Сцинтилляционные детекторы основаны на явлении сцинтилляции — испускании фотонов видимого или ультрафиолетового света под воздействием ионизирующего излучения. Основным элементом детектора является сцинтилляционный материал, который преобразует энергию падающего излучения в световую. Этот процесс сопровождается быстрым возвратом возбужденных электронов в основное состояние, что обеспечивает короткую длительность светового импульса (порядка наносекунд до микросекунд).
Для регистрации фотонов применяется фотоумножитель (ФЭУ) или полупроводниковый фотодетектор. Фотоумножитель преобразует световой импульс в электрический сигнал, который затем усиливается и обрабатывается электронным трактом. Амплитуда электрического сигнала пропорциональна энергии падающего излучения, что позволяет проводить энергетическую спектрометрию.
Неорганические кристаллы (NaI(Tl), CsI(Tl), BGO, LSO) характеризуются высокой эффективностью сцинтилляции и большим выходом фотонов на единицу поглощённой энергии. Они обеспечивают хорошее энергетическое разрешение, но обычно имеют значительную плотность и длительное время жизни сцинтилляции. Наиболее распространённым кристаллом является NaI(Tl), благодаря высокой световой отдаче и доступности.
Органические сцинтилляторы включают пластмассовые и жидкие сцинтилляторы. Они обладают быстрой временной характеристикой, низкой плотностью и меньшим выходом фотонов, что ограничивает энергетическое разрешение, но позволяет использовать их для измерений высоких потоков излучения и в комбинации с временными методами.
Жидкие сцинтилляторы (ароматические углеводороды с растворёнными флуорофорами) применяются в радиохимии для детекции β-излучения в растворах. Они позволяют проводить метод жидкостной сцинтилляционной спектрометрии, обеспечивая однородное распределение радиоактивного вещества и высокую эффективность регистрации.
Сцинтилляционный сигнал характеризуется коротким импульсом света, который преобразуется фотоумножителем в электрический. Основные компоненты электроники:
Эффективная работа детектора требует оптимизации коэффициента преобразования фотонов в электрический сигнал, минимизации шумов и компенсации потерь света в кристалле и оптической системе.
Энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора определяется дисперсией числа фотонов и статистическими процессами в фотоумножителе. Для NaI(Tl) оно составляет 6–7 % для гамма-лучей 662 кэВ, что позволяет различать основные γ-энергии радионуклидов.
Чувствительность зависит от толщины и плотности сцинтиллятора, эффективности преобразования энергии в свет и оптической связи с фотодетектором. Органические сцинтилляторы дают меньшую чувствительность к γ-излучению из-за низкой плотности, но высокую к β-частицам и нейтронам при применении специализированных допинг-составов.
Форма кристалла сцинтиллятора выбирается с учётом оптимального сбора света и минимизации потерь на внутренних отражениях. Обычно применяются цилиндрические или прямоугольные формы с оптической полировкой поверхности. Для жидких сцинтилляторов используются герметичные кюветы из кварца или полимеров, прозрачных в ультрафиолетовой области.
Оптическая связь с фотоумножителем осуществляется через оптический клей или силиконовый гель, что снижает отражения и потери светового потока. Дополнительно применяются отражающие покрытия и люминисцентные слои для повышения эффективности детекции.
Сцинтилляционные детекторы широко применяются для:
Сцинтилляционные детекторы обеспечивают высокую скорость регистрации, возможность работы с низкоактивными пробами и совместимость с автоматизированными измерительными системами, что делает их ключевым инструментом современной радиохимии.