М.И. Афанасов и др. - Основы радиохимии и радиоэкологии (Практикум) (2016) (1133852), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

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 еѐ, и, следовательно, даже при регистрации моноэнергетического излучения навыходе детектора формируются импульсы различной амплитуды.При фотоэффекте вся энергия –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 –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28кэВ.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 формируют непрерывную часть спектра (комптоновский континуум), лежащую левее пикаполного поглощения энергии. Граница этого распределения соответствует максимальной энергии комптон-электронов: Eγ∙[1+(511/2Eγ)]−1 (кэВ).В спектре радионуклидов, испускающих высокоэнергетические кванты, могутнаблюдаться, 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. Этот пик частоназывают фотопиком, подчеркивая тем самым, что его появление определяется фотопоглощением как первичных, так и части вторичных квантов.

Чем больше кристалл, тем выше вероятность поглощения вторичных квантов и, следовательно, больше относительная интенсивность фотопика в аппаратурном спектре.Представленные выше механизмы взаимодействия γ-квантов с веществом являются общими для всех типов электромагнитного излучения сверхвысокой частоты, в томчисле характеристического рентгеновского, аннигиляционного и тормозного. Поэтому регистрация и определение энергии, например, рентгеновских квантов основанына тех же принципах, что и гамма-спектрометрия.

В этой связи следует отметить, чторадиоактивный распад может инициировать не только γ-излучение, но и характеристическое рентгеновское. Во многих случаях энергия возбуждения ядра передаетсянепосредственно электрону, например, К-оболочки, который покидает атом (процессвнутренней конверсии). При последующей перестройке электронной системы испус-26каются рентгеновские кванты и электроны Оже. Подобный «внутренний фотоэффект» вызывает также распад ядра путем электронного захвата. В спектрах радионуклидов часто наблюдаются пики полного поглощения энергии «конверсионного»рентгеновского излучения (см.

табл. 3.1).Гамма-спектрометр состоит из детектора, линейного усилителя и амплитудноцифрового преобразователя (АЦП), связанного с персональным компьютером. Исследуемый диапазон амплитуд разбивается на n (например, 1024 или 4096) равныхучастков (каналов), каждому из которых присваивается порядковый номер. Амплитуда сигналов, поступающих навход АЦП, измеряется, ив каждый канал попадают соответствующие емуимпульсы с амплитудойv1v1, v2v2,… vnvn,которая зависит от поглощенной кристалломэнергииE1Е1,E2Е2,… EnЕn. Числоимпульсов, аккумулиро60ванных в каждом каналеРис. 3.1.

Спектры Co, полученные с помощьюза время измерения t,полупроводникового (HPGe) иподсчитывается и в ресцинтилляционного (NaI) детекторовзультате получается аппаратурный спектр. Онпредставляет собой дискретное распределение, по оси абсцисс которого отложеныномера каналов (амплитуды сигналов, энергия Еγ), а по оси ординат – число накопленных в каналах импульсов (рис. 3.1). В дальнейшем эта гистограмма аппроксимируется плавной кривой с использованием той или иной математической модели,например, функции Гаусса.Для того чтобы соотнести номера каналов значениям энергии γ-квантов, проводяткалибровку спектрометра по энергии. С этой целью набирают спектры несколькихстандартных источников и в каждом спектре определяют номера каналов, отвечающие центрам пиков полного поглощения.

Этим каналам присваивают соответствующие табличные значения Еγ (или ЕХ) и проводят линейную аппроксимацию зависимости энергии от номера канала спектрометра n:E = a +bn(3.3).Важной характеристикой детекторов, применяемых для спектрометрии излучений,является их относительное энергетическое (амплитудное) разрешение - отношениеширины фотопика на его полувысоте (W) к энергии кванта Еγ, соответствующей этому пику. Чем меньше значение W/Еγ, тем лучше разрешены линии аппаратурногоспектра (см. рис.

3.1).Ширина пика W отражает флуктуацию амплитуд сигналов на выходе детектора,обусловленную, главным образом, статистическим разбросом числа носителей заряда(ne). Чем больше образуется носителей заряда, тем меньше (по закону Пуассона) от27носительное среднеквадратичное отклонение δ=1/(ne)½ и лучше амплитудное разрешение. Статистические колебания амплитуд выходного импульса сцинтилляционного детектора обусловлены флуктуациями весьма небольшого числа электронов, выбитых с фотокатода и приходящих на первый динод ФЭУ, а полупроводникового –большого числа пар электрон-вакансия. Например, при поглощении в кристалле NaIэнергии Еγ=600 кэВ на первый динод попадает менее 200 электронов, что дает ~7%разброс в величине выходного импульса.

При поглощении γ-кванта такой же энергиив кристалле германия образуется ~ 200000 носителей заряда, что в конечном счетепредопределяет значительно лучшее относительное энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов (W/Еγ=0,0030,009 в диапазоне 1000100 кэВ) по сравнению со сцинтилляционными (0,060,1).Площадь пика полного поглощения энергии гамма-кванта.В спектре исследуемого источника определяют положение (энергию E,i) фотопиков и их площадь (интенсивность) - общее число импульсов, обусловленных процессом полного поглощения энергии γ-кванта E,i и накопленных в единицу времени вканалах спектрометра, соответствующих этим пикам. Спектры нуклидов содержат,как правило, несколько пиков ППЭ и соответствующие этим пикам комптоновские континуумы, а также фоновую составляющую. Поэтомуфотопик находится на «пьедестале», сформированном импульсами, в основном, комптоновскихэлектронов, а также фона (см.

рис. 3.1 и рис. 3.2).Для определения истинной площади пика ППЭнеобходимо вычесть из общего числа импульсов,накопленных на рассматриваемом участке спектра(Iƒ+b), ту их часть, которая образует «пьедестал»(Ib). Современные спектрометры имеют программное обеспечение, позволяющее найти границы пиков ППЭ и рассчитать их интенсивность.Вместе с тем, во многих случаях может быть полезна предварительная визуальная оценка истинойплощади пика ППЭ, рекомендованная, например,в работе [5] (рис. 3.2).

Пусть Ip - скорость счета вРис. 3.2. Определение площадиодном из m каналов непосредственно под пиком,пика ППЭ [4]; пояснения вIbi и Ibj – скорости счета в одном из k каналов слетекстева и справа от пика, соответственно. Предполагается, что распределение импульсов «пьедестала»не содержит каких-либо максимумов, замаскированных фотопиком. Тогда истиннаяплощадь пика (Iƒ) будет равна:mIf p 1kIp km( I b ,i   I b , j )2k i1j 1(3.4).Длительность набора спектров определяется требуемой величиной дисперсии измеряемой площади пика ППЭ (ζ2Iƒ = Iƒ+Ib[(m/2k)+1]).

Характеристики

Список файлов книги