Основные механизмы высвечивания неорганических сцинтилляторов.

Время высвечивания. В первом (достаточно грубом) приближении зависимость числа испускаемых фотонов от времени описывается следующим уравнением:

(34),

где - скорость высвечивания фотонов

- число возбужденных центров свечения, вызванных потерей энергии частицы Е_част.,

τ – время высвечивания.

(35)

Механизм высвечивания неорганич. сцинтилляторов иллюстрирует зонная диаграмма ионных кристаллов (рис. 2). Внутри запрещённой энергетич. зоны (см. Зонная теория) могут быть дискретные уровни энергии ионов активатора (напр., Тl для NaI), а также других неизбежных примесей и дефектов кристаллич. решётки. При прохождении заряж. частицы электроны могут получать энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в экситонную зону и зону проводимости. Обратные переходы электронов в зону валентности с промежуточным захватом на дискретных уровнях запрещённой зоны приводят к испусканию оптич. фотонов. Поскольку их энергия меньше ширины запрещённой зоны , а плотность дискретных уровней мала, кристалл оказывается для них прозрачным. Световыход зависит от концентрации активатора В (рис. 3). Уменьшение световыхода при больших концентрациях связано с ростом вероятности поглощения фотонов на активаторных уровнях. Время высвечивания t с ростом концентрации активатора до 3•10^-3 уменьшается от 0,35 до 0,22 мкс.

Рис. 2. Зонная диаграмма ионного кристалла.

Как известно, в непроводящих чистых неорганических кристал­лах электроны в основном состоянии расположены в так называемой валентной зоне А (рис. 323). Проходя через кристалл, заряженная частица переводит часть электронов из основного в возбужденное состояние — в так называемую зону проводимости В. При диффу­зии, в зоне проводимости электрон может оказаться вблизи свобод­ного уровня валентной зоны, или, как говорят, — «дырки». Если происходит рекомбинация электронов с «дыркой», то излучаются световые кванты с энергией, определяемой шириной С запрещенной зоны кристалла. Этой же шириной определяется и спектр поглощения кристалла. Поэтому излученные при рекомбинации световые кванты интенсивно поглощаются внутри кристалла и свет наружу не выходит.

При введении в кристалл небольшого количества активатора 0,1%) в кристалле образуются локальные энергетические уровни, которые называют центрами люминесценции. Если подобрать активатор так, чтобы его уровни располагались в запрещенной зоне кристалла, то оказываются возможными пе­реходы электронов из зоны проводимости на уровни активатора d. Спектр излучаемых при переходах световых квантов не перекры­вается со спектром поглощения чистого кристалла и может погло­щаться только самим активатором. Но так как концентрация по­следнего очень мала, то малым оказывается и поглощение света, — световые кванты выходят из сцинтиллятора.

Механизм высвечивания неорганических кристаллов в действи­тельности намного сложнее, чем это сейчас описано, и до конца не изучен. Предполагают, что в активированных щелочно-галоидных кристаллах (типа Nal) значительная доля энергии, потерянной частицей, преобразуется в энергию возбуждения связанных электро­нов — так называемых экситонов. Экситоны медленно пере­мещаются (мигрируют) в кристаллах. При миграции они могут захватываться центрами люминесценции, в которых и происходит высвечивание. Отметим, что время высвечивания неорганических кристаллов на несколько порядков больше, чем у органических сцин­тилляторов, что обусловлено большим временем диффузии возбуж­денных электронов или дырок (или миграцией экситонов).

Дата добавления: 2015-07-26