised stsintillaatorid

Molekulides paiknevate vabade valentselektronide üleminekul kiirgub selle käigus stsintilleritud valgus(footon). Need elektronid on seotud kogu molekuliga, mitte kindla aatomiga – neil on nn molekulaarne orbiit. Algolek S₀ on üksik- (singlett-) olek, sealt edasi on juba ergastatud üksikud olekud (S*, S**, …). Veel on olemas ka kolmikute (triplett-) olek. Algolek T₀ ja selle ergastatud olekud (T*, T**, …). Need elektronide olekud on seotud molekulaarse võnkumiste moodidega. Elektronide olekute vaheline energia on ≈1 eV, võnkuvate tasemete vahe on umbes 1/10 elektronide tasemete vahest.

Sissetulev osake võib ergastada elektronide olekut või võnkumiste olekut. Singleti tekitatud ergastusolek on lühike (< 10 ps) ja langeb tagasi olekusse S* selles protsessis kiirgust ei teki (sest tegu on sisemise degradeerumisega). Seejärel S* olek langeb algolekusse S₀ (tavaliselt ühele võnkumistasandile, mis asub S₀-st kõrgemal), selles protsessis eraldub stsintilleeriv footon. Tegu on kiire (kohese) liikmega.

Kui üks triplett olekutest ergastub, siis see langeb kohe tagasi algolekusse T₀, kus ei teki kiirgust (footonit ei teki). T₀ → S₀ üleminek on väga ebatõenäoline ning algolek T₀ laguneb suheldes teise T₀ molekuliga.

$T_{0}+T_{0}\rightarrow S^{*}+S_{0}+{\text{footonid}}$

mille tulemusel jääb molekul S* olekusse, mis omakorda laguneb S₀ algolekusse – selles protsessis kiirgub välja stsintilleeriv footon. Kuna T₀ – T₀ suhtlus võtab kaua aega, siis stsintilleeriv footon kiirgub välja hilinemisega – see on aeglane (hilinev) liige. Mõnikord toimub ka otsene T₀ → S₀ üleminek (ka hilinemisega), mis vastab fosforestsentsile. Vaatluslik erinevus hilinenud fluorestsentsi ja fosforestsentsi vahel on välja kiiratud footonite lainepikkuste erinevus.

Orgaanilisi stsintillaatoreid saab lahustada orgaanilistes lahustes, saades kas vedela stsintillaatori või plaststsintillaatori. Stsintillatsiooni protsess on sama, ainuke erinevus on energia neeldumisel – energia neeldub kõigepealt lahustis siis kandub edasi stsintillatsiooni lahusesse (kuidas üleminek täpsemalt toimub, pole veel selge).