Un centelleador ( / ˈ s ɪ n t ɪ l eɪ t ər / SIN -til-ay-ter ) es un material que exhibe centelleo , la propiedad de la luminiscencia , [1] cuando se excita con radiación ionizante . Los materiales luminiscentes, cuando son golpeados por una partícula entrante, absorben su energía y centellean (es decir, reemiten la energía absorbida en forma de luz). [a] A veces, el estado excitado es metaestable , por lo que la relajación hacia abajo desde el estado excitado a estados inferiores se retrasa (lo que requiere desde unos pocos nanosegundos hasta horas, dependiendo del material). El proceso corresponde entonces a uno de dos fenómenos: fluorescencia o fosforescencia retardada . La correspondencia depende del tipo de transición y, por lo tanto, de la longitud de onda del fotón óptico emitido .
Un detector de centelleo o contador de centelleo se obtiene cuando un centelleador se acopla a un sensor de luz electrónico como un tubo fotomultiplicador (PMT), un fotodiodo o un fotomultiplicador de silicio . Los PMT absorben la luz emitida por el centelleador y la reemiten en forma de electrones a través del efecto fotoeléctrico . La multiplicación posterior de esos electrones (a veces llamados fotoelectrones) da como resultado un pulso eléctrico que luego se puede analizar y arrojar información significativa sobre la partícula que golpeó originalmente el centelleador. Los fotodiodos de vacío son similares pero no amplifican la señal, mientras que los fotodiodos de silicio, por otro lado, detectan los fotones entrantes mediante la excitación de portadores de carga directamente en el silicio. Los fotomultiplicadores de silicio consisten en una matriz de fotodiodos que están polarizados inversamente con suficiente voltaje para operar en modo de avalancha , lo que permite que cada píxel de la matriz sea sensible a fotones individuales. [ cita requerida ]
El primer dispositivo que utilizó un centelleador fue construido en 1903 por Sir William Crookes y utilizaba una pantalla de ZnS . [2] [3] Las centelleaciones producidas por la pantalla eran visibles a simple vista si se observaban con un microscopio en una habitación oscura; el dispositivo se conocía como espintariscopio . La técnica condujo a una serie de descubrimientos importantes, pero obviamente era tediosa. Los centelleadores ganaron atención adicional en 1944, cuando Curran y Baker reemplazaron la medición a simple vista con el recientemente desarrollado PMT . Este fue el nacimiento del detector de centelleo moderno. [2]
Los centelleadores son utilizados por el gobierno estadounidense como detectores de radiación para la Seguridad Nacional. Los centelleadores también se pueden utilizar en detectores de partículas , exploración de nuevos recursos energéticos, seguridad con rayos X, cámaras nucleares, tomografía computarizada y exploración de gases. Otras aplicaciones de los centelleadores incluyen escáneres CT y cámaras gamma en diagnósticos médicos, y pantallas en monitores de computadora y televisores CRT de estilo antiguo. Los centelleadores también se han propuesto [4] como parte de modelos teóricos para el aprovechamiento de la energía de rayos gamma a través del efecto fotovoltaico, por ejemplo en una batería nuclear .
El uso de un centelleador junto con un tubo fotomultiplicador se utiliza ampliamente en los medidores portátiles de medición que se utilizan para detectar y medir la contaminación radiactiva y para controlar el material nuclear. Los centelleadores generan luz en tubos fluorescentes para convertir la luz ultravioleta de la descarga en luz visible. Los detectores de centelleo también se utilizan en la industria petrolera como detectores de registros de rayos gamma.
Existen muchas propiedades deseables para los centelleadores, como alta densidad , velocidad de operación rápida, bajo costo , dureza de radiación , capacidad de producción y durabilidad de los parámetros operativos. La alta densidad reduce el tamaño del material de las lluvias de electrones y γ-cuantos de alta energía . El rango de fotones dispersos Compton para rayos γ de menor energía también se reduce a través de materiales de alta densidad. Esto da como resultado una alta segmentación del detector y conduce a una mejor resolución espacial. Por lo general, los materiales de alta densidad tienen iones pesados en la red (por ejemplo, plomo , cadmio ), lo que aumenta significativamente la contribución del efecto fotoeléctrico (~Z 4 ). La mayor fotofracción es importante para algunas aplicaciones, como la tomografía por emisión de positrones . El alto poder de detención para el componente electromagnético de la radiación ionizante necesita una mayor fotofracción; esto permite un detector compacto. Se necesita una alta velocidad de operación para una buena resolución de los espectros. La precisión de la medición del tiempo con un detector de centelleo es proporcional a √ τ sc . Los tiempos de decaimiento cortos son importantes para la medición de intervalos de tiempo y para el funcionamiento en circuitos de coincidencia rápida. La alta densidad y el tiempo de respuesta rápido pueden permitir la detección de eventos raros en la física de partículas. La energía de las partículas depositada en el material de un centelleador es proporcional a la respuesta del centelleador. Las partículas cargadas, los γ-cuantos y los iones tienen diferentes pendientes cuando se mide su respuesta. Por lo tanto, los centelleadores podrían usarse para identificar varios tipos de γ-cuantos y partículas en flujos de radiación mixta. Otra consideración de los centelleadores es el costo de producción. La mayoría de los centelleadores de cristal requieren productos químicos de alta pureza y, a veces, metales de tierras raras que son bastante caros. No solo son un gasto los materiales, sino que muchos cristales requieren hornos costosos y casi seis meses de tiempo de crecimiento y análisis. Actualmente, se están investigando otros centelleadores para reducir el costo de producción. [5]
Varias otras propiedades también son deseables en un buen centelleador detector: una salida gamma baja (es decir, una alta eficiencia para convertir la energía de la radiación incidente en fotones de centelleo), transparencia a su propia luz de centelleo (para una buena recolección de luz), detección eficiente de la radiación que se está estudiando, un alto poder de frenado , buena linealidad en un amplio rango de energía, un tiempo de subida corto para aplicaciones de temporización rápida (por ejemplo, mediciones de coincidencia), un tiempo de decaimiento corto para reducir el tiempo muerto del detector y acomodar altas tasas de eventos, emisión en un rango espectral que coincida con la sensibilidad espectral de los PMT existentes (aunque a veces se pueden usar desplazadores de longitud de onda ), un índice de refracción cercano al del vidrio (≈1,5) para permitir un acoplamiento óptimo a la ventana del PMT. La robustez y el buen comportamiento a alta temperatura pueden ser deseables donde la resistencia a la vibración y la alta temperatura es necesaria (por ejemplo, exploración petrolera). La elección práctica de un material de centelleador suele ser un compromiso entre esas propiedades para adaptarse mejor a una aplicación determinada.
Entre las propiedades enumeradas anteriormente, la salida de luz es la más importante, ya que afecta tanto a la eficiencia como a la resolución del detector (la eficiencia es la relación entre las partículas detectadas y el número total de partículas que inciden en el detector; la resolución energética es la relación entre el ancho total en la mitad del máximo de un pico de energía dado y la posición del pico, generalmente expresado en %). La salida de luz es una función importante del tipo de partícula o fotón incidente y de su energía, lo que, por lo tanto, influye en gran medida en el tipo de material de centelleo que se utilizará para una aplicación particular. La presencia de efectos de extinción da como resultado una salida de luz reducida (es decir, una eficiencia de centelleo reducida). La extinción se refiere a todos los procesos de desexcitación sin radiación en los que la excitación se degrada principalmente a calor. [6] Sin embargo, la eficiencia general de producción de señal del detector también depende de la eficiencia cuántica del PMT (normalmente ~30% en el pico) y de la eficiencia de transmisión y recolección de luz (que depende del tipo de material reflector que cubre el centelleador y las guías de luz, la longitud/forma de las guías de luz, cualquier absorción de luz, etc.). La salida de luz a menudo se cuantifica como una cantidad de fotones de centelleo producidos por keV de energía depositada. Las cifras típicas son (cuando la partícula incidente es un electrón): ≈40 fotones/keV para NaI(Tl) , ~10 fotones/keV para centelleadores plásticos y ~8 fotones/keV para germanato de bismuto ( BGO ).
En general, se supone que los detectores de centelleo son lineales. Esta suposición se basa en dos requisitos: (1) que la salida de luz del centelleador sea proporcional a la energía de la radiación incidente; (2) que el pulso eléctrico producido por el tubo fotomultiplicador sea proporcional a la luz de centelleo emitida. La suposición de linealidad suele ser una buena aproximación, aunque pueden producirse desviaciones (especialmente pronunciadas para partículas más pesadas que el protón a bajas energías). [1]
La resistencia y el buen comportamiento en entornos de alta temperatura y alta vibración son especialmente importantes para aplicaciones como la exploración petrolera ( registro por cable , medición durante la perforación). Para la mayoría de los centelleadores, la salida de luz y el tiempo de decaimiento del centelleo dependen de la temperatura. [7] Esta dependencia se puede ignorar en gran medida para aplicaciones a temperatura ambiente, ya que suele ser débil. La dependencia de la temperatura también es más débil para los centelleadores orgánicos que para los cristales inorgánicos, como NaI-Tl o BGO. La fuerte dependencia del tiempo de decaimiento de la temperatura en el centelleador BGO se utiliza para el monitoreo remoto de la temperatura en el entorno de vacío. [8] Los PMT acoplados también exhiben sensibilidad a la temperatura y pueden dañarse si se someten a un choque mecánico. Por lo tanto, los PMT resistentes a altas temperaturas se deben utilizar para aplicaciones de alta temperatura y alta vibración.
La evolución temporal del número de fotones de centelleo emitidos N en un único evento de centelleo se puede describir a menudo mediante la superposición lineal de una o dos desintegraciones exponenciales. Para dos desintegraciones, tenemos la forma: [1]
donde τ f y τ s son las constantes de decaimiento rápido (o inmediato) y lento (o retardado). Muchos centelleadores se caracterizan por 2 componentes de tiempo: uno rápido (o inmediato), el otro lento (o retardado). Si bien el componente rápido generalmente domina, la amplitud relativa A y B de los dos componentes depende del material centelleante. Ambos componentes también pueden ser una función de la pérdida de energía dE / dx . En los casos en que esta dependencia de la pérdida de energía es fuerte, la constante de tiempo de decaimiento general varía con el tipo de partícula incidente. Dichos centelleadores permiten la discriminación de la forma del pulso, es decir, la identificación de partículas basada en las características de decaimiento del pulso eléctrico PMT. Por ejemplo, cuando se utiliza BaF 2 , los rayos γ normalmente excitan el componente rápido, mientras que las partículas α excitan el componente lento: por lo tanto, es posible identificarlos en función del tiempo de decaimiento de la señal PMT.
Los centelleadores orgánicos son compuestos de hidrocarburos aromáticos que contienen estructuras de anillos de benceno interconectadas de diversas maneras. Su luminiscencia normalmente se desintegra en unos pocos nanosegundos. [9]
Algunos centelleadores orgánicos son cristales puros. Los tipos más comunes son el antraceno [10] ( C
14yo
10, tiempo de desintegración ≈30 ns), estilbeno [10] ( C
14yo
12, tiempo de desintegración de 4,5 ns) y naftaleno ( C
10yo
8, tiempo de desintegración de pocos ns). Son muy duraderos, pero su respuesta es anisotrópica (lo que estropea la resolución energética cuando la fuente no está colimada ), y no se pueden mecanizar fácilmente, ni se pueden cultivar en grandes tamaños; por lo tanto, no se utilizan muy a menudo. El antraceno tiene la salida de luz más alta de todos los centelleadores orgánicos y, por lo tanto, se elige como referencia: las salidas de luz de otros centelleadores a veces se expresan como un porcentaje de la salida de luz del antraceno. [11]
Son soluciones líquidas de uno o más centelleadores orgánicos en un disolvente orgánico . Los solutos típicos son flúor como el p -terfenilo ( C
18yo
14), PBD ( C
20yo
14norte
2O ), butil PBD ( C
24yo
22norte
2O ), PPO ( C
15yo
11NO ) y desplazador de longitud de onda como POPOP ( C
24yo
16norte
2O ). Los disolventes más utilizados son tolueno , xileno , benceno , fenilciclohexano, trietilbenceno y decalina . Los centelleadores líquidos se cargan fácilmente con otros aditivos, como desplazadores de longitud de onda para que coincidan con el rango de sensibilidad espectral de un PMT particular, o 10 B para aumentar la eficiencia de detección de neutrones del propio contador de centelleo (ya que 10 B tiene una alta sección transversal de interacción con neutrones térmicos ). Los enfoques más nuevos combinan varios disolventes o cargan diferentes metales para lograr la identificación de partículas incidentes. [12] [13] Para muchos líquidos, el oxígeno disuelto puede actuar como un agente de extinción y conducir a una reducción de la salida de luz, de ahí la necesidad de sellar la solución en un recinto hermético y libre de oxígeno. [6]
El término "centelleador plástico" se refiere típicamente a un material centelleante en el que el emisor fluorescente primario, llamado flúor, está suspendido en la base , una matriz de polímero sólido. Si bien esta combinación se logra típicamente a través de la disolución del flúor antes de la polimerización en masa, el flúor a veces se asocia con el polímero directamente, ya sea de forma covalente o mediante coordinación, como es el caso de muchos centelleadores plásticos Li6. Se ha descubierto que el naftalato de polietileno exhibe centelleo por sí mismo sin ningún aditivo y se espera que reemplace a los centelleadores plásticos existentes debido a un mayor rendimiento y un menor precio. [14] Las ventajas de los centelleadores plásticos incluyen una salida de luz bastante alta y una señal relativamente rápida, con un tiempo de decaimiento de 2 a 4 nanosegundos, pero quizás la mayor ventaja de los centelleadores plásticos es su capacidad de ser moldeados, mediante el uso de moldes u otros medios, en casi cualquier forma deseada con lo que a menudo es un alto grado de durabilidad. [15] Se sabe que los centelleadores de plástico muestran saturación de salida de luz cuando la densidad de energía es grande ( Ley de Birks ).
Las bases más comunes utilizadas en los centelleadores plásticos son los plásticos aromáticos, polímeros con anillos aromáticos como grupos colgantes a lo largo de la cadena principal del polímero, entre los que el poliviniltolueno (PVT) y el poliestireno (PS) son los más destacados. Si bien la base fluoresce en presencia de radiación ionizante, su bajo rendimiento y su transparencia insignificante a su propia emisión hacen que el uso de flúor sea necesario en la construcción de un centelleador práctico. [15] Además de los plásticos aromáticos, la base más común es el polimetilmetacrilato (PMMA), que presenta dos ventajas sobre muchas otras bases: alta transparencia a la luz ultravioleta y visible y propiedades mecánicas y mayor durabilidad con respecto a la fragilidad. La falta de fluorescencia asociada con el PMMA a menudo se compensa mediante la adición de un codisolvente aromático, generalmente naftaleno. De esta manera, un centelleador plástico basado en PMMA cuenta con transparencia a su propia radiación, lo que ayuda a garantizar una recolección uniforme de luz. [16]
Otras bases comunes incluyen polimetil xileno de polivinilo (PVX), 2,4-dimetil, 2,4,5-trimetil estirenos, polivinil difenilo, polivinil naftaleno, polivinil tetrahidronaftaleno y copolímeros de estas y otras bases. [15]
También conocidos como luminóforos, estos compuestos absorben la centelleo de la base y luego emiten una longitud de onda mayor, convirtiendo efectivamente la radiación ultravioleta de la base en luz visible, que se transfiere más fácilmente. Se puede aumentar aún más la longitud de atenuación mediante la adición de un segundo flúor, conocido como desplazador o convertidor de espectro, que a menudo da como resultado la emisión de luz azul o verde.
Los flúor comunes incluyen hidrocarburos polifenílicos, oxazol y arilos de oxadiazol, especialmente, n-terfenilo (PPP), 2,5-difeniloxazol (PPO), 1,4-di-(5-fenil-2-oxazolil)-benceno (POPOP), 2-fenil-5-(4-bifenilil)-1,3,4-oxadiazol (PBD) y 2-(4'-terc-butilfenil)-5-(4''-bifenilil)-1,3,4-oxadiazol (B-PBD). [17]
Los centelleadores inorgánicos son generalmente cristales cultivados en hornos de alta temperatura , por ejemplo, haluros de metales alcalinos , a menudo con una pequeña cantidad de impureza activadora . El más utilizado es NaI(Tl) ( yoduro de sodio dopado con talio ); su luz de centelleo es azul. Otros cristales de haluros alcalinos inorgánicos son: CsI(Tl) , CsI(Na) , CsI (puro), CsF , KI(Tl) , LiI(Eu) . Algunos cristales no alcalinos incluyen: BGO , BaF2, CaF
2(Eu) , ZnS(Ag) , CaWO
4, CdWO
4, YAG(Ce) ( Y
3Alabama
5Oh
12(Ce) ), GSO , LSO . (Para más ejemplos, véase también fósforos ). [18]
Los productos recientemente desarrollados incluyen LaCl
3(Ce) , cloruro de lantano dopado con cerio, así como un bromuro de lantano dopado con cerio , LaBr
3(Ce) Ambos son muy higroscópicos (es decir, se dañan cuando se exponen a la humedad del aire), pero ofrecen una excelente salida de luz y resolución energética (63 fotones/keV γ para LaBr
3(Ce) frente a 38 fotones/keV γ para NaI(Tl) ), una respuesta rápida (16 ns para LaBr
3(Ce) frente a 230 ns para NaI(Tl) [10] ), excelente linealidad y una salida de luz muy estable en un amplio rango de temperaturas. Además, LaBr 3 (Ce) ofrece un mayor poder de frenado para los rayos γ (densidad de 5,08 g/cm 3 frente a 3,67 g/cm 3 para NaI(Tl) [10] ). LYSO ( Lu
1.8Y
0,2SiO
5(Ce) ) tiene una densidad aún mayor (7,1 g/cm 3 , comparable al BGO ), no es higroscópico y tiene una mayor salida de luz que el BGO (32 fotones/keV γ), además de ser bastante rápido (tiempo de desintegración de 41 ns frente a 300 ns para el BGO ).
Una desventaja de algunos cristales inorgánicos, por ejemplo, NaI, es su higroscopicidad, una propiedad que requiere que se guarden en un recipiente hermético para protegerlos de la humedad. CsI(Tl) y BaF 2 son sólo ligeramente higroscópicos y no suelen necesitar protección. CsF, NaI(Tl) , LaCl
3(Ce) , LaBr
3(Ce) son higroscópicos, mientras que BGO y CaF
2(Eu) , LYSO y YAG(Ce) no lo son.
Los cristales inorgánicos se pueden cortar en tamaños pequeños y organizar en una configuración de matriz para proporcionar sensibilidad a la posición. Dichas matrices se utilizan a menudo en física médica o aplicaciones de seguridad para detectar rayos X o rayos γ: los materiales de alta densidad y alta Z (por ejemplo, LYSO, BGO) suelen ser los preferidos para este tipo de aplicaciones.
La centelleo en cristales inorgánicos suele ser más lenta que en los orgánicos, oscilando normalmente entre 1,48 ns para ZnO(Ga) y 9000 ns para CaWO.
4. [10] Las excepciones son CsF (~5 ns), BaF rápido
2(0,7 ns; el componente lento está a 630 ns), así como los productos más nuevos ( LaCl
3(Ce) , 28 ns; LaBr
3(Ce) , 16 ns; LISÓ , 41 ns).
Para la aplicación de imágenes, una de las ventajas de los cristales inorgánicos es su alto rendimiento lumínico. Recientemente se han descrito centelleadores de alto rendimiento lumínico por encima de los 100.000 fotones/MeV a 662 keV para LuI.
3(Ce) , SrI
2(Eu) , y Cs
2HfCl
6.
Se conocen muchos fósforos centelleadores semiconductores, como ZnS(Ag) (mencionado en la sección de historia), CdS(Ag), ZnO(Zn), ZnO(Ga), CdS(In), ZnSe(O) y ZnTe(O), pero ninguno de ellos está disponible como monocristales. CdS(Te) y ZnSe(Te) han estado disponibles comercialmente en forma de monocristal, pero su luminosidad se extingue parcialmente a temperatura ambiente. [19]
El GaAs(Si,B) es un semiconductor criogénico de centelleo descubierto recientemente con una alta emisión de luz en el infrarrojo y aparentemente sin resplandor. En combinación con fotodetectores criogénicos de ruido ultrabajo, es el objetivo de experimentos para detectar excitaciones electrónicas raras y de baja energía provenientes de la materia oscura en interacción. [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]
Los centelleadores gaseosos están compuestos de nitrógeno y los gases nobles helio , argón , criptón y xenón , siendo el helio y el xenón los que reciben más atención. El proceso de centelleo se debe a la desexcitación de átomos individuales excitados por el paso de una partícula entrante. Esta desexcitación es muy rápida (~1 ns), por lo que la respuesta del detector es bastante rápida. Generalmente es necesario recubrir las paredes del recipiente con un desplazador de longitud de onda , ya que esos gases suelen emitir en el ultravioleta y los PMT responden mejor a la región azul-verde visible. En física nuclear, se han utilizado detectores gaseosos para detectar fragmentos de fisión o partículas cargadas pesadas . [27]
Los centelleadores de vidrio más comunes son los silicatos de boro o litio activados con cerio . Dado que tanto el litio como el boro tienen grandes secciones transversales de neutrones , los detectores de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos (lentos) . El litio se usa más que el boro, ya que libera una mayor energía al capturar un neutrón y, por lo tanto, una mayor salida de luz. Sin embargo, los centelleadores de vidrio también son sensibles a los electrones y a los rayos γ (la discriminación de altura de pulso se puede utilizar para la identificación de partículas). Al ser muy robustos, también son adecuados para condiciones ambientales adversas. Su tiempo de respuesta es de ≈10 ns, pero su salida de luz es baja, típicamente ≈30% de la del antraceno. [11]
Las propiedades de centelleo de las perovskitas de haluro de plomo de metilamonio (MA) orgánico-inorgánico bajo irradiación de protones fueron reportadas por primera vez por Shibuya et al. en 2002 [28] y el primer espectro de altura de pulso de rayos γ, aunque todavía con mala resolución energética, fue reportado en ( (C
6yo
5(ES
2)
2NUEVA HAMPSHIRE
3)
2PbBr
4) por van Eijk et al. en 2008. [29] Birowosuto et al. [30] estudiaron las propiedades de centelleo de perovskitas en capas 3-D y 2-D bajo excitación de rayos X. MAPbBr 3 ( CH
3NUEVA HAMPSHIRE
3PbBr
3) emite a 550 nm y MAPbI 3 ( CH
3NUEVA HAMPSHIRE
3PbI
3) a 750 nm, lo que se atribuye a la emisión de excitones cerca de la banda prohibida de los compuestos. En esta primera generación de perovskitas de haluro de Pb, la emisión se extingue fuertemente a temperatura ambiente y sobreviven menos de 1 000 ph/MeV. Sin embargo, a 10 K se observa una emisión intensa y [30] escriben sobre rendimientos de hasta 200 000 ph/MeV. La extinción se atribuye a la pequeña energía de enlace eh en el excitón que disminuye para Cl a Br a I . [31] Curiosamente, se puede reemplazar el grupo MA orgánico con Cs+ para obtener perovskitas de haluro CsPbX 3 completamente inorgánicas . Dependiendo del contenido de Cl, Br, I, la emisión del excitón excitada por rayos X triplete se puede ajustar de 430 nm a 700 nm . [32] También se puede diluir Cs con Rb para obtener un ajuste similar. Los desarrollos más recientes mencionados anteriormente demuestran que las perovskitas de haluro de plomo orgánico-inorgánico y todas las perovskitas inorgánicas tienen varias propiedades de centelleo interesantes. Sin embargo, los monocristales de perovskita bidimensionales recientes con rendimientos de luz entre 10 000 y 40 000 ph/MeV y tiempos de desintegración inferiores a 10 ns a temperatura ambiente [30] serán más favorables, ya que pueden tener un desplazamiento de Stokes mucho mayor hasta 200 nm en comparación con los centelleadores de puntos cuánticos de CsPbBr3 y esto es esencial para evitar la auto-reabsorción de los centelleadores.
Más recientemente, una nueva clase de material reportada por primera vez por el grupo de investigación del Profesor Biwu Ma, llamada 0D Organic Metal Halide Hybrid (OMHH), una extensión de los materiales de perovskita. [33] Esta clase de materiales exhibe una fuerte unión de excitones de cientos de meV, resultando en su alta eficiencia cuántica fotoluminiscente de casi la unidad. Su gran desplazamiento de carrera y propiedades libres de reabsorción los hacen deseables. [33] Sus posibles aplicaciones para centelleadores han sido reportadas por el mismo grupo, y otros. [34] [35] En 2020, se reportó que (C38H34P2)MnBr4 tenía un rendimiento de luz de hasta 80 000 Photon/MeV a pesar de su bajo Z comparado con los inorgánicos tradicionales. [34] Se han reportado rendimientos de luz impresionantes de otros 0D OMHH. Existe un gran potencial para realizar centelleadores de nueva generación a partir de esta clase de materiales. Sin embargo, están limitados por su tiempo de respuesta relativamente largo en microsegundos, que es un área de intensa investigación.
Las transiciones realizadas por los electrones de valencia libres de las moléculas son responsables de la producción de luz de centelleo en los cristales orgánicos. [9] Estos electrones están asociados con toda la molécula en lugar de con cualquier átomo en particular y ocupan los llamados orbitales moleculares . El estado fundamental S 0 es un estado singlete por encima del cual están los estados singlete excitados (S * , S ** , ...), el estado triplete más bajo (T 0 ) y sus niveles excitados (T * , T ** , ...). Una estructura fina correspondiente a los modos vibracionales moleculares está asociada con cada uno de esos niveles electrónicos. El espaciamiento de energía entre los niveles electrónicos es ≈1 eV; el espaciamiento entre los niveles vibracionales es aproximadamente 1/10 del de los niveles electrónicos. [36]
Una partícula entrante puede excitar un nivel electrónico o un nivel vibracional. Las excitaciones singlete decaen inmediatamente (< 10 ps) al estado S * sin la emisión de radiación (degradación interna). El estado S * luego decae al estado fundamental S0 ( típicamente a uno de los niveles vibracionales por encima de S0 ) emitiendo un fotón de centelleo . Este es el componente inmediato o fluorescencia . La transparencia del centelleador al fotón emitido se debe al hecho de que la energía del fotón es menor que la requerida para una transición S0 → S * (la transición generalmente se produce a un nivel vibracional por encima de S0 ) . [36] [ aclaración necesaria ]
Cuando uno de los estados tripletes se excita, decae inmediatamente al estado T 0 sin emisión de radiación (degradación interna). Como la transición T 0 → S 0 es muy improbable, el estado T 0 se decae en su lugar al interactuar con otra molécula T 0 : [36]
y deja una de las moléculas en el estado S * , que luego se desintegra en S0 con la liberación de un fotón de centelleo. Dado que la interacción T0 - T0 lleva tiempo, la luz de centelleo se retrasa: este es el componente lento o retrasado (que corresponde a la fluorescencia retrasada). A veces, se produce una transición directa T0 → S0 ( también retrasada), y corresponde al fenómeno de la fosforescencia . Nótese que la diferencia observacional entre fluorescencia retrasada y fosforescencia es la diferencia en las longitudes de onda del fotón óptico emitido en una transición S * → S0 frente a una transición T0 → S0 .
Los centelleadores orgánicos se pueden disolver en un disolvente orgánico para formar un centelleador líquido o plástico. El proceso de centelleo es el mismo que el descrito para los cristales orgánicos (arriba); lo que difiere es el mecanismo de absorción de energía: la energía es absorbida primero por el disolvente y luego pasa al soluto de centelleo (los detalles de la transferencia no se entienden claramente). [36]
El proceso de centelleo en materiales inorgánicos se debe a la estructura de banda electrónica que se encuentra en los cristales y no es de naturaleza molecular como es el caso de los centelleadores orgánicos. [37] Una partícula entrante puede excitar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción o a la banda de excitones (ubicada justo debajo de la banda de conducción y separada de la banda de valencia por un espacio de energía ; ver imagen). Esto deja un agujero asociado atrás, en la banda de valencia. Las impurezas crean niveles electrónicos en el espacio prohibido . Los excitones son pares electrón-hueco débilmente unidos que deambulan por la red cristalina hasta que son capturados en su totalidad por centros de impurezas. Estos últimos luego se desexcitan rápidamente emitiendo luz de centelleo (componente rápido). Las impurezas activadoras se eligen típicamente de modo que la luz emitida esté en el rango visible o cerca del UV donde los fotomultiplicadores son efectivos. Los huecos asociados con los electrones en la banda de conducción son independientes de estos últimos. Esos huecos y electrones son capturados sucesivamente por centros de impurezas que excitan ciertos estados metaestables no accesibles a los excitones. La desexcitación retardada de esos estados metaestables de impurezas da como resultado nuevamente luz centelleante (componente lento).
El BGO ( óxido de bismuto y germanio ) es un centelleador inorgánico puro sin ninguna impureza activadora. En este caso, el proceso de centelleo se debe a una transición óptica del Bi3+ion, un componente principal del cristal. [6] En los centelleadores de tungstato CaWO
4y CdWO
4La emisión se debe a la desintegración radiativa de excitones autoatrapados.
El proceso de centelleo en GaAs dopado con impurezas de silicio y boro es diferente de los centelleadores convencionales en que el dopaje de tipo n de silicio proporciona una población incorporada de electrones deslocalizados en la parte inferior de la banda de conducción. [38] Algunos de los átomos de impurezas de boro residen en sitios de arsénico y sirven como aceptores. [39] Se produce un fotón de centelleo siempre que un átomo aceptor como el boro captura un agujero de ionización de la banda de valencia y ese agujero se recombina radiativamente con uno de los electrones deslocalizados. [40] A diferencia de muchos otros semiconductores, los electrones deslocalizados proporcionados por el silicio no se "congelan" a temperaturas criogénicas. Por encima de la concentración de transición de Mott de8 × 10 15 portadores libres por cm 3 , el estado "metálico" se mantiene a temperaturas criogénicas porque la repulsión mutua impulsa cualquier electrón adicional al siguiente nivel de energía disponible más alto, que está en la banda de conducción. [41] El espectro de fotones de este proceso está centrado en 930 nm (1,33 eV) y hay otras tres bandas de emisión centradas en 860, 1070 y 1335 nm de otros procesos menores. [42] Cada una de estas bandas de emisión tiene una luminosidad y un tiempo de desintegración diferentes. [43] La alta luminosidad de centelleo es sorprendente porque (1) con un índice de refracción de aproximadamente 3,5, el escape se inhibe por la reflexión interna total y (2) los experimentos a 90 K informan coeficientes de absorción infrarroja de haz estrecho de varios por cm. [44] [45] [46] Recientes cálculos de integrales de trayectorias de Monte Carlo y Feynman han demostrado que la alta luminosidad podría explicarse si la mayor parte de la absorción del haz estrecho es en realidad una nueva dispersión óptica de los electrones de conducción con una sección transversal de aproximadamente 5 x 10 −18 cm 2 que permite que los fotones de centelleo escapen a la reflexión interna total. [47] [48] Esta sección transversal es aproximadamente 10 7 veces más grande que la dispersión de Thomson, pero comparable a la sección transversal óptica de los electrones de conducción en un espejo de metal.
En los gases, el proceso de centelleo se debe a la desexcitación de átomos individuales excitados por el paso de una partícula entrante (un proceso muy rápido: ≈1 ns).
Los contadores de centelleo generalmente no son ideales para la detección de iones pesados por tres razones: [49]
La reducción de la emisión de luz es más fuerte en el caso de los cristales orgánicos que en el de los inorgánicos. Por lo tanto, cuando es necesario, se utilizan cristales inorgánicos, por ejemplo, CsI(Tl) , ZnS(Ag) (normalmente utilizados en láminas delgadas como monitores de partículas α), CaF
2(Eu) , se debería preferir a los materiales orgánicos. Las aplicaciones típicas son los instrumentos de estudio α , los instrumentos de dosimetría y los detectores de iones pesados dE / dx . Los centelleadores gaseosos también se han utilizado en experimentos de física nuclear .
La eficiencia de detección de electrones es esencialmente del 100% para la mayoría de los centelleadores. Pero debido a que los electrones pueden realizar dispersiones de ángulos grandes (a veces retrodispersiones ), pueden salir del detector sin depositar toda su energía en él. La retrodispersión es una función que aumenta rápidamente del número atómico Z del material del centelleador. Los centelleadores orgánicos, que tienen un Z menor que los cristales inorgánicos, son por lo tanto los más adecuados para la detección de partículas beta de baja energía (< 10 MeV) . La situación es diferente para los electrones de alta energía: dado que en su mayoría pierden su energía por bremsstrahlung a las energías más altas, un material con un Z más alto es más adecuado para la detección del fotón de bremsstrahlung y la producción de la lluvia electromagnética que puede inducir. [50]
Los materiales de alto Z , por ejemplo, cristales inorgánicos, son los más adecuados para la detección de rayos gamma . Las tres formas básicas en que un rayo gamma interactúa con la materia son: el efecto fotoeléctrico , la dispersión Compton y la producción de pares . El fotón se absorbe completamente en el efecto fotoeléctrico y la producción de pares, mientras que solo se deposita energía parcial en cualquier dispersión Compton dada. La sección transversal para el proceso fotoeléctrico es proporcional a Z 5 , la de la producción de pares proporcional a Z 2 , mientras que la dispersión Compton es aproximadamente como Z . Por lo tanto, un material de alto Z favorece los dos primeros procesos, lo que permite la detección de la energía completa del rayo gamma. [50] Si los rayos gamma están a energías más altas (>5 MeV), domina la producción de pares.
Como el neutrón no está cargado, no interactúa a través de la fuerza de Coulomb y, por lo tanto, no ioniza el material de centelleo. Primero debe transferir parte o toda su energía a través de la fuerza fuerte a un núcleo atómico cargado . El núcleo cargado positivamente produce entonces ionización . Los neutrones rápidos (generalmente >0,5 MeV [6] ) dependen principalmente del protón de retroceso en reacciones (n,p); por lo tanto, los materiales ricos en hidrógeno , por ejemplo, los centelleadores de plástico, son los más adecuados para su detección. Los neutrones lentos dependen de reacciones nucleares como las reacciones (n,γ) o (n,α), para producir ionización. Por lo tanto, su camino libre medio es bastante grande a menos que el material del centelleador contenga nucleidos que tengan una sección transversal alta para estas reacciones nucleares, como 6 Li o 10 B. Por lo tanto, los materiales como LiI(Eu) o los silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones lentos (térmicos). [51]
La siguiente es una lista de cristales inorgánicos comúnmente utilizados:
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