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
(а) - комптоновский спектрометр; (б) - спектрометр со сложением импульсов; (в) - функция отклика комптоновского спектрометра (пунктир) и спектрометра со сложением импульсов (сплошная линия) (в). СС — схема совпадений; Σ —схема сложения амплитуд импульсов; ЛВ — линейные ворота; А — анализатор. |
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 ΔЕе/Ее, 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
Спектр амплитуд импульсов γ-квантов с энергией 7,38 Мэв без антисовпадений и с антисовпадениями (пунктир). АС—схема антисовпадений. |
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.