Szintillator

Szintillator

Ein CsI(Tl)-Einkristall zur Verwendung in einem Szintillationszähler für Gammastrahlung

Ein Szintillator ist ein Körper, dessen Moleküle beim Durchgang von energiereichen Photonen oder geladenen Teilchen durch Stoßprozesse angeregt werden und die Anregungsenergie in Form von Licht (meist im Ultraviolett- oder sichtbaren Bereich) wieder abgeben. Diesen Vorgang bezeichnet man als Szintillation (von lateinisch scintillare: ‚funkeln‘, ‚flackern‘).

Einleitung

Der Effekt wird vor allem in Szintillationszählern zur Messung der Energie und Intensität ionisierender Strahlung genutzt. Die im Szintillator deponierte Energie jedes einzelnen Stoßvorgangs ergibt sich durch Messung der Lichtmenge (z. B. mit einem Photomultiplier oder einer Photodiode), die Intensität (der Fluss der Teilchen oder Quanten) aus der Anzahl der Szintillationen pro Zeiteinheit.

Indirekt können auch freie Neutronen nachgewiesen werden, nämlich über die geladenen Teilchen, die sich nach Streuprozessen wegen des Rückstoßes durch den Szintillator bewegen oder die bei Kernreaktionen des Neutrons im Szintillatormaterial freigesetzt werden (siehe Neutronendetektor).

Das Wort Szintillator kann das betreffende Material oder auch das fertige Geräteteil bezeichnen.

Es gibt organische und anorganische Szintillatoren. Sie haben unterschiedliche Mechanismen der Szintillation.

Anorganische Szintillatoren

Anorganische Szintillatoren sind Kristalle, die mit Aktivator-Zentren dotiert sind. Ionisierende Strahlung erzeugt in diesem Festkörper freie Elektronen, freie Löcher oder Elektron-Loch-Paare (Exzitonen). Im Kristallgitter wandern solche Anregungszustände, bis sie auf ein Aktivatorzentrum treffen. Das Aktivatorzentrum ist nun angeregt und fällt unter Emission von sichtbarem Licht (Photonen) wieder in den Grundzustand. Der Ionisationsverlust der Teilchen bestimmt, wie viele Photonen im Kristall erzeugt werden.

Damit der Szintillator für sein eigenes Licht genügend durchlässig ist, muss er im Allgemeinen ein Einkristall sein.

Beispiele: Bismutgermanat, Bleiwolframat, Lutetiumoxyorthosilicat, Natriumiodid, Zinksulfid, Caesiumiodid

Organische Szintillatoren

Organische Szintillatoren können Kristalle, Flüssigkeiten oder polymere Festkörper sein. Der Mechanismus der Szintillation beruht auf der Anregung von Molekülzuständen in einem primären Fluoreszenzstoff, die beim Zerfall UV-Strahlung emittieren. Ein zweites fluoreszierendes Material, z. B. der „Wellenlängenschieber“ POPOP, muss dem Szintillator hinzugefügt werden, da UV-Strahlung in den meisten durchsichtigen Materialien eine nur sehr geringe Reichweite besitzt. Neuerdings wurde Polyethylennaphthalat als primärer Fluoreszenzstoff guter Ausbeute im sichtbaren Wellenlängenbereich entdeckt, was eine deutliche Preissenkung organischer Szintillatoren erwarten lässt.

Bei Flüssigkeiten als Szintillatoren ist zu unterscheiden zwischen

  • Flüssigszintillationszählern, bei denen die zu messende Substanz (ein Betastrahler geringer Energie) sich zusammen mit dem Szintillator in einer Lösung befindet, und
  • Flüssigszintillatoren zur Messung schneller Neutronen. Ein solcher Szintillator wird, eingeschlossen in einem abgeschmolzenen Glasgefäß oder Metallgefäß mit Glasfenster, wie ein fester Szintillator verwendet. Diese Szintillatoren bieten den Vorteil, dass die von Gammastrahlung herrührenden Impulse von den Neutronenimpulsen mit elektronischen Mitteln (Impulsformdiskriminierung) unterschieden werden können.

Einsatz

Szintillatoren werden in der Grundlagenforschung, aber auch auf Gebieten wie Strahlenschutz und Strahlenmedizin vielfältig eingesetzt. In der Teilchenphysik werden sie beispielsweise – gemeinsam mit anderen Materialien wie Wellenlängenschiebern – in Kalorimetern gebraucht[1]. Mit den immer höheren Energien und Intensitäten der Teilchenstrahlen steigen dabei auch die Anforderungen an Qualität, Komplexität und Strahlenresistenz der Szintillatormaterialien.[2][3] Manche Detektorkonstruktionen erfordern besondere Anstrengungen bei der Kalibrierung, da beispielsweise LaBr-Szintillatoren ein nicht-lineares Ansprechverhalten aufweisen.[4]

Weblinks

 Wiktionary: Szintillator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  • Stephan Paul, Wolfram Weise: Szintillation. In: Onlineskript Teilchen und Kerne. 10. August 2005, abgerufen am 12. Februar 2008.

Einzelnachweise

  1. A. Dannemann: Untersuchungen zur Strahlungsresistenz polymerer Materialien für den Einsatz in Experimenten der Hochenergiephysik, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1996, Interner Bericht: DESY F35D-96-06 (PDF; 5,8 MB), abgerufen am 8. Juni 2013.
  2. W. Busjan: Strahlungsresistenz szintillierender Kunststoffasern in der Hochenergiephysik: Entstehung und Zerfall kurzlebiger Absorptionszentren. Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1997.
  3. B. Casey, K. DeVaughan, Y. Enari, R. Partridge, S. Yacoob, Radiation Damage to Scintillator in the DØ Luminosity Monitor, Interner Bericht FERMILAB-CONF-06-469-E, (PDF; 0,9 MB), abgerufen am 26. Juni 2013.
  4. Alexander Blecher: High energy calibration of scintillating detectors with thermal neutrons. GRIN Verlag, Darmstadt 2015, ISBN 978-3-668-07839-0, S. 3.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


06.03.2021
Eine nahe, glühend heiße Super-Erde
In den vergangenen zweieinhalb Jahrzehnten haben Astronomen Tausende von Exoplaneten aus Gas, Eis und Gestein aufgespürt.
06.03.2021
Vulkane könnten den Nachthimmel dieses Planeten erhellen
Bisher haben Forschende keine Anzeichen auf globale tektonische Aktivität auf Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems gefunden.
03.03.2021
„Ausgestorbenes Atom“ lüftet Geheimnisse des Sonnensystems
Anhand des „ausgestorbenen Atoms“ Niob-92 konnten Forscherinnen Ereignisse im frühen Sonnensystem genauer datieren als zuvor.
03.03.2021
Nanoschallwellen versetzen künstliche Atome in Schwingung
Einem deutsch-polnischen Forscherteam ist es gelungen, gezielt Nanoschallwellen auf einzelne Lichtquanten zu übertragen.
03.03.2021
Nicht verlaufen! – Photonen unterwegs im dreidimensionalen Irrgarten
Wissenschaftlern ist es gelungen, dreidimensionale Netzwerke für Photonen zu entwickeln.
25.02.2021
Asteroidenstaub im „Dinosaurier-Killer-Krater“ gefunden
Ein internationales Forscherteam berichtet über die Entdeckung von Meteoriten-Staub in Bohrproben aus dem Chicxulub-Impaktkraters in Mexiko.
25.02.2021
Zwillingsatome: Eine Quelle für verschränkte Teilchen
Quanten-Kunststücke, die man bisher nur mit Photonen durchführen konnte, werden nun auch mit Atomen möglich. An der TU Wien konnte man quantenverschränkte Atomstrahlen herstellen.
23.02.2021
Auch in der Quantenwelt gilt ein Tempolimit
Auch in der Welt der kleinsten Teilchen mit ihren besonderen Regeln können die Dinge nicht unendlich schnell ablaufen.
23.02.2021
Erstes Neutrino von einem zerrissenen Stern
Ein geisterhaftes Elementarteilchen aus einem zerrissenen Stern hat ein internationales Forschungsteam auf die Spur eines gigantischen kosmischen Teilchenbeschleunigers gebracht.
23.02.2021
Unglaubliche Bilder vom Rover Perseverance auf dem Mars
21.02.2021
Schwarzes Loch in der Milchstraße massiver als angenommen
Ein internationales Team renommierter Astrophysikerinnen und -physiker hat neue Erkenntnisse über Cygnus X-1 gewonnen.
21.02.2021
Ultraschnelle Elektronendynamik in Raum und Zeit
In Lehrbüchern werden sie gerne als farbige Wolken dargestellt: Elektronenorbitale geben Auskunft über den Aufenthaltsort von Elektronen in Molekülen, wie eine unscharfe Momentaufnahme.
21.02.2021
Mit schwingenden Molekülen die Welleneigenschaften von Materie überprüfen
Forschende haben mit einem neuartigen, hochpräzisen laser-spektroskopischen Experiment die innere Schwingung des einfachsten Moleküls vermessen. Den Wellencharakter der Bewegung von Atomkernen konnten sie dabei mit bisher unerreichter Genauigkeit überprüfen.
21.02.2021
Quanten-Computing: Wenn Unwissenheit erwünscht ist
Quantentechnologien für Computer eröffnen neue Konzepte zur Wahrung der Privatsphäre von Ein- und Ausgabedaten einer Berechnung.
19.02.2021
Hochdruckexperimente liefern Einblick in Eisplaneten
Per Röntgenlicht hat ein internationales Forschungsteam einen Blick ins Innere ferner Eisplaneten gewonnen.
19.02.2021
Hochdruckexperimente liefern Einblick in Eisplaneten
Per Röntgenlicht hat ein internationales Forschungsteam einen Blick ins Innere ferner Eisplaneten gewonnen.
19.02.2021
Röntgen-Doppelblitze treiben Atomkerne an
Erstmals ist einem Forscherteam des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die kohärente Kontrolle von Kernanregungen mit geeignet geformten Röntgenlicht gelungen.
19.02.2021
Ein autarkes Überleben auf dem Mars durch Bakterien
Führende Raumfahrtbehörden streben zukünftig astronautische Missionen zum Mars an, die für einen längeren Aufenthalt konzipiert sind.
17.02.2021
Dualer Charakter von Exzitonen im ultraschnellen Regime: atomartig oder festkörperartig?
Exzitonen sind Quasiteilchen, die Energie durch feste Stoffe transportieren können.
17.02.2021
Neuer Spektrograf sucht nach Super-Erden
Das astronomische Forschungsinstrument CRIRES+ soll Planeten außerhalb unseres Sonnensystems untersuchen.
12.02.2021
Eine neue Art Planeten zu bilden
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Zürich schlagen in Zusammenarbeit mit der Universität Cambridge eine neue Erklärung für die Häufigkeit von Exoplaneten mittlerer Masse vor.
10.02.2021
Optischer Schalter für Nanolicht
Forscherinnen und Forscher in Hamburg und den USA haben einen neuartigen Weg für die Programmierung eines Schichtkristalls entwickelt, der bahnbrechende Abbildungsfähigkeiten erzeugt.
10.02.2021
Weltweit erste Videoaufnahme eines Raum-Zeit-Kristalls gelungen
Einem Forschungsteam ist der Versuch gelungen, bei Raumtemperatur einen Mikrometer großen Raum-Zeit-Kristall aus Magnonen entstehen zu lassen. Mithilfe eines Rasterröntgenmikroskops an BESSY II konnten sie die periodische Magnetisierungsstruktur sogar filmen.
07.02.2021
Lang lebe die Supraleitung!
Supraleitung - die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom verlustfrei zu übertragen - ist ein Quanteneffekt, der trotz jahrelanger Forschung noch immer auf tiefe Temperaturen be-schränkt ist.
05.02.2021
Quantensysteme lernen gemeinsames Rechnen
Quantencomputer besitzen heute einige wenige bis einige Dutzend Speicher- und Recheneinheiten, die sogenannten Qubits.