Механизм высвечивания сцинтиллирующих растворов

В сцинтиллирующих растворах само вещество растворителя либо совсем не обладает сцинтилляционными свойствами, либо его люминесценция очень слаба. Основные компоненты примеси в растворах (так же как и в активированных кристаллах) подбирают так, чтобы уровень первого возбужденного состояния сцинтиллятора (активатора) лежал ниже уровня первого возбужденного состояния растворителя (кристалла). Наилучшие результаты получаются в тех случаях, когда спектр поглощения сцинтиллятора практически совпадает со спектром испускания растворителя.

Так как количество сцинтиллирующего вещества в растворе ничтожно мало по сравнению с массой растворителя, ионизирующая частица, проходя через раствор, взаимодействует в основном с молекулами растворителя. В соответствии с этим процессу высвечивания должен предшествовать процесс передачи энергии возбуждения от молекул растворителя молекулам сцинтиллятора.

Механизм передачи энергии от молекул одного вида молекулам другого вида на расстояния порядка десятков молекулярных диаметров окончательно не установлен. В радиационном механизме предполагается, что, благодаря перекрытию спектра испускания растворителя спектром поглощения сцинтиллирующей примеси, молекулы последней активно поглощают фотоны, возникающие при высвечивании молекул растворителя. Возможен и нерадиационный механизм передачи энергии возбуждения от молекул растворителя молекулам сцинтиллятора, заключающийся в том, что энергия возбуждения передается резонансным образом от одной молекулы к другой и мигрирует по растворителю до тех пор, пока не окажется вблизи молекулы сцинтиллятора, где и испытывает захват вследствие разности уровней возбуждения. Возбужденные. тем или иным путем молекулы сцинтиллятора высвечиваются затем обычным образом с присущими им частотами.

Благодаря малой концентрации сцинтиллятора в растворе последний оказывается практически прозрачным для излучения сцинтиллятора, и, следовательно, спектр испускания раствора будет весьма близок к спектру люминесценции отдельной молекулы сцинтиллятора. Поскольку же предварительный процесс передачи энергии возбуждения от молекул растворителя молекулам сцинтиллятора происходит сравнительно быстро, время высвечивания раствора оказывается немногим больше времени высвечивания отдельной молекулы т₀.

Интенсивность высвечивания растворов, при прочих равных условиях, существенно определяется концентрацией сцинтиллирующей примеси. В чистом, не обладающем собственной люминесценцией растворителе вся кинетическая энергия, потраченная частицей, перейдет в энергию теплового движения. При введении в растворитель хотя бы малого количества сцинтиллирующего вещества возникает возможность перехвата энергии возбуждения молекулы растворителя молекулой сцинтиллятора и последующего испускания света с длинами волн, характерными для сцинтиллятора. При повышении концентрации сцинтиллирующей компоненты в растворе вероятность перехвата энергии увеличивается пропорционально числу молекул сцинтиллятора в 1 см³, т. е. пропорционально концентрации. Интенсивность световой вспышки при увеличении концентрации сцинтиллятора будет расти по линейному закону до тех пор, пока можно пренебречь возможностью поглощения света, излученного молекулами сцинтиллятора, в растворе. При дальнейшем увеличении концентрации сцинтиллятора возникает вероятность поглощения фотонов, испускаемых молекулами сцинтиллятора, молекулами сцинтиллятора же. Процесс повторного поглощения света вносит дополнительные потери, связанные с тепловым тушением молекул сцинтиллятора и интенсивность высвечивания будет нарастать с увеличением концентрации все медленнее и медленнее. Опыт показывает, что при некотором значении концентрации интенсивность световой вспышки достигает максимальной величины, близкой к интенсивности высвечивания сцинтиллятора в кристаллическом состоянии, после чего интенсивность медленно убывает. Для большинства жидких сцинтилляторов оптимальная концентрация составляет 3—5 г/л; в твердых растворах примесь сцинтиллирующей компоненты обычно равна 1—2%.

При изготовлении жидких сцинтилляторов следует учесть, что органические растворители часто содержат растворенный в них кислород, примесь которого заметно уменьшает интенсивность световой вспышки. Кислород удаляют обычно продуванием через растворитель азота или аргона.