Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Этот процесс можно рассматривать как возбуждение, а связанную пару электрон •— дырка называют экситоном. Экситон также может перемещаться в кристалле, но не создает электрической проводимости. В галоидно-щелочных кристаллах ширина запрещенной зоны около 7 эв, а ширина экситонной зоны около 1 эв. Наряду с указанными процессами электроны могут попасть и на дискретные уровни запрещенной зоны, однако этот процесс маловероятен, поскольку плотность таких уровней мала.
211 Снятие возбуждения, образованного заряженной частицей, может произойти различными путями. Электроны могут перейти из зоны проводимости в валентную безызлучательным переходом (в этом случае энергия электрона переходит в энергию теплового движения). Однако такие переходы маловероятны, поскольку ширина запрещенной зоны (7 эв) много больше энергии теплового движения. Заметим, что вероятность безызлучательных переходов экспоненциально возрастает с увеличением температуры кристалла.
Рекомбинация электронов и дырок (очень медленный процесс, поскольку электрону в результате диффузии необходимо попасть в ту область кристалла, где имеется дырка) и аннигиляция экситонов не эффективные способы снятия возбуждения, поскольку спектр фотонов, образующихся при этом, будет совпадать со спектром поглощения кристалла. Аннигиляция экситонов (если время жизни экситонов мало) скорее подходящий процесс для описания диффузии возбуждения (экситонов) по кристаллу. Рекомбинация электронов зоны проводимости с дырками валентной зоны и аннигиляция экситонов по указанной выше причине (спектр испускания совпадает со спектром поглощения) не могут быть основным механизмом сцин-тилляционного процесса.
212 Экситоны, электроны и дырки во время миграции по кристаллу будут захватываться на дискретные уровни запрещенной зоны, в результате радиационных и безызлучательных переходов. Время жизни носителей энергии на дискретных уровнях запрещенной зоны относительно радиационных переходов может быть большим. Тогда вероятность безызлучательного перехода оказывается большой и захват электрона на такой уровень рассматривают как поглощение энергии центром тушения. Появление центров тушения связывают с нарушениями кристаллической решетки и атомами примесей. Если же время относительно радиационных переходов мало, то переход электрона в валентную зону сопровождается излучением. Такие энергетические уровни называют центрами люминесценции и их появление связывают с наличием в кристалле ионов активатора. Захват носителей энергии центрами люминесценции приводит к появлению фотонов. Существенно, что их энергия в среднем меньше, чем ширина запрещенной зоны, т. е. спектр таких фотонов лежит вне спектра поглощения кристалла.
Приведенное описание процесса люминесценции позволяет качественно объяснить некоторые свойства сцинтилляционного процесса. Спектр фотонов люминесценции не зависит от способа возбуждения кристалла и от концентрации атомов активатора и определяется структурой энергетических уровней кристалла. Для неорганических кристаллов явление люминесценции — свойство агрегатного состояния вещества. Поэтому, например, раствор соли CsI в воде уже не обладает сцинтилляционными свойствами. Зависимость световыхода кристалла NaI (Tl) от концентрации активатора приведена на рис. 7.3. Видно, что существует оптимальная концентрация активатора. Вначале световыход с увеличением концентрации растет, поскольку увеличивается вероятность захвата носителей энергии в ионах активатора. При больших концентрациях активатора световыход уменьшается, что можно связать с ростом вероятности поглощения фотонов люминесценции в кристалле ионами активатора с увеличением их концентрации.
Время высвечивания т кристалла NaI (Tl) с ростом концентрации активатора до 3 • Ю-3 уменьшается от 0,35 до 0,22 мксек. Интенсивность излучения фотонов изменяется во времени по экспоненциальному закону. Если считать, что фотоны люминесценции появляются при захвате носителей энергии на дискретные уровни в запрещенной зоне, то интенсивность излучения в данный момент пропорциональна оставшемуся числу носителей в разрешенных зонах к этому времени, т. е. характер излучения фотонов кристаллом экспоненциальный во времени, а время высвечивания определяется под-вижностями носителей энергии и концентрацией центров люмине-
Концентраиия активатора
Рис. 7.3. Зависимость световыхода кристалла NaI (Tl) от концентрации активатора
213 сценции. Если же носители энергии захватываются центрами люминесценции в результате безызлучательных переходов, а испускание фотонов люминесценции будет происходить при снятии возбуждения (например, электрон с дискретного уровня рекомбинирует с дыркой в валентной зоне), то интенсивность излучения в данный момент будет пропорциональна произведению концентрации свободных электронов и дырок, т. е. интенсивность излучения будет изменяться во времени по гиперболическому закону.
Удельный световыход неорганических сцинтилляторов зависит от плотности ионизации dEidx, и поэтому связь световыхода с энергией не всегда линейна. С ростом dEidx удельный световыход ке
