Фосфоры

Качество сцинтилляционного счетчика и область его применения в значительной степени зависят от свойств фосфора.

Одной из основных характеристик фосфора является его конверсионная способность. Она показывает долю энергии, поглощенной фосфором, которая превращается в световую энергию. Если в фосфоре полностью поглощается частица с энергией Е_а и при этом испускаются фотоны с суммарной энергией Е_ф, то конверсионная способность такого фосфора

η= (Е_ф/Е_а)100%. (10.1)

Чем больше конверсионная способность и чем лучше качество фосфора, тем легче зарегистрировать частицу, тормозящуюся в фосфоре. Высокой конверсионной способностью обладает фосфор NaI(Tl), преобразующий в световую энергию около 6% поглощенной энергии. Число фотонов, испускаемых фосфором при поглощении частицы с энергией Е_а:

(10.2)

где hv – средняя энергия фотона. Для видимой части спектра значение hv~3 кэВ. Поэтому при поглощении электрона с энергией Е_е=1 МэВ в фосфоре NaI(Tl) образуется п=0,06´(10³/3)=20 фотонов. Количество света, испускаемого фосфором, характеризуется также световым выходом, который равен отношению числа испущенных фотонов к поглощенной в фосфоре энергии частицы. При полном поглощении энергии Е_а:

(10.3)

Время высвечивания световой энергии фосфором – еще одна характеристика фосфора. После попадания частицы в фосфор происходит накопление возбужденных атомов. Часть из них, испуская фотоны, переходит в основное состояние еще до полной остановки частицы в фосфоре. Так как количество возбужденных атомов увеличивается во время торможения частицы, то и интенсивность излучения фосфора возрастает. Сразу же после остановки частицы число возбужденных атомов достигает максимального значения. Поэтому максимальная интенсивность света наблюдается через время t₀=10^-10 с, равное времени торможения частицы в фосфоре (рисунок 10.2). По значению это время небольшое, так что нарастание интенсивности света с момента попадания частицы в фосфор до максимальной интенсивности в момент t₀ можно рассматривать как мгновенное, изменяющееся скачком от нуля до своего максимального значения. Для t>t₀ начинается относительно медленная убыль интенсивности света, обусловленная уменьшением числа возбужденных атомов.

Рисунок 10.2 – Зависимость интенсивности света в фосфоре от времени

Изменение интенсивности света J для этого интервала времени описывается законом:

J = J₀´ехр(-t/τ), (10.4)

где t – время, отсчитываемое от момента t_o. Постоянную τ, характеризующую среднее время жизни возбужденного атома, называют временем высвечивания фосфора. Оно численно равно времени, в течение которого интенсивность света падает в 2,72 раз.

Для полного высвечивания фосфора требуется время около (3¸5)τ. Время высвечивания для различных фосфоров может изменяться в широких пределах от 10^-9 до 10^-5 с. Чем меньше время высвечивания фосфора, тем короче образующийся в ФЭУ импульс тока, тем лучше разрешающая способность сцинтилляционного счетчика.

Кроме физических характеристик, связанных с образованием и испусканием света, фосфор должен обладать еще рядом свойств.

Во–первых, фосфор должен быть достаточно прозрачным к испускаемому свету. В этом случае большая часть света дойдет до ФЭУ и преобразуется в импульс тока. Прозрачность фосфора характеризуют длиной поглощения света. Под длиной поглощения света понимают толщину фосфора, ослабляющего испускаемый им свет в 2.72 разa.

Во–вторых, длина волн испускаемого фосфором света должна соответствовать максимуму чувствительности фотокатода ФЭУ для более полного преобразования света в электрический ток ФЭУ.

В–третьих, излучение должно интенсивно взаимодействовать с материалом фосфора. Это условие определяет эффективность сцинтилляционного счетчика. Так как невозможно подобрать фосфор, материал которого одинаково взаимодействовал бы с любым излучением, то для каждого типа излучения выбирают наиболее приемлемый фосфор. Например, для регистрации γ -излучения материал фосфора должен обладать высокой плотностью и большим порядковым номером Z. Наоборот, для регистрации быстрых нейтронов по протонам отдачи пригоден фосфор с большим содержанием водорода. Такому условию удовлетворяют некоторые органические вещества с плотностью, близкой к плотности воды, и с малым порядковым номером Z.

Наконец, желательно, чтобы фосфор был дешевым и мог быть изготовлен достаточно больших размеров.

Последнее требование особенно предъявляется к органическим и неорганическим монокристаллам. В сцинтилляционных счетчиках используют твердые, жидкие и газообразные фосфоры, которые можно разделить на несколько классов.