Известно, что при прохождении ионизирующего излучения через вещество возникает не только ионизация, но и возбуждение атомов и молекул среды. Как при ионизации, так и при возбуждении атомов и молекул вещества происходят переходы электронов с наружных оболочек атомов на внутренние. При таких переходах, сопровождающихся возвращением атомов из возбужденного состояния в основное, возможны процессы испускания инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения, а иногда и рентгеновского характеристического излучения (при возбуждении внутренних оболочек атома).
Сцинтилляционные методы регистрации излучений основаны на измерении интенсивности световых вспышек, возникающих в люминесцирующих веществах при прохождении через них ионизирующих излучений. Для регистрации световых вспышек используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с регистрирующей электронной схемой.
Вещества, испускающие свет под действием ионизирующего излучения, называются сцинтилляторами (фосфорами, флуорами, люминофорами). Однако известно, что среди твердых, жидких и газообразных веществ материалы с хорошими люминесцирующими свойствами встречаются довольно редко. У подавляющего большинства веществ энергия возбужденного атома переходит в энергию движения молекул или в тепло, так как благодаря взаимодействию соседних атомов и молекул среды энергия возбужденного атома передается соседним атомам и молекулам, прежде чем сможет произойти испускание излучения.
|
|
Впервые метод сцинтилляции был использован для визуального подсчета числа α-частиц с помощью спинтарископа, схематическое изображение которого показано на рис. 1.
Основным элементом спинтарископа является экран из сернистого цинка, на котором через лупу 3 можно наблюдать отдельные вспышки (сцинтилляции) от α - частиц, излучаемых радиоактивным препаратом, нанесенным на острие 2. Временная разрешающая способность глаз человека позволяет вести счет сцинтилляций на спинтарископе со скоростью не более 60 вспышек в 1 мин, вследствие чего этот прибор не нашел широкого применения на практике. С появлением устойчивых в работе фотоэлектронных умножителей сцинтилляционный метод стал широко применяться в дозиметрии.
Современный сцинтилляционный счетчик представляет собой комбинацию сцинтилляционного кристалла (сцинтиллятора) с ФЭУ. ФЭУ позволяют преобразовывать слабые световые вспышки от сцинтиллятора в достаточно большие электрические импульсы, которые можно зарегистрировать обычной несложной электронной аппаратурой. ФЭУ в некоторой степени можно сравнить с пропорциональными счетчиками. В пропорциональных счетчиках для увеличения импульса используется газовое усиление, а в ФЭУ вторичная эмиссия электронов на динодах, приводящая к значительному усилению электронного тока (коэффициент усиления фотоэлектронных умножителей), достигает .
|
|
Сцинтилляционные счетчики можно применять для измерения числа заряженных частиц, γ- квантов, быстрых и медленных нейтронов; для измерения мощности дозы от β-, γ - и нейтронного излучений; для исследований спектров γ - и нейтронного излучений.
Сцинтилляционный метод имеет ряд преимуществ перед другими методами. Прежде всего, это высокая эффективность для проникающих излучений (для γ -излучения — десятки процентов). Далее, малое время высвечивания сцинтилляторов (для неорганических кристаллов — порядка сек, для органических — сек). Это обеспечивает высокую временную разрешающую способность сцинтилляционных счетчиков или малое мертвое время счетчиков. Следовательно, представляется возможность производить измерения с короткоживущими изотопами.
Наконец, для ряда сцинтилляторов и для определенных излучений существует пропорциональность между амплитудой светового импульса и энергией частицы, что удобно при использовании сцинтилляционных счетчиков для спектрометрии ионизирующих излучений.
Механизм радиотермолюминесценции
Под радиотермолюминесценцией понимают такой процесс, при котором аккумулированная в кристалле энергия ионизирующего излучения преобразуется в энергию флюоресценции под действием теплового возбуждения.
Механизм радиотермолюминесценции можно объяснить на основе представлений, изложенных в предыдущих параграфах.
Рассмотрим вначале чистый кристалл, обладающий дефектами. Под действием ионизирующего излучения создаются центры, обусловленные захватом электронов или дырок вакансиями (F и V на рис.). Затем под действием тепла электрон, локализованный в центре/7, может перейти в зону проводимости (переход 1). Блуждая по кристаллу, этот электрон может прорекомбинировать с дыркой, локализованной в центре V (переход 2); при этом возникает люминесценция.
Переход 1 может быть вызван поглощением инфракрасной области света. В этом случае происходит оптически стимулированная люминесценция. Если глубина ловушек невелика, то освобождение электронов с уровней захвата и перевод их в зону проводимости могут происходить вследствие обычного теплового движения при нормальной температуре; для достаточно глубоких ловушек необходим дополнительный нагрев кристалла.
Отличительной чертой этого процесса является разрушение центров окраски в процессе измерения независимо от способа возбуждения (нагрев, обычное тепловое движение, облучение инфракрасным светом). Таким образом, радиотермолюминесценция — это процесс люминесценции, связанный с разрушением центров, созданных под действием ионизирующего излучения.
Для краткости обычно вместо «радиотермолюминесценция» употребляют термин «термолюминесценция».
Рассмотрим процесс термолюминесценции кристалла, активированного примесью. На рис. 45 показана схема энергетических уровней кристалла с примесью серебра в качестве активатора.
Ионизирующее излучение освобождает электрон, который захватывается ловушкой с образованием F -центра. Образовавшаяся дырка оказывается связанной с ионами серебра Ag+.
Последующее возбуждение освобождает электрон из ловушки и переводит его в зону проводимости (переход 1). Затем электрон рекомбинирует с дыркой (переход 2), в результате чего ион активатора Ag+ оказывается в возбужденном состоянии Ag+*. Возбужденный ион быстро возвращается в основное состояние с испусканием характеристической люминесценции (переход 3).
|
|
Спектр люминесценции определяется природой активатора. Так, свечение Ag+ находится в ультрафиолетовой — голубой области, Мn2+ дает зелено-оранжевое свечение. Примерами активированных фосфоров могут служить CaF2 —Mn, CaSO4 — Mn, NaCl—Ag, KC1—Ag.
Следовательно, одни и те же соединения могут обладать радиофотолюминесценцией и термолюминесценцией. По сравнению с радиофотолюминесценцией можно указать следующие отличительные особенности процесса термолюминесценции
1.Спектр термолюминесцентной эмиссии является характерным для ионов активатора (например, Ag+), первоначально инкорпорированных в кристалл.
2. Центры окраски, созданные ионизирующим излучением, разрушаются в процессе измерения. Следовательно, термолюминесцентный дозиметр после процедуры измерения теряет информацию о дозе излучения.