Сцинтилляционные гамма-спектрометры

Наибольшее распространение получили гамма-спектрометры, у которых в качестве детекторов служат неорганические кристаллы. Особенно часто применяется монокристалл NaJ(Tl), обладающий высокой конверсионной эффективностью и большой плотностью, равной 3,67 г/см³, что имеет немаловажное значение, имея в виду высокую проникающую способность гамма-излучения в веществе.

Напомним, что взаимодействие гамма-излучения с веществом (в данном случае с кристаллом) сводится к фотоэффекту, комптон-эффекту и образованию пар. Перечисленные эффекты обуславливают передачу части энергии гамма-кванта электронам. При фотоэффекте и комптон-эффекте эта энергия преобразуется в кинетическую энергию электронов, а при образовании пар - в кинетическую энергию электронов и позитронов. Если взаимодействие происходит близ поверхности кристалла, то электрон может покинуть его пределы, унося часть кинетической энергии. За исключением таких случаев, кинетическая энергия электронов расходуется на образование вторичных фотонов. Последние могут также передать свою энергию электронам или покинуть кристалл.

Фотоны, образованные в фотоэлектрическом процессе, обладают энергией, соответствующей низкоэнергетическому участку рентгеновского спектра, и практически полностью поглощаются в кристалле. Возникающие в нем сцинтилляции происходят за промежутки времени, значительно меньшие времени высвечивания сцинтиллятора, поэтому следующие один за другим такие микросцинтилляции невозможно разрешить во времени, и они регистрируются в виде одиночного импульса света.

Таким образом, амплитуда световой вспышки, которая возникает в фотоэлектрическом процессе, пропорциональна полной энергии первичного гамма-кванта (при этом предполагается, что упомянутый выше поверхностный эффект достаточно мал).

В случае комптон-эффекта значительная часть энергии может быть передана рассеянному фотону; доля этой энергии зависит от энергии Е_г первичного гамма-кванта и угла рассеяния. Как известно, энергия образования пары равна 1,022 МэВ. Поэтому полная кинетическая энергия пары электрон - позитрон равна ( Е_г - 1,022) МэВ. При аннигиляции пары возникают два фотона, каждый из которых обладает энергией 0,51 МэВ.

Если только плотность материала кристалла и его размеры достаточно велики, то рассеянное комптоновское излучение и аннигиляционное излучение не покидают пределов сцинтиллятора. При использовании же кристалла малых или средних размеров, амплитудное распределение импульсов, образующихся моноэнергетическим гамма-излучением, состоит из импульсов, пропорциональных его полной энергии, и импульсов, соответствующих лишь его некоторой части, причем с ростом размера кристалла последние дают в амплитудное распределение все меньший вклад.

Сказанное можно проиллюстрировать на примере кривых амплитудного распределения импульсов от гамма-квантов цезия-137, полученных с помощью описываемого в следующем разделе гамма-спектрометра фотопоглощения. В качестве детекторов использовались монокристаллы NaJ(Tl) размерами 2,54x3,81 см и 7,62x7,62 см. Максимум (фотопик), расположенный справа, соответствующий энергии гамма-кванта цезия-137, равной 661 кэВ, с ростом размера кристалла увеличивается, а число импульсов, соответствующих меньшим энергиям, - уменьшается. Процессом, ответственным за распределение импульсов в левой части кривых является комптоновское рассеяние; образование пар в данном случае исключается, так как энергия регистрируемого гамма-излучения меньше пороговой энергии образования пар. Небольшой максимум в сплошном комптоновском распределении связан с обратным рассеянием частиц, ушедших из кристалла. Таким образом, увеличение размеров сцинтиллятора приводит к росту отношения площади, ограниченной пиком полного поглощения, к общей площади, лежащей под аппаратурной линией, т. е. улучшает вид последней.

В экспериментальной ядерной физике применяют три вида гамма-спектрометров, различающихся тем, какой именно из известных нам процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом используется: гамма-спектрометры фотопоглощения, комптоновские гамма-спектрометры и парные гамма-спектрометры.

При анализе спектров гамма-излучения с энергиями не свыше нескольких МэВ (а именно таковы энергии гамма-квантов большинства радионуклидов) используются преимущественно сцинтилляционные гамма-спектрометры первого типа.

Классический метод обработки спектров гамма-излучения заключается в следующем:

· проводится анализ спектрограммы и определяются позиции ППП;

• на основании зависимости энергии от номера канала (определяется при энергетической калибровке) определяются энергии, соответствующие ППП. По библиотеке схем распада идентифицируются радионуклиды, присутствующие в пробе;

• определяют площадь (количество импульсов S) под ППП;

• рассчитывают активность радионуклидов.

Дата добавления: 2014-01-06