Diskussion

Die Szintillationseigenschaften des reinen CsI kann man mit dem Bändermodell von H. Nishimura et al. citenishi verstehen.
In diesem Modell werden die freien Löcher, die durch Anregung des CsI-Kristalls entstehen, sofort (t1 ns)gebunden (self-trappet). Ein gebundenes Loch fängt mit einer hohen Wahrscheinlichkeit ein freies Elektron ein und wird damit ein gebundenes Exiton (STE: self-trappet exiton), wobei die Spins parallel (Tripplett-Zustand) oder antiparallel (Singulet-Zustand) sein können. Die STE's können an zwei verschiedenen Positionen im CsI-Kristallgitter gebunden werden ('ön-center'ünd 'öff-center'mit Anregungsenergien von etwa 4.3 bzw. 3.7 eV). Es gibt also vier verschiedene angeregte Zustände mit unterschiedlichen Lebensdauern von etwa 1 ns bis zu 1 $\mu$s. Die Bevölkerung der Zustände hängt von der Temperatur ab (Boltzmanfaktor $exp(-E/kT)$). Bei Raumtemperatur (290 K) sind durch thermische Anregung die Zustände gemischt 48 und zerfallen mit einer Lebensdauer von etwa 10 ns im Grundzustand.

  
Abbildung 48: Emissionsspektrum. Bänderbevölkerung für drei verschidene Temperaturbereiche. Die Quanteneffizienz für den PM, welcher im Experiment zum Einsatz kam, ist dick eingezeichnet.

Bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K) ist praktisch nur das Band bei 3.7 eV bevölkert, dessen Zustände mit einer Lebensdauer von etwa 1 $\mu$s im Grundzustand zerfallen. Diese Zunahme der Zerfallszeit mit abnehmender Temperatur wurde durch unsere Messungen bestätigt (Kapitel 4: Temperaturabhängige Abklingzeiten der CsI-Szintillatoren; Zustände mit zwei oder mehreren Komponenten). Bei 4.5 K sind beide Bänder bevölkert und klar getrennt., wie aus dem Emissionsspektrum ersichtlich ist.
Die Lichtintensität nimmt bei gleicher Anregungsenergie und mit abnehmender Temperatur zu 49. Dies wurde von zwei unabhängigen Messungen, die von 150 - 300 K mit einander in Übereinstimmung sind, gezeigt. Unterhalb 150 K bleibt die eine Messung etwa konstant, während bei der zweiten Messung die Intensität zuerst etwas abnimmt (bis 120 K), dann aber wieder stark zunimmt bei abnehmender Temperatur.

  
Abbildung 49: Lichtintensität von reinem CsI als Funktion der Temperatur. a) Emission der 3.7 eV und 4.3 eV Bänder und das totale Spektrum ref. [9]. b) Totales Spektrum ref. [8]. a) und b) wurden mit einem UV-Licht durchlÄssigen PM gemessen. c)Totales Spektrum, aber gemessen mit dem PM1450 und damit im Wesentlichen die Emission des 3.7 eV Bandes ref. [vorliegende Arbeit].

Bei unseren Messungen wurden PM's mit normalem Glass (undurchlässig für UV-Licht) verwendet, und entsprechend sind unsere Messungen nur im Spektralbereich um 350 nm (3.7 eV Band, 48) empfindlich. Die von uns gemessene Zunahme der Lichtintensität (Kapitel 4: Temperaturabhängige Lichtausbeute der CsI-Szintillatoren) stimmt mit der Messung für das 3.7 eV Band von ref. [9] überein.