Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Сцинтилляционный процесс в органических сцинтилляторах можно качественно описать следующим образом. Заряженная частица за очень короткие (Ю-10 — IO-13 сек) времена передает свою энергию сцинтиллятору. Это приводит к появлению ионизованных и возбужденных молекул и радикалов, образующихся в результате диссоциации сложных молекул. Время жизни молекул в возбужденных состояниях зависит от энергии возбуждения. За время порядка Ю-11—Ю-12 сек молекулы окажутся в основных состояниях, испустив фотоны. Эти фотоны будут поглощаться соседними молекулами, которые в свою очередь, переходя в основное состояние, будут излучать фотоны. При этом энергия возбуждения распространяется по кристаллу и частично преобразуется в колебательную энергию. Итак, в результате такого процесса образуются молекулы, ионы и радикалы в самых низких и долгоживущих возбужденных состояниях (10~8—10~9 сек). На второй стадии происходит миграция энергии (передача энергии возбуждения от одних молекул другим), рекомбинация и т. д.
Обратимся теперь непосредственно к процессу появления фотонов люминесценции. Поскольку связи между молекулами в органиче-
216 ских соединениях не нарушают существенно электронной структуры молекул, то процесс высвечивания молекул из низких возбужденных состояний можно рассмотреть на примере отдельной молекулы. Процессы переходов в электронных оболочках сложных и двухатомных молекул имеют много общего. Поэтому рассмотрим переходы в двухатомной молекуле, с тем чтобы понять, каким образом происходит сдвиг в спектрах испускания и поглощения, обусловливающий возможность появления люминесценции в органических сцинтилляторах.
На рис. 7.5 показана зависимость потенциальной энергии от расстояния г между центрами атомов для двухатомной молекулы, находящейся в основном (кривая а — А — а') и возбужденном (кривая b — В — Ь') состояниях. Минимум потенциальной энергии в основном и возбужденном состояниях смещены: в возбужденном состоянии (точка В) этот минимум наблюдается при больших значениях г. Горизонтальные линии вблизи точек А и В соответствуют колебательным уровням. При заданной температуре молекула находится на определенном колебательном уровне. Чем выше температура, тем более высоко расположен этот уровень и тем больше амплитуда колебаний атомов относительно друг друга. Радиационные переходы с колебательного уровня возбужденного состояния возможны при испускании фотонов, энергии которых равны разности ординат колебательного уровня возбужденного состояния и ординат основного состояния (кривая а-— А ¦— а'). Эти переходы на рис. 7.5 показаны стрелкой, направленной вниз, а правая (заштрихованная) область соответствует спектру испускания. Спектр поглощения такой двухатомной молекулы будет соответствовать фотонам, энергия которых равна разности энергий колебательного уровня основного состояния и энергии первого (или более высоких) возбужденного состояния. Эти переходы показаны стрелкой вверх. Спектр поглощения будет определяться левой заштрихованной областью. Из рисунка видно, что спектр испускания сдвинут относительно спектра поглощения в сторону меньших энергий фотонов.
Помимо радиационных переходов из возбужденного состояния (b — В — Ь') в основное состояние (а — А — а') возможны и нерадиационные переходы. При нерадиационном переходе энергия возбуждения переходит в энергию теплового движения, т. е. происходит тушение сцинтилляций. Чем выше температура, тем больше
і
г
Рис. 7.5. Зависимость потенциальной энергии ОСНОВНОГО и возбужденного состояний двухатомной молекулы от расстояния между атомами
217 амплитуда колебаний решетки и тем больше вероятность тушения. В сложных многоатомных молекулах процессы поглощения и испускания энергии происходят более сложным образом, но приведенные качественные рассуждения в общем справедливы и для сложных молекул.
Спектры испускания и поглощения частично перекрываются (чем меньше их перекрытие, тем большим световыходом будет обладать сцинтиллятор), и поэтому процесс радиационного снятия возбуждения молекул может быть не последним. Коротковолновая часть спектра испускания может вновь поглотиться в сцинтилляторе. Такой процесс может повторяться неоднократно. При каждом поглощении фотона имеется вероятность нерадиационного перехода, и поэтому при многократном поглощении и испускании интенсивность излучения коротковолнового излучения будет падать. Это приведет к уменьшению светового выхода. Кроме того, такой многократный процесс увеличит среднее время высвечивания.Таким образом, в органических сцинтилляторах из-за частичного перекрытия спектров испускания и спектров поглощения их световыход и среднее время высвечивания могут зависеть от размеров сцинтилляторов.
Для всех органических сцинтилляторов независимо от их агрегатного состояния световыходы для электронов примерно B 10 раз больше, чем для а-частиц той же энергии. Это частично можно объяснить локальными перегревами сцинтилляторов при большой плотности ионизации (например, считают, что при облучении а-час-тицами с энергией 5 Мэв такой местный перегрев достигает 200° С). Другая причина — при большой плотности ионизации возникают сильные электрические поля, которые приводят к изменению структуры энергетических состояний возбужденных молекул и, следовательно, к изменению спектра испускания. Наконец, при больших значениях dEidx — большая вероятность расщепления молекул, т. е. образование радикалов или так называемых поврежденных молекул, в которых, как оказалось, очень велика вероятность тушения (велика вероятность нерадиационных переходов).
