М.И. Афанасов и др. - Основы радиохимии и радиоэкологии (Практикум) (2008) (1133848), страница 7
Текст из файла (страница 7)
≤ Eγ·[1+(511/2Eγ)]−1. Число фотонов, проходящих через поглотитель при регистрации γ-излучения, велико и энергетическое распределение комптон-электронов в указанных границах является фактически непрерывным.Вероятность комптоновского рассеяния (σ) растет при уменьшении Eγ и при увеличении Z облучаемого вещества, но зависимости более плавные, чем в случае фотоэффекта: в первом приближении, σ ∝ Z/Eγ. В большинстве поглотителей комптоновское рассеяние является основным первичным процессом взаимодействия для фотонов средних и высоких энергий, а при небольших Z – и для мягких γ–квантов.Образование пар электрон-позитрон – взаимодействие высокоэнергетических γквантов с полем ядер, приводящее к исчезновению квантов и образованию заряженных частиц.
Пороговая энергия процесса равна удвоенной энергии массы покоя электрона (1022 кэВ), а кинетическая энергия частиц Ee- = Ee+= (Eγ−1022)/2. Последующая аннигиляция позитрона приводит к появлению двух квантов с энергией по 511кэВ каждый, которые, в свою очередь, могут поглотиться веществом по механизмуфотоэффекта или рассеяться на электронах. Вероятность образования пар (χ) пропорциональна Z2 и растет с увеличением Eγ. Значение χ сравнительно велико лишь дляфотонов с энергией более 4000 кэВ, а в диапазоне 1022<Eγ<2000 кэВ во много разменьше сечения комптоновского рассеяния.Экспоненциальный закон ослабления и проникающая способность γ-излучения.Описанные выше процессы приводят к ослаблению потока γ-излучения: уменьшение числа γ-квантов из параллельного пучка, падающего перпендикулярно поверхности поглотителя, подчиняется экспоненциальному закону23Nl = N0 exp(−μ/l)(3.1),где N0 и Nl – числа γ-квантов, падающих на поглотитель и прошедших сквозь него, соответственно, l – толщина поглотителя в см, μ/- коэффициент ослабления в см−1.Коэффициент ослабления μ/ зависит от химического состава поглотителя и энергииγ-квантов (табл.
П.5). Он характеризует полную вероятность взаимодействия фотонного излучения с веществом и равен сумме коэффициентов ослабления за счет фотопоглощения (τ/), комптоновского рассеяния (σ/) и образования пар (χ/):μ/ = (τ + σ + χ)·10-24 · na = τ/ + σ/ + χ/(3.2),где τ, σ, χ - сечения основных процессов потерь энергии (в см2), na – число атомов в 1 см3облучаемого материала.Если толщина поглотителя, имеющего плотность ρ (г/см3), выражена в г/см2, то дляоценки ослабления потока используют массовый коэффициент μ = μ//ρ (см2/г).Фотоны не имеют определенного пробега в веществе и экспоненциальный законослабления потока (3.1) выполняется при любом значении l.
Для характеристики проникающей способности γ-излучения используют значение 1/μ/ (средняя глубинапроникновения фотонов в данный материал) или толщину поглотителя, ослабляющего поток в 2 раза (l1/2=ln2/μ/). Следует отметить, что значение l1/2 для потока квантов сэнергией Eγ в сотни раз больше слоя половинного ослабления потока электронов,имеющих кинетическую энергию Екин.= Eγ.Ионизация среды.Число заряженных частиц, образующихся непосредственно в первичных процессахпередачи энергии, относительно невелико. Ионизирующее действие γ–излучения определяется, в основном, неупругими взаимодействиями фото-, комптоновских иэлектронов (позитронов) пар с атомами облучаемого материала: практически вся кинетическая энергия этих частиц расходуется на ионизацию и/или возбуждение атомовпоглотителя.
Вместе с тем, движение электронов через вещество всегда сопровождается электромагнитным тормозным излучением. Доля потерь на тормозное излучение увеличивается с ростом кинетической энергии частиц (Eкин) и атомного номерапоглотителя Z. В кристаллах сцинтилляционных (Zэфф=32 для NaI) и полупроводниковых (Z=32 для Ge) детекторов эти потери составляют лишь 2-3% для высокоэнергетических электронов (Eкин = 2000÷3000 кэВ) и пренебрежимо малы в случае Eкин<1000кэВ.
В гамма-спектрометрии потери на тормозное излучение обычно не учитываются.3.1.2. Процессы преобразования энергии гамма-квантов в детекторахВ настоящее время для спектрометрии γ-излучения используют детекторы двухтипов: сцинтилляционные и полупроводниковые.Сцинтилляционные детекторы представляют собой кристалл-сцинтиллятор, оптически связанный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Чаще всего в качествесцинтиллятора используется монокристалл иодида натрия, активированный таллиемNaI(Tl); применяют также кристаллы CsI(Tl) и Bi4Ge3O12.Электроны (позитроны), появляющиеся при прохождении потока γ-квантов черезкристалл, ионизируют и/или возбуждают большое число атомов. Максимальный пробег этих частиц, как правило, заведомо меньше размеров кристалла и практическився кинетическая энергия передается сцинтиллятору(∗).
Основная часть энергии воз(∗)Без учета потерь на тормозное излучение.24буждения трансформируется в тепловую, часть – высвечивается: число световых фотонов составляет в среднем 10÷100 на 1 кэВ поглощенной энергии γ-излучения. Приэтом доля энергии возбуждения, преобразуемой в световые импульсы, – величинапостоянная для данного кристалла. Поэтому число фотонов, составляющих отдельную сцинтилляцию, пропорционально кинетической энергии заряженных частиц, т.е.доле энергии γ-кванта, переданной кристаллу.Вспышки света, попадая на фотокатод ФЭУ, вызывают эмиссию электронов, которые в электрическом поле ускоряются и попадают на первый динод.
Поток электронов, проходя систему динодов, увеличивается лавинообразно примерно в 105÷107 раз,и электрический импульс с анода ФЭУ поступает в регистрирующую аппаратуру. Заряд, приносимый лавиной на анод, пропорционален числу электронов, выбитых с фотокатода, которое, в свою очередь, определяется интенсивностью световых вспышек.Таким образом, амплитуды сигналов на выходе ФЭУ пропорциональны энергии, передаваемой γ-квантами атомам сцинтиллятора в первичных процессах.Развитие электронной лавины и формирование сигнала на аноде ФЭУ занимает−910 ÷10−8с.
Этот период меньше времени высвечивания фотонов неорганическимикристаллами (в случае NaI(Tl) ~2·10−7 с), которое определяет разрешающее времясцинтилляционных детекторов (см. стр.6).Действие полупроводниковых детекторов основано на ионизации рабочего вещества детектора (монокристалл кремния или сверхчистого германия) заряженными частицами, появляющимися при его γ-облучении. Средняя энергия, затрачиваемая наобразование одной пары электрон-вакансия, составляет 2,9 и 3,8 эВ для германия икремния, соответственно.
Электроны (позитроны) при торможении внутри рабочегообъема детектора создают большое число свободных носителей заряда (пар электрон– вакансия), которые под действием приложенного напряжения движутся к электродам. В результате во внешней цепи детектора возникает электрический импульс, пропорциональный поглощенной энергии γ-кванта. Этот сигнал затем усиливается ирегистрируется.Большая подвижность носителей заряда в Ge и Si позволяет собрать заряд за время примерно 10−8−10−7с, что обеспечивает высокое временное разрешение полупроводниковых детекторов. Эти детекторы (как и сцинтилляционные) позволяют регистрировать высокие скорости счета без поправки на разрешающее время τ (см. стр.6).3.1.3. Аппаратурный спектрАмплитуда сигнала детектора, как отмечалось выше, определяется поглощеннойкристаллом кинетической энергией заряженных частиц, появляющихся в результатепервичных процессов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.
Вэтих процессах γ-кванты могут передать кристаллу либо всю энергию, либо толькочасть её, и, следовательно, даже при регистрации моноэнергетического излучения навыходе детектора формируются импульсы различной амплитуды.При фотоэффекте вся энергия γ–кванта расходуется на удаление из атома, как правило, К-электрона.
Возбужденный атом переходит в основное состояние, испускаякванты характеристического рентгеновского излучения EX или оже-электроны. Процесс перестройки электронной оболочки завершаются примерно через 10−14с послепоглощения первичного фотона. К этому моменту энергия исходного γ–кванта (сумма25кинетической энергии фотоэлектрона и энергии возбуждения электронной системыатома) поглощается в локальной области кристалла, размер которой определяется илимаксимальным пробегом (Rmax) выбитых электронов, или (при фотопоглощении низкоэнергетических γ-квантов) – проникающей способностью характеристического излучения.
Например, значения Rmax для высокоэнергетических электронов (500 кэВ <Eф < 3000 кэВ) в кристаллах NaI и Ge составляют от ~ 0,8 до ~7 мм, а для электроновEф=100 кэВ − 0,06 мм. Пробег оже-электронов во много раз меньше. В то же времядля поглощения 99% потока рентгеновских квантов (EX ≤ 28 кэВ) необходим слойвещества ~ 0,5 мм.Таким образом, при фотопоглощении γ-кванта амплитуда импульса пропорциональна энергии Еγ, и в аппаратурном спектре появляется максимум – пик полного поглощения энергии (ППЭ).
Вылет рентгеновских квантов за пределы кристалла можетпривести к асимметрии пика ППЭ или к появлению дополнительного максимума. Например, для йода EX≈28 кэВ и в аппаратурном спектре детектора с тонким кристаллом NaI(Tl) может наблюдаться «пик вылета», отвечающий энергии ЕПВ ≈ Eγ−28 кэВ.При комптоновском взаимодействии доля энергии, которая остается у рассеянногокванта Eγ′, в каждом случае различна и относительно велика. Если рассеянные квантывылетают за пределы кристалла, то при каждом взаимодействии детектору передаетсяразличная доля энергии первичного кванта (Eкомпт.=Eγ−Eγ′).
Такие события формируютнепрерывную часть спектра (комптоновский континуум), лежащую левее пика полного поглощения энергии. Граница этого распределения соответствует максимальнойэнергии комптон-электронов: Eγ·[1+(511/2Eγ)]−1 (кэВ).В спектре радионуклидов, испускающих высокоэнергетические кванты, могут наблюдаться, в дополнение к пику ППЭ и комптоновскому континууму, максимумы,соответствующие вылету за пределы кристалла одного или двух аннигиляционныхквантов (Eγ−511 кэВ или Eγ−1022 кэВ).Необходимо отметить, что не только непосредственно фотоэффект, но и совокупность первичных процессов может привести к полному поглощению энергии квантаЕγ в кристалле. Например, рассеянный комптоновский квант Eγ′ может поглотиться помеханизму фотоэффекта. Так как перемещение комптон-электрона и фотопоглощениеэтого вторичного кванта в кристалле происходит практически одновременно, на выходе детектора формируется один результирующий импульс, который пропорционален энергии Еγ и вносит вклад в пик полного поглощения энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
