Prvky vzácných zemin ve scintilátorech

Díky scintilátorům vidí lékař při vyšetření moderním rentgenem obraz přímo v počítači. To však není jediná oblast, kde scintilátory umožňují ionizující záření „vidět“.

Scintilační materiály jsou materiály, které umějí pohltit vysokoenergetické ionizující záření (jakékoli výše zmíněné, tedy rentgenové, gama, alfa, beta plus, beta mínus, ale i protony, neutrony, deuterony), a složitým fyzikálním mechanismem ho přeměnit na fotony ve viditelné či UV oblasti. A jak již bylo naznačeno, to je důležité proto, že viditelné či UV světlo snadno převedeme na měřitelný elektrický impulz, se kterým už si dnes hravě poradíme v počítačovém zpracování. Na vstupu do scintilačního detektoru tedy mám vysokoenergetické záření, na výstupu měřitelný elektrický impulz.

1. Schematické znázornění procesů ve scintilátoru. Vysoceenergetická částice ionizuje atomy scintilátoru, na místě vytržených elektronů vzniknou kladně nabité díry. Elektrony ve vodivostním pásu a díry ve valenčním pásu se mohou pohybovat, ztrácejí svoji energii až na energii tepelných kmitů krystalové mřížky. Přitom mohou rekombinovat („seskočit“ z vodivostního pásu na místo, kde se nachází díra) nebo být zachyceny na defektech krystalu (v pastích). Pokud doputují až k luminiscenčnímu centru, mohou opět rekombinovat a vyzářit luminiscenční foton.

Obrázek z publikace [1]

Kde můžeme scintilační materiály využít

Jedna velká skupina aplikací zahrnuje nukleární medicínu, hlavně pak její diagnostickou část (druhá část je terapeutická). Jde o klasický rentgen, výpočetní tomografii (CT), pozitronovou emisní tomografii (PET), protonovou terapii, rentgenovou fotodynamickou terapii, a mnoho dalšího. Jinou velkou skupinou aplikací je fyzika vysokých energií. Objemově největší detektor založený na scintilačních materiálech je v CERN, v urychlovači částic LHC. Tvoří ho 80 000 monokrystalů wolframanu olovnatého PbWO₄, což v praxi představuje 12 m³ scintilačního materiálu. Dále jsou to různé experimenty v oblasti jaderné a subjaderné fyziky, např. v detektorech hledajících důkaz existence bezneutrinové dvojité beta přeměny, nebo ke studiu vlastností antiprotonů, či již zmíněných neutrin. Nám bližší mohou být aplikace sloužící k zobrazování a analýze. Např. při odletu na letištích procházejí zavazadla bezpečnostním skenerem, který je založený, podobně jako rentgen pro pacienty, na pronikavém rentgenovém záření a na detekci pomocí scintilačních detektorů. Tímto způsobem zaměstnanec letiště vidí, zda nepašujete zakázané předměty (zbraně, výbušniny…). Nedestruktivní analýza (tedy taková, při které zkoumaný objekt nemusíte nevratně zničit) pak může kombinovat zobrazování pomocí neutronů a rentgenového záření, a používá se např. k analýze archeologických artefaktů, či dokonce koster dinosaurů v sedimentech. Dále se scintilační detektory využívají v elektronové mikroskopii, v monitorování životního prostředí pomocí bezpilotních dronů, při předpovídání zemětřesení, či při hledání nových nalezišť nerostného bohatství a ropy/zemního plynu.

Jaké materiály se využívají?

Scintilační materiály často obsahují atomy (či ionty) vzácných zemin. První materiály, které se k účelu zobrazení neviditelného záření používaly, byly mikrokrystalické prášky tetrakyanoplatnatan barnatý BaPt(CN)₄, wolframan vápenatý CaWO₄ nebo sulfid zinečnatý dopovaný ionty stříbra ZnS:Ag⁺. Dopovaný v tomto kontextu znamená, že část atomů zinku ve struktuře ZnS je nahrazena ionty stříbra Ag⁺. Typicky je náhrada malá, často pod jedno procento. ZnS pak slouží primárně k záchytu ionizujícího záření, Ag⁺ je tím prvkem, který poskytuje luminiscenci (umí efektivně zachycenou energii vysvítit). Obrovský boom ve vývoji scintilačních materiálů nastal během druhé světové války, kdy se také objevily první použitelné fotonásobiče – zařízení, která umějí viditelné světlo efektivně přeměnit na elektrický proud. Ve stejné době se rovněž začínají objevovat scintilační materiály ve formě objemových monokrystalů. Jako první se patentoval a začal využívat jodid sodný dopovaný ionty thalia NaI:Tl⁺. Opět platí, že NaI primárně slouží k záchytu ionizujícího záření, Tl⁺ pak k luminiscenci. Od padesátých let 20. století se už na scénu dostávají materiály s prvky vzácných zemin. Za zmínku stojí jodid lithný aktivovaný ionty europia LiI:Eu, používaný k detekci neutronů, a fluorid vápenatý s ionty europia CaF₂:Eu, používaný k detekci nabitých částic a záření gama. Do dnešní doby bylo objeveno, patentováno, a uvedeno do praxe nepřeberné množství materiálů.