섬광기

Scintillator
다양한 섬광 검출기 조립체로 둘러싸인 섬광 결정
MINERaA 프로젝트를 위한 페르미랍의 UV 검사 램프 아래에서 형광을 발하는 압출 플라스틱 섬광기 재료

섬광기는 이온화 방사선에 의해 들뜨면 [1]발광의 특성인 섬광을 나타내는 물질이다.발광 물질은 들어오는 입자에 부딪힐 때 에너지를 흡수하고 섬광을 낸다([a]즉, 흡수된 에너지를 빛의 형태로 다시 방출한다).때때로 들뜸 상태는 전이 가능하기 때문에 들뜸 상태에서 낮은 상태로의 이완이 지연될 수 있습니다(물질에 따라 몇 나노초에서 몇 시간 동안 필요).이 과정은 지연 형광 또는 인광 두 가지 현상 중 하나에 해당합니다.대응은 전이 유형과 방출된 광 광자의 파장에 따라 달라진다.

작동 원리

섬광 검출기 또는 섬광 카운터는 섬광기가 광전자 증배관(PMT), 포토다이오드 또는 실리콘 광전자 증배관 등의 전자광 센서에 결합되었을 때 얻을 수 있다.PMT는 섬광기에서 방출되는 빛을 흡수하고 광전 효과를 통해 전자 형태로 다시 방출한다.이러한 전자(광전자라고도 함)의 후속 증식은 전기 펄스를 발생시켜 분석하여 원래 섬광기에 충돌한 입자에 대한 의미 있는 정보를 산출할 수 있다.진공 포토 다이오드는 비슷하지만 신호를 증폭시키지 않는 반면 실리콘 포토 다이오드는 실리콘 내 직접 전하 캐리어의 들뜸에 의해 들어오는 광자를 검출한다.실리콘 광전자 증배기는 눈사태 모드에서 작동하기에 충분한 전압으로 역바이어스된 일련의 포토다이오드로 구성되어 어레이의 각 픽셀이 단일 [citation needed]광자에 민감할 수 있도록 한다.

역사

섬광기를 사용한 최초의 장치는 1903년 윌리엄 크룩스에 의해 만들어졌으며 ZnS [2][3]화면을 사용했다.스크린에 의해 생성된 섬광은 어두운 방에서 현미경으로 볼 때 육안으로 볼 수 있었다. 이 장치는 스핀타리스코프로 알려져 있었다.그 기술은 많은 중요한 발견으로 이어졌지만 분명히 지루했다.1944년 Curran과 Baker가 육안 측정을 새로 개발한 PMT로 대체하면서 섬광기는 더욱 주목을 받았다.이것이 최신 섬광 [2]검출기의 탄생이다.

섬광기 용도

보정 중인 표면 오염 검출을 위한 알파 섬광 프로브

미국 정부는 섬광기를 국토안보부 방사선 검출기로 사용한다.섬광기는 입자 검출기, 새로운 에너지 자원 탐사, X선 보안, 핵 카메라, 컴퓨터 단층 촬영 및 가스 탐사에도 사용할 수 있다.섬광기의 다른 적용 분야에는 의료 진단의 CT 스캐너와 감마 카메라, 구형 CRT 컴퓨터 모니터와 텔레비전 세트의 화면이 포함된다.섬광기는 예를 들어 핵 배터리에서 광전 효과를 통한 감마선 에너지 이용을 위한 이론적 모델의 일부로 제안되었다[4].

광전자 증배관과 함께 섬광기를 사용하면 방사능 오염 검출 및 측정과 핵물질 감시에 사용되는 휴대용 조사계기가 광범위하게 사용된다.섬광기는 형광관에서 빛을 발생시켜 방전의 자외선을 가시광선으로 변환한다.섬광 검출기는 석유 산업에서도 감마선 로그 검출기로 사용된다.

섬광기의 특성

섬광기에는 고밀도, 빠른 작동 속도, 저비용, 방사선 경도, 생산 능력 및 작동 매개변수의 내구성과 같은 많은 바람직한 특성이 있다.고밀도는 고에너지 δ-양자 및 전자에 대한 샤워 물질의 크기를 감소시킨다.낮은 에너지 δ선에 대한 콤프턴 산란 광자의 범위도 고밀도 재료를 통해 감소한다.따라서 검출기의 분할이 높고 공간 분해능이 향상됩니다.일반적으로 고밀도 재료는 격자에 무거운 이온(예: 납, 카드뮴)이 있어 광전 효과(~Z4)의 기여도를 크게 높입니다.광분열의 증가는 양전자 방출 단층 촬영과 같은 일부 애플리케이션에서 중요합니다.이온화 방사선의 전자파 성분에 대한 높은 정지력은 더 큰 광분석을 필요로 한다. 이는 소형 검출기를 가능하게 한다.스펙트럼의 양호한 분해능을 위해서는 높은 작동 속도가 필요하다.섬광 검출기를 사용한 시간 측정 정밀도는 δδ에sc 비례한다.짧은 감쇠 시간은 시간 간격의 측정과 고속 동시 회로의 작동에 중요합니다.고밀도 및 빠른 응답 시간으로 입자 물리학에서 희귀한 이벤트를 탐지할 수 있습니다.섬광기의 물질에 축적된 입자 에너지는 섬광기의 반응에 비례한다.하전입자, γ-양자, 이온은 반응 측정 시 기울기가 다르다.따라서 섬광기를 사용하여 혼합 방사선의 플럭스 내 다양한 유형의 γ-양자와 입자를 식별할 수 있다.섬광기의 또 다른 고려사항은 섬광기 생산 비용이다.대부분의 결정 섬광기는 고순도 화학 물질과 때로는 상당히 비싼 희토류 금속을 필요로 한다.재료비가 많이 들 뿐만 아니라 많은 결정체에는 고가의 용해로와 거의 6개월의 성장과 분석 시간이 필요합니다.현재 다른 섬광기는 생산 비용 [5]절감을 위해 연구되고 있다.

또한 양호한 검출기 섬광기에는 낮은 감마 출력(즉, 입사 방사선의 에너지를 섬광 광자로 변환하기 위한 높은 효율성), 자체 섬광에 대한 투명성(광 채집을 위한 양호한), 연구 중인 방사선의 효율적인 검출, 높은 정지력, 양호한 등 몇 가지 특성이 바람직하다.광범위한 에너지에 걸친 선형성, 빠른 타이밍 애플리케이션을 위한 짧은 상승 시간(예: 우연 측정), 검출기 데드타임을 줄이고 높은 이벤트 속도를 수용하기 위한 짧은 붕괴 시간, 기존 PMT의 스펙트럼 감도와 일치하는 스펙트럼 범위의 방출(파장 시프트를 사용할 수도 있음), r의 지수PMT 창문에 최적의 결합을 가능하게 하기 위해 유리( that1.5)에 가까운 회절.진동 및 고온에 대한 내성이 필요한 경우(예: 오일 탐사) 고온 하에서의 견고성과 양호한 동작이 바람직할 수 있습니다.섬광기 재료의 실질적인 선택은 일반적으로 주어진 용도에 가장 잘 맞는 특성 사이에서 타협하는 것이다.

위에 나열된 특성 중 광출력은 검출기의 효율성과 분해능 모두에 영향을 미치기 때문에 가장 중요하다(효율성은 검출기에 충돌하는 총 입자 수에 대한 검출 입자의 비율, 에너지 분해능은 주어진 에너지 피크 t의 절반에서 전폭의 비율).o 보통 %로 표시되는 피크 위치.광출력은 입사 입자 또는 광자의 유형과 에너지의 강력한 기능이며, 따라서 특정 용도에 사용할 섬광 물질의 유형에 강한 영향을 미친다.담금질 효과가 있으면 광출력이 감소한다(즉, 섬광 효율 감소).담금질은 주로 열로 인해 [6]들뜸이 저하되는 모든 방사선 없는 들뜸 제거 과정을 말한다.그러나 검출기의 전반적인 신호 생산 효율은 PMT의 양자 효율성(일반적으로 피크 시 30%까지)과 광 투과 및 채집 효율(섬광기와 도광로를 덮는 반사체 재료의 유형, 도광관의 길이/모양, 광흡수체)에 따라 달라진다.(등)광출력은 종종 퇴적 에너지의 keV당 생성되는 섬광 광자의 수로 정량화된다.일반적인 숫자는 (입자가 전자일 경우) 다음과 같습니다.NaI(Tl)의 경우 광자/keV 40개, 플라스틱 섬광기의 경우 광자/keV 10개, 비스무트 게르만산염(BGO)의 경우 광자/keV 8개.

섬광 검출기는 일반적으로 선형으로 가정한다.이 가정은 두 가지 요건에 기초한다. (1) 섬광기의 광출력이 입사 방사선의 에너지에 비례한다는 것, (2) 광전자 증배관에서 생성되는 전기 펄스가 방출된 섬광 빛에 비례한다는 것.선형성 가정은 편차가 발생할 수 있지만(특히 낮은 [1]에너지에서 양성자보다 무거운 입자의 경우) 대개 좋은 대략적인 근사치이다.

고온, 고진동 환경에서의 저항과 양호한 동작은 오일 탐사(와이어라인 로깅, 시추 중 측정)와 같은 애플리케이션에서 특히 중요합니다.대부분의 섬광기의 경우 광출력 및 섬광 붕괴 시간은 [7]온도에 따라 달라진다.이 의존성은 보통 약하기 때문에 상온 어플리케이션에서는 대부분 무시할 수 있습니다.또한 NaI-Tl 또는 BGO와 같은 무기 결정보다 유기 섬광기의 온도 의존도가 더 낮다.BGO 섬광기의 온도에 대한 붕괴 시간의 강한 의존성은 [8]진공 환경에서 온도의 원격 모니터링에 사용된다.또한 결합된 PMT는 온도 감도를 나타내며 기계적 충격에 노출될 경우 손상될 수 있습니다.따라서 고온, 고진동 애플리케이션에는 고온의 견고한 PMT를 사용해야 합니다.

단일 섬광 이벤트에서 방출된 섬광자 수 N의 시간 진화는 종종 한두 개의 지수 붕괴의 선형 중첩으로 설명할 수 있다.두 번의 디케이에 대해 다음과 같은 [1]양식이 있습니다.

여기서 θ와f θ는s 고속(또는 프롬프트) 및 저속(또는 지연) 붕괴 상수입니다.많은 섬광기는 2개의 시간 성분으로 특징지어진다. 하나는 빠른(또는 프롬프트), 다른 하나는 느린(또는 지연)이다.일반적으로 빠른 성분이 우세하지만 두 구성 요소의 상대적 진폭 A와 B는 섬광 물질에 따라 달라진다.이 두 구성 요소 모두 에너지 손실 dE/dx의 함수일 수도 있습니다.이 에너지 손실 의존성이 강한 경우 전체 붕괴 시간 상수는 입사 입자의 유형에 따라 달라집니다.이러한 섬광기는 펄스 형태 식별, 즉 PMT 전기 펄스의 붕괴 특성에 기초한 입자 식별을 가능하게 한다.예를 들어 BaF를2 사용하면 일반적으로 γ선은 고속성분을 자극하고 α입자는 저속성분을 자극하므로 PMT 신호의 붕괴시간에 따라 식별할 수 있다.

섬광기의 종류

유기 결정

유기 섬광기는 다양한 방식으로 상호 연결된 벤젠 고리 구조를 포함하는 방향족 탄화수소 화합물이다.그들의 발광은 보통 몇 나노초 안에 [9]소멸된다.

어떤 유기 섬광기는 순수한 결정체이다.가장 일반적인 유형은 안트라센[10](CH
14
10, 붕괴 시간 30 30 ns), 스틸벤[10](CH
14
12, 4.5 ns 붕괴 시간), 나프탈렌(CH, 소수의 ns 붕괴 시간)이다
10
8.매우 내구성이 높지만 반응성이 이방성(선원이 시준되지 않으면 에너지 분해능을 손상)이며, 쉽게 가공할 수 없고, 큰 크기로 재배할 수 없기 때문에 자주 사용되지 않습니다.안트라센은 모든 유기 섬광기 중 가장 높은 광출력을 가지며, 따라서 다른 섬광기의 광출력은 때때로 안트라센 [11]빛의 백분율로 표현된다.

유기 액체

이것은 유기 용매에 포함된 하나 이상의 유기 섬광기의 액체 용액이다.대표적인 용매는 p-terphenyl
18
14(CH), PBD(CHNO
20
14
2), 부틸 PBD(CHNO
24
22
2), PPO(CHNO
15
11), POP(CHNO
24
16
2) 등의 파장 시프터(CHNO)이다.가장 널리 사용되는 용제는 톨루엔, 자일렌, 벤젠, 페닐시클로헥산, 트리에틸벤젠, 데칼린입니다.액체 섬광기는 특정 PMT의 스펙트럼 감도 범위와 일치하는 파장 시프터 또는 (B는 열 중성자와의 상호작용 단면이 높기 때문에) 섬광 카운터 자체의 중성자 검출 효율을 높이기 위한 B와 같은 다른 첨가물을 쉽게 탑재할 수 있다.많은 액체에서 용존 산소는 담금질제로 작용하여 광출력을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 용액을 산소가 없는 밀폐 [6]케이스에 밀봉할 필요가 있습니다.

플라스틱 섬광기

"플라스틱 섬광기"라는 용어는 일반적으로 불소라고 불리는 1차 형광 이미터가 베이스인 고체 고분자 매트릭스에 현탁되어 있는 섬광 물질을 가리킨다.이러한 조합은 일반적으로 벌크 중합 전에 불소를 용해하여 이루어지지만, 불소는 많은 Li6 플라스틱 섬광기의 경우처럼 공유 또는 조정을 통해 폴리머와 직접 관련되기도 한다.폴리에틸렌 나프탈레이트는 첨가물 없이 섬광을 보이는 것으로 밝혀졌으며, 높은 성능과 저렴한 [12]가격으로 기존 플라스틱 섬광기를 대체할 것으로 기대된다.플라스틱 scintillators의 이점 2–4 나노초의 붕괴 시간 부착된 플라스틱 scintillators의 꽤 높은 광 출력, 비교적 빠른 신호지만, 아마도 가장 큰 이점을 이용하여 능력, 곰팡이 또는 다른 수단의 사용을 통해, 내구성 종종 높은 수준의 어떤 원하는 형태로 다듬어질 수 있는 포함한다.[13]플라스틱 섬광기는 에너지 밀도가 클 때 광출력 포화를 나타내는 것으로 알려져 있다(Birks의 법칙).

베이스

플라스틱 섬광기에 사용되는 가장 일반적인 염기는 방향족 플라스틱이며, 방향족 고리가 폴리머 골격을 따라 펜던트 그룹으로 있는 고분자이며, 그 중 폴리비닐톨루엔(PVT)과 폴리스티렌(PS)이 가장 두드러진다.염기는 이온화 방사선의 존재 하에서 형광을 발생시키지만, 낮은 수율과 자체 방출에 대한 무시해도 될 정도의 투명성으로 인해 실용적인 섬광기 [13]구축에 형광기를 사용해야 한다.방향족 플라스틱을 제외하고, 가장 일반적인 베이스는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로, 다른 많은 베이스에 비해 자외선 및 가시광선 투명도가 높고 기계적 특성과 메짐성에 대한 내구성이 우수합니다.PMMA와 관련된 형광의 부족은 종종 방향족 공동 용제(일반적으로 나프탈렌)를 첨가함으로써 보상됩니다.이와 같이 PMMA에 기반한 플라스틱 섬광기는 자체 방사선에 대한 투명성을 자랑하여 균일한 [14]집광을 보장합니다.

기타 일반적인 염기는 폴리비닐크실렌(PVX) 폴리메틸, 2,4-디메틸, 2,4,5-트리메틸 스티렌, 폴리비닐디페닐, 폴리비닐나프탈렌, 폴리비닐테트라히드로나프탈렌 및 이들 및 기타 [13]염기의 공중합체를 포함한다.

형광체

광자라고도 알려진 이러한 화합물은 베이스의 섬광을 흡수하고 더 큰 파장으로 방출하여 베이스의 자외선 복사를 더 쉽게 전달되는 가시광선으로 효과적으로 변환합니다.감쇠길이는 스펙트럼 시프터 또는 변환기라고 불리는 제2의 불소를 추가함으로써 달성할 수 있으며, 이는 종종 청색 또는 녹색 빛을 방출하게 된다.

일반적인 플루오르에는 폴리페닐 탄화수소, 옥사졸 및 옥사디아졸 아릴이 있으며, 특히 n-terphenyl(PPP), 2,5-dipenyloxazole(PPO), 1,4-di-(5-페닐-2-옥사졸)-벤젠(POPP), 2-페닐-5-4-페닐(iphenylyl)이 포함된다.

무기 결정

무기 섬광기는 보통 고온 용해로(예: 알칼리 금속 할로겐화물)에서 자라는 결정으로, 종종 소량의 활성제 불순물이 있습니다.가장 널리 사용되는 것은 NaI(Tl)(탈륨 도프 요오드화 나트륨)이며, 섬광은 파란색이다.다른 무기 알칼리 할로겐화물 결정으로는 CsI(Tl), CsI(Na), CsI(순수), CsF, KI(Tl), LiI(Eu)가 있다.비알칼리 결정에는 BGO, BaF
2, CaF
2(Eu), ZnS(Ag), CaWO
4, CdWO
4, YAG(Ce
3
5
12), GSO, LSO(자세한 예는 포스펙터 참조)가 포함됩니다.

새로 개발된 제품으로는
3 LaCl(Ce), 세륨을 도핑한 염화 란탄, 브롬화 세륨 도핑 란탄, LaBr
3(Ce) 등이 있다.대 NaI(tael양.)의 38photons/keV γ 그들은 둘 다 매우 흡습성의(즉, 수분에 공중에 노출되어 손상된)지만(LaBr3(Ce 63photons/keV γ)는 우수한 빛 출력과 에너지 분해능을 제공한 대 NaIᆭ[10]에 230나노초 빠른 응답(LaBr3(Ce 16나노초)), 훌륭한 선형성, 그리고가 넓은 범위를 넘어서 아주 안정된 광 출력. tempe열.또한3 LaBr(Ce)은 γ선에 대해 더 높은 정지력을 제공한다(NaI(Tl)[10]의 경우 3.67g/cm에3 비해 5.08g/cm의3 밀도).LYSO(LuYSiO
1.8
0.2
5(Ce))는 더 높은 밀도(7.1g/cm3, BGO에 상당)를 가지고 있으며, 흡습성이 없으며, BGO(32광자/keV µ)보다 광출력이 더 높다(BGO의 경우 붕괴시간 41ns 대 300ns).

NaI와 같은 일부 무기 결정의 단점은 흡습성이며 습기로부터 보호하기 위해 밀폐 용기에 보관해야 하는 특성입니다.CsI(Tl)와2 BaF는 약간의 흡습성에 불과하며 일반적으로 보호가 필요하지 않습니다.CsF, NaI(Tl), LaCl
3(Ce), LaBr
3(Ce)는 흡습성이지만 BGO, CaF
2(Eu), LYSO 및 YAG(Ce)는 흡습성이 없습니다.

무기결정을 작은 크기로 절단하여 위치감도를 제공하도록 어레이 구성으로 배열할 수 있다.이러한 어레이는 의료용 물리 또는 보안 애플리케이션에서 X선 또는 µ선을 검출하기 위해 자주 사용됩니다. 일반적으로 이러한 유형의 애플리케이션에는 고Z, 고밀도 재료(예: LYSO, BGO)가 선호됩니다.

무기 결정의 섬광은 일반적으로 유기 결정보다 느리며, ZnO(Ga)의 경우 1.48ns에서 CaWO의
4 [10]경우 9000ns까지 다양하다.단, CsF(~5ns), 고속
2 BaF(0.7ns, 저속 컴포넌트는 630ns), 최신 제품
3(LaCl(Ce), 28ns, LaBr
3(Ce), 16ns, LYSO, 41ns)은 예외입니다.

이미징 어플리케이션에서 무기결정의 장점 중 하나는 매우 높은 광수율입니다.662 keV에서 100,000 광자/MeV를 초과하는 일부 높은 광수율 섬광기는 LuI(Ce), SrI
2(Eu) 및 CsHfCl에
2
6 대해
3 매우 최근에 보고되었다.

ZnS(Ag)(이력 섹션에서 언급), CdS(Ag), ZnO(Zn), ZnO(Ga), CdS(In), ZnSe(O) 및 ZnTe(O)와 같은 많은 반도체 섬광기 인광체가 알려져 있지만 단일 결정으로 이용 가능한 것은 없다.CdS(Te)와 ZnSe(Te)는 단결정 형태로 시판되고 있지만, 그 [16]광도는 상온에서 부분적으로 소등됩니다.

GaAs(Si,B)는 최근 발견된 극저온 반도체 섬광기로 적외선에서 높은 광출력을 보이며 잔광이 없는 것으로 보인다.초저소음 극저소음 광검출기와 조합하여 암흑물질 [17][18][19][20][21]상호작용에서 드물게 발생하는 저에너지 전자 들뜸을 검출하는 실험 대상이다.

가스 섬광기

가스 섬광기는 질소와 헬륨, 아르곤, 크립톤 및 제논으로 구성되며 헬륨과 제논이 가장 많은 관심을 받습니다.섬광 과정은 들어오는 입자의 통과에 의해 들뜬 단일 원자의 탈여기에 기인한다.이 디 들뜸은 매우 빠르기 때문에(~1 ns), 검출기 응답은 매우 빠릅니다.일반적으로 이러한 가스가 자외선에서 방출되고 PMT가 눈에 보이는 청록색 영역에 더 잘 반응하기 때문에 용기 벽을 파장 시프터로 코팅하는 것이 필요합니다.핵물리학에서 가스 검출기는 핵분열 파편이나 무거운 [22]입자를 검출하기 위해 사용되어 왔다.

안경

가장 일반적인 유리 섬광기는 세륨 활성 리튬 또는 붕소 규산염이다.리튬과 붕소 모두 중성자 단면이 크기 때문에 유리 검출기는 특히 열(느린) 중성자 검출에 적합하다.리튬은 중성자를 포획할 때 더 많은 에너지를 방출하기 때문에 붕소보다 널리 사용된다.그러나 유리 섬광기는 전자와 γ선에도 민감하다(펄스 높이 구별을 입자 식별에 사용할 수 있다).매우 튼튼하기 때문에 가혹한 환경 조건에도 적합합니다.응답 시간은 10ns 이하이지만, 광출력은 일반적으로 안트라센의 30%[11] 이하이다.

용액 기반의 페로브스카이트 섬광기

비록 가난한 에너지 분해능과,((C6H5(CH2)2NH3)2PbBr4에)반 Eijk가 보도된 양성자 조사 아래organic-inorganic methylamonium(MA)납 할로겐 화물 perovskites의 Scintillation 속성 먼저 시부얌. 2002년[23]과 첫번째 γ-ray 파고 스펙트럼에,. 2008년 .[24]Birowosuto에 알 것으로 알려졌다.[25]은 아주 적은 양 공부했다X선 들뜸 하에서 3-D 및 2-D 층의 페로브스카이트의 이온 특성.MAPbBr3(CHNHPbBr
3
3
3)은 550nm에서, MAPbI3(CHNHPbI
3
3
3)는 750nm에서 방출되며, 이는 화합물들의 밴드갭 부근에서의 들뜸 방출에 기인한다.이 제1세대 Pb-할라이드 페로브스카이트에서는 실온에서 방출이 강하게 담금질되어 1000ph/MeV 미만이 살아남는다.그러나 10K에서는 강한 방출이 관찰되며 최대 200,000ph/MeV의 방출을 기록한다.담금질은 Cl에서 Br에서 [26]I로 감소하는 들뜸 내 e-h 결합 에너지가 작기 때문으로, 흥미로운 점은 유기 MA기를 Cs+로 대체하여 완전한 무기3 CsPbX 할로겐화 페로브스카이트를 얻을 수 있다는 것이다.Cl, Br, I 함량에 따라 3중 X선 들뜸 방출을 430 nm에서 700 [27]nm로 조정할 수 있으며, Cs를 Rb로 희석하여 같은 튜닝을 얻을 수도 있다.위의 매우 최근의 개발은 유기 유기물 및 모든 무기 Pb-할라이드 페로브스카이트가 다양한 흥미로운 섬광 특성을 가지고 있음을 보여준다.그러나 최근의 2차원 페로브스카이트 단결정들은 CsPbBr3 양자 도트 섬광기와 비교하여 최대 200nm까지 훨씬 큰 Stokes 이동을 가질 수 있으며 이는 섬광기의 자가 재흡수를 방지하는 데 필수적이다.

보다 최근에는 페로브스카이트 [28]물질의 연장선인 0D 유기 금속 할로겐화 하이브리드(OMHH)라고 불리는 Biwu Ma 교수의 연구 그룹에 의해 처음 보고되었습니다.이 등급의 물질은 수백 meV의 강한 들뜸 결합을 나타내며, 그 결과 거의 통일된 높은 광발광 양자 효율을 얻을 수 있습니다.스토크 시프트가 크고 재흡수가 되지 않는 특성이 매력적입니다.[28]섬광기에 대한 잠재적 적용은 같은 그룹 등에 의해 보고되었다.[29][30]2020년에 (C38H34P2)MnBr4는 기존의 모든 [29]무기물에 비해 낮은 Z에도 불구하고 최대 80,000개의 광자/MeV의 광수율을 갖는 것으로 보고되었다.다른 0D OMHH의 놀라운 광수율이 보고되었습니다.이 재료 등급에서 신세대 섬광기를 실현할 가능성이 크다.그러나, 그것들은 비교적 긴 마이크로초 단위의 응답 시간으로 인해 제한되며, 이는 집중적인 연구 분야이다.

섬광 물리학

유기 섬광기

분자의 자유 원자가 전자에 의한 전이는 유기 [9]결정에서 섬광의 생성에 책임이 있다.이 전자들은 특정 원자보다는 분자 전체와 연관되어 있고 소위 분자 궤도라고 불리는 것을 차지하고 있습니다.그라운드 상태0 S는 들뜬 싱글릿 상태*(S**, S, ...), 가장 낮은 트리플렛 상태(T) 및 들뜬 수준(T0*, T**, ...)인 싱글릿 상태입니다.이들 전자레벨 각각에 분자진동모드에 대응하는 미세구조를 관련짓는다.전자 레벨 간의 에너지 간격은 between1 eV이고 진동 레벨 간의 간격은 전자 [31]레벨의 약 1/10입니다.

들어오는 입자는 전자 수준 또는 진동 수준 중 하나를 자극할 수 있습니다.싱글렛 들뜸은 방사선 방출(내부 열화) 없이 즉시 S 상태로* 붕괴된다(< 10 ps).그런* 다음 S 상태는 섬광 광자를 방출하여 지면 상태0 S(일반적으로 S 이상의0 진동 수준 중 하나)로 감소한다.이것은 프롬프트 컴포넌트 또는 형광입니다.방출된 광자에 대한 섬광기의 투명성은 광자의 에너지가 S* → S 전환에0 필요한 에너지보다 작기 때문이다(전이가 일반적으로 [31][clarification needed]S 이상의0 진동 수준).

삼중항 상태 중 하나가 들뜨면 방사선이 방출되지 않고 즉시 T 상태로0 감소한다(내부 열화).T0 → S0 전이 가능성은 매우 낮기 때문에 대신 T 상태는0 다른0 [31]T 분자와 상호작용함으로써 소멸한다.

그리고 분자 중 하나를 S 상태로* 두고 섬광 광자의 방출과 함께 S로0 변한다.T-T00 상호작용에는 시간이 걸리기 때문에 섬광은 지연된다. 이것은 (지연 형광에 해당하는) 느린 또는 지연 성분이다.때로는0 직접 T → S0 전이가 일어나기도 하며(또한 지연), 인광 현상에 해당한다.지연 형광과 인광의 관측 차이는 S → S0 전이* 대 T0 → S0 전이 시 방출된 광광자의 파장 차이이다.

유기 섬광기는 유기 용매에 용해되어 액체 또는 플라스틱 섬광기를 형성할 수 있다.섬광 프로세스는 유기 결정(위)에 대해 설명한 것과 동일하다. 다른 점은 에너지 흡수 메커니즘이다. 즉, 에너지는 먼저 용매에 의해 흡수된 후 섬광 용질로 전달된다(전이의 세부 사항은 명확하게 [31]이해되지 않는다).

무기 섬광기

무기 물질의 섬광 과정은 결정에서 발견되는 전자 밴드 구조 때문이며, 유기 [32]섬광기의 경우와 같이 본질적으로 분자가 아니다.들어오는 입자는 원자가 대역에서 전도 대역 또는 들뜸 대역으로 전자를 들뜨게 할 수 있다(도전 대역 바로 아래에 위치하며 에너지 갭에 의해 원자가 대역에서 분리됨). 그림 참조).이로 인해 원자가 밴드에 연관된 구멍이 남습니다.불순물은 금지된 틈새에 전자 레벨을 생성합니다.엑시톤은 불순물 중심에서 전체적으로 포착될 때까지 결정 격자를 헤매는 느슨하게 결합된 전자-공 쌍입니다.후자는 섬광(빠른 성분)을 방출하여 신속하게 들뜸을 제거한다.활성제 불순물은 전형적으로 광전자 증배관이 효과적인 가시 범위 또는 근 UV가 되도록 선택된다.전도 대역의 전자와 관련된 구멍은 후자와 독립적입니다.이 구멍과 전자는 불순물 중심에서 엑시톤에 접근할 수 없는 준안정 상태를 자극하여 연속적으로 포착됩니다.이러한 준안정 불순물 상태의 지연된 탈여자(de-excitation)는 다시 섬광(느린 성분)을 발생시킨다.

BGO(Bismuth Germanium Oxide)는 활성제 불순물이 없는 순수 무기 섬광기입니다.여기에서 섬광 과정은 [6]결정의 주요 성분인 Bi 이온의3+
광학적 천이에 기인한다.텅스텐산 섬광기에서
4 CaWO 및 CdWO
4 방출은 스스로 갇힌 들뜸의 복사 붕괴에 기인한다.

실리콘 및 붕소 불순물로 도핑된 GaAs의 섬광 프로세스는 실리콘 n형 도핑이 전도 대역 하단에 비국재화 전자의 빌트인 모집단을 제공한다는 점에서 기존 섬광기와 다르다.붕소 불순물 원자의 일부는 비소 사이트에 존재하며 수용체 [33]역할을 한다.붕소 등의 수용체 원자가 원자가 밴드로부터 이온화 구멍을 포착하고, 그 구멍이 비국재화 [34]전자 중 하나와 방사적으로 재결합할 때마다 섬광 광자가 생성된다.다른 많은 반도체와 달리, 실리콘이 제공하는 비국재 전자는 극저온 온도에서 "동결"되지 않습니다.cm당3 8×1015 자유 캐리어의 Mott 전이 농도 이상에서는 상호 반발이 추가적인 전자를 다음으로 높은 가용 에너지 수준인 전도 [35]대역으로 유도하기 때문에 "금속" 상태가 극저온 온도로 유지됩니다.이 공정의 광자 스펙트럼은 930 nm(1.33 eV)에 집중되며, 다른 마이너 [36]공정의 860, 1070 및 1335 nm에 집중된 세 개의 다른 방출 대역이 있습니다.이러한 방출 대역은 각각 다른 광도와 붕괴 [37]시간을 가지고 있습니다.높은 섬광 밝기는 (1) 굴절률이 약 3.5인 경우 전체 내부 반사에 의해 탈출이 억제되고 (2) 90K에서 실험한 결과 [38][39][40]cm당 수 개의 협빔 적외선 흡수 계수가 보고되었기 때문에 놀라운 것이다.하나의 가능한 설명은 n형 GaAs가 금속이기 때문에 광자는 금속 거울의 전자에 의해 흡수되고 즉시 재방출된다는 것입니다.비국재화된 전자는 (평면에 놓여있는 것이 아니라) GaAs 결정 전체에 분포하기 때문에 광자는 임의의 각도로 재방출되어 완전한 내부 반사를 피할 수 있다.두 상황에서 비국재 전자의 단면은 유사합니다(약−17 10cm2).[41]

가스

기체에서 섬광 과정은 들어오는 입자의 통과에 의해 들뜬 단일 원자의 탈여기에 기인한다(매우 빠른 과정: ≤1 ns).

다양한 방사선에 대한 반응

중이온

섬광 카운터는 일반적으로 세 가지 [42]이유로 중이온 검출에 이상적이지 않다.

  1. 중이온의 매우 높은 이온화력은 광출력을 감소시키는 담금질 효과를 유발한다(예를 들어 동일한 에너지의 경우 양성자는 전자의 1/4에서 1/2의 빛을 내는 반면 알파는 약 1/10의 빛만 생성한다).
  2. 또한 입자의 높은 정지력은 느린 구성요소에 비해 빠른 구성요소의 감소를 초래하여 검출기 데드타임을 증가시킨다.
  3. 특히 낮은 에너지에서 검출기 응답에서 강한 비선형성이 관찰된다.

광출력의 감소는 유기물이 무기 결정체보다 더 강합니다.따라서 필요에 따라 유기물보다 무기질 결정(예: CsI(Tl), ZnS(Ag)(일반적으로 α 입자 모니터로 얇은 시트에 사용), CaF
2(Eu)가 선호되어야 한다.대표적인 애플리케이션은 α 조사 기기, 선량 측정 기기 및 중이온 dE/dx 검출기다.기체 섬광기는 핵물리 실험에도 사용되었다.

전자

전자의 검출 효율은 기본적으로 대부분의 섬광기에서 100%이다.그러나 전자는 큰 각도 산란(때로는 후방 산란)을 일으킬 수 있기 때문에 전자의 에너지를 검출기에 축적하지 않고 검출기를 빠져나갈 수 있다.후방 산란이란 섬광기 물질의 원자 번호 Z가 급격하게 증가하는 함수이다.따라서 무기 결정보다 낮은 Z를 가진 유기 섬광기는 저에너지(< 10 MeV) 베타 입자의 검출에 가장 적합하다.고에너지 전자는 상황이 다르다. 고에너지 전자는 대부분 고에너지에서의 제동으로 에너지를 잃기 때문에 고Z의 물질이 제동 광자의 검출과 유도할 [43]수 있는 전자파 샤워 생성에 더 적합하다.

감마선

참고 항목: 감마선 matter 물질 상호작용

예를 들어 무기 결정과 같은 고Z 소재가 감마선 검출에 가장 적합하다.감마선이 물질과 상호작용하는 세 가지 기본적인 방법은 광전 효과, 콤프턴 산란 및 쌍 생성이다.광자는 광전 효과와 쌍 생성에 완전히 흡수되며, 주어진 콤프턴 산란에는 부분 에너지만 축적된다.광전 공정의 단면은 Z에 비례하는2 쌍 생산의 경우 Z에 비례하는5 반면 콤프턴 산란은 대략 Z에 비례한다.따라서 고Z 소재는 앞의 두 공정을 선호하므로 감마선의 [43]전체 에너지를 검출할 수 있다.감마선이 더 높은 에너지(>5 MeV)일 경우 쌍생성이 지배적이다.

중성자

중성자는 대전되지 않기 때문에 쿨롱 힘을 통해 상호작용하지 않기 때문에 섬광 물질을 이온화하지 않는다.그것은 먼저 에너지의 일부 또는 전부를 강한 힘을 통해 대전된 원자핵으로 전달해야 한다.양전하를 띤 핵은 이온화를 일으킨다.고속 중성자(일반적으로 > 0.5 MeV)는 주로 (n,p) 반응에서 반동 양성자에 의존한다. 따라서 수소가 풍부한 물질(예: 플라스틱 섬광기)이 검출에 가장 적합하다.느린 중성자는 이온화를 생성하기 위해 (n,θ) 또는 (n,α) 반응과 같은 핵 반응에 의존한다.따라서 섬광기 재료가 Li 또는 B와 같이 이러한 핵 반응에 대해 높은 단면을 가진 핵종을 포함하지 않는 한 이들의 평균 자유 경로는 상당히 크다.따라서 LiI(Eu) 또는 유리 규산염과 같은 물질은 느린([44]열) 중성자 검출에 특히 적합합니다.

무기 섬광기 목록

다음은 일반적으로 사용되는 무기 결정의 목록입니다.

  • BaF
    2     또는 플루오르화 바륨: BaF는
    2 매우 빠르고 느린 성분을 포함합니다.    빠른 섬광은 UV 대역(220 nm)에서 방출되며 0.7 ns의 붕괴 시간(섬광기의 경우 가장 작은 붕괴 시간)을 갖는 반면 느린 섬광은 더 긴 파장(310 nm)에서 방출되며 630 ns의 붕괴 시간을 갖는다.빠른 타이밍 어플리케이션뿐만 아니라 펄스 형상 판별이 필요한 어플리케이션에 사용됩니다.BaF의
    2 광수율은 약 12광자/[45]keV입니다.    BaF는
    2 흡습성이 없다.
  • BGO 또는 비스무트 게르만산염: 비스무트 게르만산은 NaI(Tl)보다 정지력은 높지만 광학적 수율은 낮다.양전자 방출 단층 촬영기에서 양전자 소멸 시 방출되는 연속 감마선을 검출하기 위해 우연 검출기에 자주 사용된다.
  • CdWO
    4     또는 카드뮴 텅스텐산염: 매우 긴 붕괴시간(14μs)과 비교적 높은 광출력(NaI(Tl)의 약 1/3)을 가진 고밀도 고원자수 섬광기.    CdWO는
    4 X선 검출(CT 스캐너)에 정기적으로 사용됩니다.    Th 및 Ra 오염이 매우 적기 때문에 저활성 계수 애플리케이션에도 적합합니다.
  • 유로피움 도핑된 CaF
    2    (Eu)     또는 플루오르화칼슘:    이 재료는 흡습성이 없고 붕괴 시간이 940ns이며 상대적으로 Z가 낮습니다.후자의 특성은 후방 산란이 낮기 때문에 낮은 에너지 β 입자의 검출에 이상적이지만 β 검출에는 적합하지 않다.또한 CaF
    2    (Eu)    의 얇은 층을 NaI(Tl)의 두꺼운 슬래브와 함께 사용하여 α, β 및 β 입자를 구별할 수 있는 포스위쉬를 만들었다.
  • CaWO
    4     또는 텅스텐산칼슘: bi-alki PMT의 [7]감도곡선과 일치하는 최대 420 nm의 붕괴시간 9 μs, 단파장 방출을 나타낸다.    섬광기의 광수율 및 에너지 분해능(Cs의 경우 6.6%)은 CdWO의
    4 [46]광수율과 유사하다.
  • CsI: 비도프 요오드화 세슘은 주로 315nm에서 방출되며, 흡습성이 약하며, 붕괴 시간이 매우 짧기 때문에 빠른 타이밍에 적용하기에 적합합니다.실온에서는 광출력이 매우 낮지만 [47]냉각과 함께 현저하게 증가합니다.
  • 나트륨을 도핑한 CsI(Na) 또는 요오드화 세슘: 결정의 밝기는 CsI(Tl)보다 낮지만 광출력은 NaI(Tl)에 필적합니다.최대 방출 파장은 420 nm로 바이알칼리 PMT의 광음극 감도와 잘 일치합니다.CsI(Tl)보다 약간 짧은 감쇠시간(630ns 대 CsI(Tl)의 경우 1000ns)입니다.CsI(Na)는 흡습성이 뛰어나 습기로부터 보호하기 위해 밀폐된 인클로저가 필요합니다.
  • CsI(Tl) 또는 요오드화 세슘에 탈륨을 도핑: 이 결정들은 가장 밝은 섬광기 중 하나입니다.최대 발광 파장은 녹색 영역인 550 nm입니다.CsI(Tl)는 흡습성이 매우 낮기 때문에 일반적으로 밀폐 인클로저가 필요하지 않습니다.
  • GaAs 또는 갈륨 비소화물(실리콘 및 붕소 불순물로 적절히 도핑됨)은 낮은 극저온 밴드갭(1.52 eV)과 높은 광출력(930 nm)을 가진 극저온 n형 반도체 섬광기이다.열 자극 발광의 부재는 잔광이 없다는 증거로, 이것은 상호작용하는 암흑 물질로부터 드물고 낮은 에너지의 전자 들뜸을 감지하는 데 매력적입니다.대형(5kg) 고품질 크리스탈은 상업적으로 전자 용도로 재배됩니다.
  • GdOS
    2
    2     또는 가돌리늄 옥시술피드는 비교적 높은 밀도(7.32g/cm3)와 가돌리늄 원자수가 높아 정지력이 높다.    광출력도 양호하여 X선 영상 애플리케이션의 섬광기로 유용합니다.
  • LaBr
    3    (Ce)(    또는 세륨을 도핑한 랜턴 브롬화물): NaI(Tl)에 대한 더 나은 대안입니다. 밀도가 높고 효율적이며 훨씬 더 빠르며(감쇠 시간이 약 20ns) 매우 높은 광출력 때문에 뛰어난 에너지 분해능을 제공합니다.    게다가 광출력은 매우 안정적이고 매우 넓은 범위의 온도에서 매우 높기 때문에 고온 어플리케이션에 특히 적합합니다.용도에 따라서는 La의 고유활성이 단점이 될 수 있습니다.LaBr
    3    (Ce)    은 흡습성이 매우 강하다.
  • LaCl
    3    (Ce)     (또는 세륨을 도핑한 염화란탄): 매우 빠르고 높은 광출력.    LaCl
    3    (Ce)    은 LaBr(Ce)의
    3 저렴한 대체품입니다.    그것은 또한 꽤 흡습성이 있다.
  • PbWO
    4     또는 텅스텐산납: 높은 Z로 인해 PbWO는
    4 높은 정지력이 요구되는 애플리케이션(예: δ선 검출)에 적합합니다.
  • LuI
    3     또는 요오드화 루테튬
  • LSO 또는 Lutetium oxyortosilicate(LuSiO
    2
    5    ): 양전자 방출 단층촬영에 사용되며, 이는 BGO(Bismuth Germanate)와 유사하지만 광수율이 더 높기 때문입니다.    이것의 유일한 단점은 천연 Lu의 베타 붕괴에서 비롯된 본질적인 배경이다.
  • LYSO(LuYSiO
    1.8
    0.2
    5    (Ce    ): 밀도는 BGO에 필적하지만 훨씬 빠르고 광출력이 높아 의료 영상 애플리케이션에 매우 적합합니다.    LYSO는 흡습성이 없습니다.
  • NaI(Tl) 또는 탈륨 도프 요오드화 나트륨: NaI(Tl)는 지금까지 가장 널리 사용되는 섬광기 물질이다.단결정 형태 또는 보다 견고한 다결정 형태(석유 산업의 와이어라인 로깅과 같은 고진동 환경에서 사용됨)로 제공됩니다.다른 응용 프로그램에는 핵의학, 기초 연구, 환경 모니터링 및 항공 조사가 포함됩니다.NaI(Tl)는 흡습성이 뛰어나 밀폐된 인클로저에 보관해야 합니다.
  • YAG(Ce) 또는 이트륨 알루미늄 가넷: YAG(Ce)는 흡습성이 없습니다.최대 방출 파장은 550 nm로, 적색 저항성 PMT 또는 광다이오드와 잘 일치합니다.비교적 빠른 속도(70 ns 붕괴 시간)입니다.광출력은 NaI(Tl)의 3분의 1 수준이다.이 재료는 전자 현미경 응용 분야에 특히 매력적인 몇 가지 특성을 나타냅니다(예: 높은 전자 변환 효율성, 뛰어난 분해능, 기계적 견고성 및 긴 수명).
  • ZnS(Ag) 또는 황화 아연: ZnS(Ag)는 오래된 무기 섬광기 중 하나이다(William Crookes 경(1903)이 섬광기를 사용한 첫 번째 실험은 ZnS 화면을 포함).다만, 다결정 분말로서만 구입할 수 있습니다.따라서 주로 α 입자 검출에 사용되는 박막으로 사용이 제한된다.
  • ZnWO
    4     또는 텅스텐산아연은 Cd와 유사합니다.    25μs의 긴 붕괴 상수와 약간 낮은 광수율을 나타내는 WO 섬광기
    4    .

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 이 글에서 "입자"는 "이온화 방사선"을 의미하며 전자 및 중전하 입자와 같은 하전 입자 방사선과 광자 및 중성자와 같은 하전되지 않은 방사선을 가리킬 수 있다.

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원천

외부 링크