برانگیختگی

برانگیختگی

مواد سوسوزن ازلحاظ فیزیکی به‌صورت جامدهای بلوری، مایع و گاز وجود دارند که هرکدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. مثلاً بلورهای سوسوزن از بازده‌ی آشکارسازی بالایی برای پرتوهای گاما برخوردارند. در عوض سوسوزن‌های گازی، که مخلوطی از گازهای بی‌اثر هستند، برای آشکارسازی ذرات سنگین باردار مانند آلفا مفید هستند. سوسوزن‌های مایع برای اندازه‌گیری‌هایی که در آن‌ها به آشکارساز با حجم بالا برای افزایش بازده آشکارسازی موردنیاز است، مانند آشکارسازی پرتوهای کیهانی و اندازه‌گیری طیف انرژی نوترون‌های پرانرژی بسیار مفید هستند [2].
ازنظر شیمیایی سوسوزن‌ها به دودسته‌ی سوسوزن‌های آلی و غیرآلی تقسیم می‌شوند.
سوسوزن‌های غیرآلی
مواد سوسوزن غیرآلی بلورهای معدنی هستند که متداول‌ترین آن‌ها NaI(Tl)، CsI(Tl)، CsI(Na)، LiI(Eu) و CaF2(Eu) هستند که هریک مقدار بسیار کمی ناخالصی به‌عنوان فعال‌ساز در ساختار خود دارند، به‌طوری‌که گسیل نور بلور ناشی از آن است.
فرآیند سوسوزنی در مواد غیرآلی
حالت‌های مجاز انرژی الکترونی در بلور پهن‌شده و به‌صورت نوارهایی درمی‌آیند. در حالت پایه‌ی بلور، بالاترین نوار مجاز که توسط الکترون‌ها اشغال‌شده نوار ظرفیت نامیده می‌شود. نوار مجاز بعدی که خالی از الکترون بوده نوار رسانش است. یک الکترون با جذب انرژی کافی از تابش فرودی می‌تواند به نوار رسانش برود و در نوار ظرفیت یک حفره از خود به‌جا بگذارد. الکترون آزاد در نوار رسانش می‌تواند در شبکه‌ی بلور حرکت کند، متقابلاً حفره نیز می‌تواند حرکت کند. ممکن است انرژی داده‌شده به الکترون کافی نباشد تا آن را به نوار رسانش برساند و در عوض الکترون ازنظر الکترواستاتیکی در قید حفره در نوار ظرفیت بماند. زوج الکترون-حفره که به این صورت حاصل شوند اکسیتون نامیده می‌شود. ازنقطه‌نظر انرژی حالت‌های اکسیتونی تشکیل نوار سومی می‌دهند که بخش بالایی آن منطبق با بخش پایینی نوار رسانش هست (شکل ‏01).
شکل ‏01: نمایش ترازهای انرژی مجاز در سوسوزن غیرآلی [5]
در بلورهای خالص، بازگشت به حالت پایه و گسیل فوتون یک فرآیند با بازدهی کم است. علاوه بر این، گاف انرژی بین حالت‌های مجاز ظرفیت و رسانش، و نوار اکسیتونی چنان بالاست که در صورت گسیل فوتون انرژی آن چندان زیاد است که در گستره‌ی مرئی طیف الکترومغناطیسی نمی‌باشد. ازاین‌رو برای بهبود این شرایط و نیز بالا بردن احتمال گسیل فوتون، در شبکه‌ی بلور مقدار کمی ناخالصی وارد می‌کنند که به آن فعال‌ساز می‌گویند. اثر ناخالصی ایجاد حالت انرژی پایه و برانگیخته از این اتم‌های فعال‌ساز بین نوارهای ظرفیت و رسانش بلور است. اکنون سوسوزنی مشاهده‌شده ناشی از لیانی بلور توسط اتم‌های فعال‌ساز است، و این در اثر یک برهمکنش و انتقال انرژی بین شبکه‌ی بلور و اتم فعال‌ساز رخ می‌دهد. درنتیجه‌ی فرآیند سوسوزنی به این قرار است که تابش فرودی توسط بلور جذب می‌شود و سبب برانگیختگی الکترون به نوارهای رسانش یا اکسیتونی و تشکیل زوج الکترون-حفره و یا اکسیتون می‌شود. سوسوزنی می‌تواند ناشی از جذب یک زوج الکترون-حفره و یا اکسیتون باشد که موجب برانگیختگی مراکز فعال‌ساز شده و هنگام واانگیزش به حالت پایه‌ی خود، فوتون مرئی گسیل می‌کنند.
آشکارساز CsI، به‌عنوان یک سوسوزن غیرآلی
یدور سزیم هالید قلیایی است که شهرت زیادی به‌عنوان یک ماده‌ی سوسوزن دارد. این ماده به‌صورت تجاری هم با فعال‌ساز سدیم و هم تالیم موجود است و ویژگی‌های سوسوزنی حاصل از این دو حالت با یکدیگر متفاوت است. ضریب جذب یدور سزیم برای پرتوهای گاما در واحد حجم، در مقایسه با یدور سدیم کمی بزرگ‌تر است. با توجه به آنکه یدور سزیم از یدور سدیم سخت‌تر است، می‌توان آن را در معرض تنش‌ها و نوسانات شدیدتری قرارداد. مفیدترین ویژگی CsI(Tl) زمان واپاشی متغیر آن برای ذرات تحریک‌کننده‌ی مختلف می‌باشد. بنابراین می‌توان از تکنیک‌های تمایز بر مبنای شکل پالس برای جدا کردن تابش‌های مختلف استفاده کرد.
پیک طیف گسیلی CsI(Tl) در طول موج بزرگ‌تری نسبت به NaI(Tl) قرار می‌گیرد و به‌خوبی با پاسخ لامپ‌های تکثیرکننده‌ی فوتونی با فوتوکاتد 11-S و یا فوتوکاتدهای دوقلیایی منطبق نمی‌شود. به همین خاطر گفته می‌شود که نور خروجی CsI(Tl) کمتر از یدور سدیم است. اما چنانچه پاسخ این سوسوزن به فوتوکاتدی اندازه‌گیری شود که حساسیت طیفی آن در ناحیه‌ی قرمز طیف باشد، بازده سوسوزنی آن از تمام سوسوزن‌های دیگر بزرگ‌تر است. بازده نوری مطلق اندازه‌گیری شده از این سوسوزن در این حالت در دمای اتاق 65000 است، با بیشینه مقداری در حدود 6% بیشتر در دمای 35- سانتی‌گراد [6, 7].
حالت‌های لیانی در CsI(Tl) به‌صورت نمایی جمع می‌شوند. درنتیجه نور اولیه دارای زمان خیز طولانی 20 نانوثانیه است. واپاشی‌های تأخیری این حالت‌های لیانی در بین کندترین زمان‌های واپاشی مربوط به سوسوزن‌های معمول قرار می‌گیرد. سوسوزن CsI نسبت به NaI دارای چگالی (kg/m3 4.51103) و عدد اتمی بالاتری است، لذا بازده آن برای آشکارسازی گاما بالاتر است. در جدول 1 مشخصات و ویژگی‌های برخی از سوسوزن‌های غیرآلی آورده شده است [2, 4, 8].
جدول 1: مشخصات برخی از سوسوزن‌های غیرآلی
ماده
زمان واپاشی(sμ)
بازده سوسوزنی
(نسبی%)
بیشینه طول موج
گسیل(nm)
چگالی
(kg/m3 103)

Share