Методы регистрации гамма-излучения

7. Методы регистрации гамма-излучения. Исследование энергетического состава -излучения позволяет определить целый ряд важных для теории характеристик ядер, таких, как положение энергетических уровней возбужденных состояний ядер, энергия связи нуклонов, средняя плотность возбужденных состояний и т.д. Энергетический состав -излучения необходимо знать и во многих задачах ядерной техники, например, для определения тепловыделения в экранах реакторов, для расчета дозы проникающего излучения. Анализ спектрального состава -излучения оказывает существенную помощь и в геологической разведке, и в радиационной медицине. В последнее время гамма-спектрометрия получает применение и в астрономии.

Оценка энергетического состава -квантов по функциям пропускания. В условиях «хорошей» геометрии ослабление моноэнергетического пучка -квантов каким-либо материалом можно записать в следующем виде:

,

где n₀ – количество регистрируемых квантов при t = 0; п(t) – количество регистрируемых квантов после их прохождения через материал толщиной t. Отношение п(t)/n₀ = Т(t) называют функцией пропускания.

В логарифмическом масштабе функция пропускания – прямая линия, тангенс угла наклона которой равен коэффициенту ослабления -квантов , зависящему от энергии -квантов. Эта зависимость для различных материалов известна с точностью около 1…2%. Таким образом, измерив функцию пропускания, можно определить  и по известной зависимости (E) определить энергию -квантов.

Измерение по продуктам фотоядерных реакций. Энергию -квантов можно определить по энергии заряженных частиц, образующихся при фотоядерных реакциях. Наиболее удобной для практического использования является реакция фоторасщепления дейтона.

Сцинтилляционный метод. Гамма-спектрометры имеют большую эффективность и находят применение в тех случаях, когда нет высоких требований к энергетическому разрешению. В области энергий γ-квантов 100 кэв…10 Мэв энергетическое разрешение этих приборов лежит в пределах 12…4%. В однокристальных сцинтилляционных спектрометрах функция отклика G(Е, V) имеет довольно слож­ный вид, и поэтому не всегда надежно удается определить спектр γ-квантов по измеренным амплитудным распределениям. Главным образом по этой причине разработано много различных многокристальных спектрометров, в которых получают функцию отклика G(E,V), близкую к идеальной. Правда, эффективность многокристальных спектрометров обычно меньше эффективности однокристальных.

Многокристальные сцинтилляционные гамма-спектрометры используют в основном потому, что в них удается получить функцию отклика, по своей форме близкой к распределению Гаусса. Правда, эффективность многокристальных спектрометров оказывается много меньше, чем эффективность однокристальных. Однако успех многих исследований определяется не столько эффективностью спектрометра, сколько качеством функции отклика.

Комптоновские сцинтилляционные гамма-спектрометры. Блок-схема сцинтилляционного комптоновского спектрометра показана на рис. 1.

Рекомендуемые материалы

Блок-схема комптоновского спектрометра

Рис. 1

Коллимированный пучок γ-квантов направляется на кристалл (его называют центральным), в котором может проис­ходить комптоновское рассеяние γ-квантов. Импульсы с централь­ного сцинтилляционного счетчика поступают на анализатор амплитуд импульсов только в том случае, если рассеянный в цен­тральном кристалле γ-квант регистрируется во втором (боковом) кристалле. Такой отбор событий осуществляется с помощью схемы совпадений и линейных ворот, которые пропускают импульс на анализатор, если схема совпадения вырабатывает импульс. Таким образом, на анализ попадают импульсы, образующиеся при рассеянии γ-квантов в центральном кристалле под определенным углом. Амплитуда выбранных таким способом импульсов про­порциональна энергии электронов отдачи 

.

Схема расположения кристаллов и их размеры определяют основ­ные параметры спектрометра — эффективность и энергетическое разрешение. Эффективность спектрометра пропорциональна вероятности рассеяния -кванта в центральном кристалле в направлении бокового кристалла. Центральный кристалл выгодно выбирать с малым радиусом и большой высотой, а боковой кристалл — в виде коль­ца. Чем ближе расположены кристаллы, тем больше эффективность. Энергетическое разрешение комптоновского спектрометра зависит не только от свойств центрального сцинтилляционного счетчика, но и от величины угла . Действительно, чем меньше выбран угол , тем меньшую энергию будут иметь элек­троны в центральном кристалле при рассеянии -квантов в напра­влении бокового и тем хуже будет энергетическое разрешение. Рост телесного угла увеличивает интервал углов вблизи , под которыми рассеянные фотоны могут попадать в боковой кристалл, и, следовательно, также ухудшает энерге­тическое разрешение. Таким образом, увеличение эффективности спектрометра может ухудшать энергетическое разрешение.

наилучшие харак­теристики спектрометра будут при выборе углов , близких к 180°, что позволит при заданном энергетическом разрешении иметь максимальный телесный угол. Величину телесного угла имеет смысл выбирать такой, чтобы неопределенность в направлении рассеянного γ-кванта  ±  не влияла на величину ΔЕ_е/Е_е, определяемую свой­ствами сцинтилляционного счетчика.

Комптоновский гамма-спектрометр с одним боковым кристал­лом имеет эффективность около десятой доли процента. Эффективность его можно увеличить, если использовать несколько боковых кристал­лов. Функция отклика комптоновского спектрометра показана на рис. 1в  пунктиром.

Существенно большей эффективностью и лучшим энергети­ческим разрешением обладают комптоновские спектрометры со сло­жением импульсов. Блок-схема такого спектрометра и располо­жение кристаллов показаны на рис. 1, б. В этом случае на анали­затор импульсов направляется сумма импульсов с центрального и одного из боковых кристаллов при условии их совпадения во времени. Амплитуда импульса в центральном сцинтилляционном счетчике пропорциональна (Е — Е'), где Е и Е' — энергия падающего на кристалл и рассеянного в нем γ-кванта. Если рас­сеянный γ-квант поглотится в боковом кристалле, то импульс с бокового сцинтилляционного счетчика пропорционален Е'. Тогда амплитуда суммарного импульса пропорциональна энергии γ-кванта Е, если коэффициенты пропорциональности, которые связывают амплитуду импульса и энергию, поглощенную в кри­сталле во всех сцинтилляционных счетчиках, одинаковы. Так, что независимо от угла рассеяния γ-кванта в центральном кри­сталле, на анализ будут поступать импульсы с амплитудой, про­порциональной Е. Это позволяет располагать боковые кристаллы близко к центральному и достичь больших значений эффективности. Конечно, не каждый рассеянный в цен­тральном кристалле γ-квант будет поглощен в боковом кристалле. Поэтому в амплитудном распределении G(Е, V) имеется кроме пика полного поглощения непрерывный континуум, площадь под которым тем меньше, чем больше размеры боковых кристал­лов. На рис. 1в (сплошная линия) показано амплитудное распределение импульсов для γ-квантов изотопа ⁶⁵Zn, измеренное на спектрометре со сложением импульсов.

В комптоновском спектрометре со сложением импульсов удается получить энергетическое разре­шение лучше, чем энергетическое разрешение отдельного сцин­тилляционного счетчика при энергии Е.

Сцинтилляционные парные гамма-спектрометры. Блок-схема и расположение кристаллов парного спектрометра показаны на рис. 2. Коллимированный пучок γ-квантов попадает в цен­тральный кристалл, где в результате эффекта образования пар возникают электрон, позитрон и два фотона с энергией по 0,511 Мэв и углом между направлениями их движения 180°.

Блок-схема парного сцинтилляционного спектро­метра и

его функция отклика для γ -квантов источника ²⁴Na

Рис. 2

С помощью схемы тройных совпадений и линейных ворот с цен­трального сцинтилляционного счетчика отбираются такие им­пульсы, которые сопровождаются импульсами с двух боковых счетчиков.

Эффективность    парного    спектрометра    будет    определяться вероятностью образования пар в центральном кристалле, вероятностью прохождения аннигиляционного излучения через цен­тральный кристалл без взаимодействия и вероятностью регистра­ции аннигиляционных квантов в боковых кристаллах.

Наилучшие условия работы парного спектрометра достигаются в тех случаях, когда исследуемое излучение хорошо коллимировано и не попадает на боковые кристаллы. При этом фон, обус­ловленный случайными совпадениями, оказывается невелик. Размеры центрального и боковых кристаллов выбирают, прини­мая во внимание следующие соображения. Чтобы получить боль­шую эффективность, центральный кристалл выгодно делать доста­точно длинным. С одной стороны, это увеличивает эффективность спектрометра, с другой — уменьшает вероятность ухода элек­тронов и позитронов из кристалла. Напомним, что электроны и позитроны, возникающие при эффекте образования пар, имеют направления, близкие к направлению пучка γ-квантов.

Диаметр центрального кристалла для получения наибольшей эффективности необходимо выбирать как можно меньше, посколь­ку вероятность ухода аннигиляционных квантов из центрального кристалла тем больше, чем меньше его диаметр. Но для спектро­метра более важной характеристикой является его светосила, поэтому диаметр кристалла имеет смысл выбирать из условия получения ее максимальной величины. Светосила парного спек­трометра пропорциональна диаметру коллиматора, т. е. сечению пучка γ-квантов, попадающих на центральный кристалл, и эффек­тивности спектрометра. Оптимальный диаметр центрального кристалла около 30 мм. Однако обычно диаметр центрального кристалла выбирают несколько большего размера (до 40…50 мм) для лучших условий собирания света. Размеры боковых кристаллов парного спектрометра, с одной стороны, выгодно выбирать как можно большими, чтобы увеличить эффек­тивность спектрометра, но, с другой стороны, чем больше раз­меры боковых кристаллов, тем больше регистрируется в них γ-квантов фона, естественной радиоактивности и космического излучения. высоту бокового кристалла нет смысла делать больше 4…5 см. Диаметр бокового кристалла обычно выбирают равным или несколько большим высоты цен­трального кристалла.

Эффективность парного спектрометра с центральным кристал­лом диаметром 50 и высотой 100 мм и боковыми кристаллами диа­метром 100 и высотой 50 мм достигает нескольких процентов при энергии γ-квантов 10 Мэв. В зависимости от энергии γ-квантов эффективность спектрометра ведет себя практически так же, как и сечение образования пар.

Энергетическое разрешение парного спектрометра определяется качеством сцинтилляционного (центрального) счетчика. С помощью парного спектрометра можно разделять достаточно близкие по энергиям γ-кванты, если их энергии немного больше 2m₀с². В парном сцинтилляционном спектрометре в каналах боковых сцинтилляционных счетчиков обычно ставят одноканальные диф­ференциальные анализаторы для выбора импульсов, амплитуды которых соответствуют γ-квантам с энергией 0,2…0,6 Мэв. Это позволяет уменьшить фон случайных совпадений, фон, обусло­вленный многократным рассеянием γ-квантов в трех кристаллах, и наконец, снизить чувствительность парного спектрометра к ней­тронам. На рис. 2 показано амплитудное распределение импульсов, измеренное с помощью парного спектрометра (фон случайных совпадений вычтен) для источника γ-квантов ²⁴Na (γ-кванты с энергиями 1,38 и 2,76 Мэв). Видно, что имеется непре­рывное распределение импульсов, площадь которого составляет от полной около 10 %. Это непрерывное распределение обусло­влено в основном тем, что пробеги электронов и позитронов не всегда укладываются в центральном кристалле. Утечки электро­нов и позитронов происходят главным образом через ближний к фотоумножителю торец кристалла.

Сцинтилляционные гамма-спектрометры с защитой антисов­падениями. Такие гамма-спектрометры являются наиболее совре­менными и эффективными сцинтилляционными спектрометрами. Блок-схема такого спектрометра и расположение кристаллов пока­заны на рис. 3.

Блок-схема сцинтилляционного гамма-спек­трометра

с защитой антисовпадениями

Рис. 3

Коллимированный пучок γ-квантов попадает в центральный кристалл, импульсы с которого направляются на амплитудный анализатор при условии отсутствия импульсов с боковых кристаллов. Если бы боковые кристаллы регистриро­вали все рассеянные γ-кванты, выходящие из центрального кри­сталла, то аппаратурная форма линии такого спектрометра пред­ставляла бы собой пик полного поглощения. Как видно из рисунка, добиться 100 %-ной вероятности регистрации рассеян­ных γ-квантов практически невозможно. Но боковые кристаллы значительно снижают непрерывное комптоновское распределение. На рис. 3 показаны аппаратурные формы линий спектро­метра с включенным управлением антисовпадениями и без него. Эффективность спектрометра определяется эффективным фото­вкладом, а энергетическое разрешение — качеством центрального сцинтилляционного счетчика. Один из таких спектрометров с очень хорошими параметрами описан ниже. Центральный кристалл спектрометра диаметром 60 и длиной 150 мм располагается в цилиндрическом отверстии большого кристалла диаметром 200 и длиной 300 мм. На небольшом расстоянии от центрального кристалла расположен третий кристалл диаметром 125 и толщи­ной 100 мм. Третий кристалл также включен на антисовпадения с центральным кристаллом. Этот кристалл необходим для реги­страции γ-квантов, рассеянных на малые углы в центральном кристалле, и для регистрации тормозного излучения, рождае­мого электронами и позитронами в центральном кристалле. Для описанного спектрометра энергетическое разрешение составляло 8,3 % при энергии γ-квантов 0,66 Мэв. Эффективность спектро­метра изменяется от 100 % при энергии γ-квантов в несколько сот килоэлектронвольт до 4 % при энергии γ-квантов 10 Мэв. В спектрометрах с защитой антисовпадениями размеры боковых кристаллов не могут быть очень большими, поскольку загрузка фоновыми импульсами растет пропорционально объему кри­сталлов.

Магнитные гамма-спектрометры. По сути дела любой γ-спектрометр можно использовать для измерения энергии γ-квантов по электронам отдачи, если в месте располо­жения γ-источника поместить радиатор и направить на него пучок γ-квантов. В результате взаимодействия фотонов с электронами из радиатора будут вылетать электроны, энергия которых связана с энергией γ-квантов. Исследуя спектр таких электронов, можно определить спектр γ-квантов. При таких измерениях возникает целый ряд требований к формированию пучка γ-квантов, толщине радиатора и его составу, защите спектрометра и т.д. Эти требования и определяют светосилу и энергетическое разрешение магнитного гамма-спектрометра. Известно много различных магнитных спектрометров, которые можно разделить на три большие группы:

1) фотоспектрометры;

2) комптоновские;

3) парные спектрометры.

Наилучшими свойствами обладают комптоновские спектрометры.

Комптоновские магнитные спектрометры. Энергетическое разрешение комптоновского спектрометра, обусловленное геометрией прибора, можно записать в первом приближении по аналогии с магнитным β-спектрометром.Энергетическое разрешение будет зависеть и от толщины радиатора. Действительно, электроны могут быть образованы γ-квантами на различных расстояниях от поверхности радиатора, и поэтому электроны, проходя различные пути в конверторе, теряют различную энергию. Относительные флуктуации энергии электронов, обусловленные потерями энергии в радиаторе, растут с уменьшением энергии. При хороших энергетических разрешениях радиатор должен быть очень тонким.

Парный магнитный спектрометр. Коллимированный пучок γ-квантов попадает на радиатор с большим атомным номером (часто используют золото), где сечение образования электрон-позитронных пар велико. Радиатор помещен в однородное магнитное поле. Электрон и позитрон, возникающие в результате эффекта образования пар, в магнитном поле отклоняются в противоположных направлениях и регистрируются счетчиками. Для анализа по энергиям используют обычно полукруговую фокусировку, т.е. счетчики расположены в одной плоскости с радиатором. При эффекте образования пар энергии электронов и позитронов распределены практически равновероятно.

Лекция "5. Вибрация" также может быть Вам полезна.

Полупроводниковая гамма-спектрометрия. В настоящее время наиболее перспективными полупроводниковыми спектрометрами для γ-квантов являются Ge(Li)-спектрометры, чувствительные объемы которых уже достигают нескольких сотен кубических сантиметров. Энергетическое разрешение в лучших спектрометрах составляет примерно 2…5 кэВ в области энергий до 3 Мэв. Эффективность полупроводниковых спектрометров определяется чувствительным объемом детектора.

Основной недостаток полупроводниковых спектрометров – это сложная форма амплитудного распределения при регистрации моноэнергетического излучения. В связи с этим для улучшения формы линии используют Ge(Li)-спектрометр, работающий в совпадении или антисовпадении с кристаллами NaJ(Tl) больших объемов. Коаксиальный Ge(Li)-спектрометр объемом 30 см³ (площадь 7,5 см²) помещается внутрь цилиндрических кристаллов NaJ(Tl), Детектор работает при температуре 77 °К, рабочее напряжение 900 в, емкость 42 пф. Энер­гетическое разрешение спектрометра по пику полного поглощения (или парному пику) составляет около 0,5 % при энергии γ-квантов 1 Мэв (ширина пика примерно 5 кэв) и около 0,2 % при энергии γ-квантов 7 Мэв. При энергиях γ-квантов выше 2 Мэв оказывается выгодным режим работы парного спектрометра (совпадения импульса с Ge(Li)-спектрометра с двумя импульсами с кристаллов NaJ(Tl), обусловленных аннигиляционным излучением). В этом случае функция отклика близка к идеальной.

В заключение сравним характеристики различных спектрометров.

Наибольшей эффективностью обладают сцинтилляционные спектрометры. К ним близки по эффективности полупроводниковые спектрометры. В этих приборах нет необходимости в значительном удалении источников от детекторов. С учетом необходимой коллимации излучения в спектрометрах совпадений и антисовпадений можно определить их светосилу. Для коллимации пучка γ-квантов в этих случаях обычно достаточны коллиматоры с углом 1,0…2,5°. Светосила сцинтилляционных и полупроводниковых спектрометров на несколько порядков выше светосилы магнитных и кристалл-дифракционных спектрометров.

В области низких энергий γ-квантов с точки зрения энергетического разрешения наилучшими являются кристалл-дифракционные спектрометры. Причем чем ниже энергия γ-квантов, тем очевиднее их преимущества. В области энергий выше нескольких сот киловольт в широком диапазоне энергии преимущества на стороне полупроводниковых спектрометров.

Магнитные гамма-спектрометры, значительно уступая полупроводниковым в светосиле, имеют и преимущества: возможность абсолютных измерений энергии γ-квантов и лучшая функция отклика.