Компьютерная гамма - спектрометрия 3 (без пластмассы) (1181124)

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

Текст из файла

Работа 5.5.КОМПЬЮТЕРНАЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННАЯ - СПЕКТРОМЕТРИЯРедакция 4 сентября 2015 годаОсновная задача спектрометрических измерений заключается в определении энергии, интенсивности дискретных гамма-линий от различных гаммаисточников и их идентификации. В настоящее время используются различные типы гамма-детекторов: полупроводниковые, сцинтилляционные, пластиковые, жидкостные, газовые и т.д. Они существенно отличаются как посвоим спектрометрическим свойствам, так по эксплуатационным характеристикам и по технологии и стоимости изготовления.В данной работе исследуются сцинтилляционные гамма-спектрометры наоснове неорганического кристалла NaI(Tl) и органической сцинтиллирующейпластмассы.При прохождении гамма-квантов через материальную среду образуютсяэлектроны, возникающие за счет фотоэффекта, комптоновского рассеяния ирождения электрон-позитронных пар.

Теоретическое описание взаимодействия гамма-квантов с веществом для этих эффектов подробно разобрано вглаве V учебного пособия: Игошин Ф.Ф., Самарский Ю.А., Ципенюк Ю.М.Лабораторный практикум по общей физике. Квантовая физика –М.:Физматкнига, 2012. Образующиеся при этих процессах электроны испытывают большое количество неупругих соударений с молекулами и атомамисреды.

Неупругие соударения могут сопровождаться как ионизацией, так ивозбуждением молекул или атомов среды. В промежуточных же стадиях (припереходах возбужденных молекул или атомов в основное состояние, прирекомбинации электрических зарядов и т.п.) в веществе возникают кванты света различных длин волн, присущих данному веществу. Процесс возникновения световых вспышек в различных сцинтилляторах подробно разобран в Приложении II (пункты 2 и 3).Вообще говоря, возникающее излучение должно сильно поглощаться всцинтилляторе, так как его энергия в точности равна энергии возбужденияатомов среды.

Чтобы избежать этого явления, в кристаллы сцинтилляторавводят небольшие добавки других атомов (в случае кристалла NaI это атомыталлия). При этом спектр поглощения сдвигается относительно спектраиспускания в сторону меньших длин волн, и увеличивается вероятностьвыхода из вещества хотя бы некоторой части квантов света, отвечающихдлинноволновому краю спектра испускания. В этом случае прохождениеионизирующей частицы через вещество будет сопровождаться световойвспышкой, которая и может быть использована для регистрации частицы.1Широкое применение сцинтилляционный метод исследования излученийнашел после того, как были изобретены и усовершенствованы фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать весьма малые по длительности и очень слабые по интенсивности вспышки света.

Таким образом,современный сцинтилляционный счетчик состоит, в принципе, из сцинтиллятора — вещества, способного испускать видимое или ультрафиолетовое излучение, возникающее под действием заряженных частиц, и фотоэлектронногоумножителя, в котором энергия этих световых вспышек через посредствофотоэффекта преобразуется в импульсы электрического тока.Процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом.Основными процессами взаимодействия гамма-излучения с веществомявляются, как было выше указано, фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар.

Каждый из этих процессов вносит свойвклад в образование наблюдаемого спектра.Фотоэффект – процесс взаимодействия гамма-кванта с электроном, связанным с атомом, при котором электрону передается вся энергия гаммакванта. При этом электрону сообщается кинетическая энергия Те = Еγ – Ii, гдеЕγ – энергия гамма-кванта, Ii – потенциал ионизации i-той оболочки атома.Фотоэффект особенно существенен для тяжелых веществ, где он идет с заметной вероятностью даже при высоких энергиях гамма-квантов. В легкихвеществах фотоэффект становится заметен лишь при относительно небольших энергиях гамма-квантов. Наряду с фотоэффектом, при котором вся энергия гамма-кванта передается атомному электрону, взаимодействие гаммаизлучения со средой может приводить к его рассеянию, т.е.

отклонению отпервоначального направления распространения на некоторый угол.Эффект Комптона – упругое рассеяние фотона на свободном электроне,сопровождающееся изменением длины волны фотона (реально этот процесспроисходит на слабо связанных с атомом внешних электронах). Максимальная энергия образующихся комптоновских электронов соответствует рассеянию гамма-квантов на 180о и равнаE max .mc 212(1)Процесс образования электрон-позитронных пар. При достаточно высокой энергии гамма-кванта наряду с фотоэффектом и эффектом Комптонаможет происходить третий вид взаимодействия гамма-квантов с веществом –образование электрон-позитронных пар. Процесс образования пар не можетпроисходить в пустоте, так как в этом случае не выполняются законы сохранения энергии и импульса.

В присутствии ядра или электрона процесс образования пары гамма-квантом возможен, так как можно распределить энергиюи импульс гамма-кванта между тремя частицами без противоречия с закона2ми сохранения. При этом если процесс образования пары идет в кулоновскомполе ядра или протона, то энергия образующегося ядра отдачи оказываетсявесьма малой, так что пороговая энергия гамма-кванта E0, необходимая дляобразования пары, практически совпадает с удвоенной энергией покоя электрона Е0  2mc2 =1,022 МэВ.Появившийся в результате процесса образования пар электрон теряетсвою энергию на ионизацию среды.

Таким образом, вся энергия электронаостается в детекторе. Позитрон будет двигаться до тех пор, пока практически не остановится, а затем аннигилирует с электроном среды, в результатечего появятся два гамма-кванта. Т.е., кинетическая энергия позитрона такжеостанется в детекторе. Далее возможны три варианта развития событий:а) оба родившихся гамма-кванта не вылетают из детектора, и тогда всяэнергия первичного гамма-кванта останется в детекторе, а в спектре появитсяпик с Е = Е;б) один из родившихся гамма-квантов покидает детектор, и в спектре появляется пик, соответствующий энергии Е = ЕE0, где Е0= mc2 =511 кэВ;в) оба родившихся гамма-кванта покидают детектор, и в спектре появляется пик, соответствующий энергии Е = ЕE0, где 2Е0= 2mc2 =1022 кэВ.Таким образом, любой спектр, получаемый с помощью гаммаспектрометра, описывается несколькими компонентами, каждая из которыхсвязана с определенным физическим процессом.

Как описано выше, основными физическими процессами взаимодействия гамма-квантов с веществомявляются фотоэффект, эффект Комптона и образование электронпозитронных пар, и каждый из них вносит свой вклад в образование спектра.Помимо этих процессов, добавляются экспонента, связанная с наличиемфона, пик характеристического излучения, возникающий при взаимодействии гамма-квантов с окружающим веществом, а также пик обратного рассеяния, образующийся при энергии квантов Еγ >> mc2/2 в результате рассеяниягамма-квантов на большие углы на материалах конструктивных элементовдетектора и защиты.

Положение пика обратного рассеяния определяется поформуле:EЕобр ,(2)212Emcгде Е – энергия фотопика.http://mephi.ru/content/news/1810/31483/ На рис.1 при-веден в качестве примера спектр, полученный при регистрации сцинтилляционным гамма-спектрометром гамма-квантов, излучаемых радиоактивными60Co.3Рис.1. Спектр 60Со60и схема его распада.При бета-распаде Со образуется радиоактивный 60Ni в возбужденныхсостояниях с энергиями 2,505 МэВ либо 1,332 МэВ. Распад высокоэнергетичного состояния происходит преимущественно на первый возбужденныйуровень и при этом испускается гамма-квант с энергией 1,173 МэВ.

На этомрисунке видны два фотопика, соответствующие этим квантам. Кроме того,наблюдается непрерывное комптоновское излучение, пик обратного рассеяния и характеристическое излучение из свинца, служащего защитой детектора от космического излучения.На рис. 2 приведен еще один спектр, зарегистрированный от радиоактивного изотопа 137Cs, который является источником гамма-квантов с энергией661,7 кэВ. На этом спектре сплошными линиями показаны пик полного поглощения, обусловленный фотоэффектом, пик характеристического излучения, пик обратного рассеяния, и экспоненциальный фон.На рис. 3 приведен спектр, полученный от радиоактивного изотопа 22Na.Источник 22Na кроме -излучения испускает позитроны, которые при аннигиляции с электронами дают в спектре резкий аннигиляционный пик, соответствующий энергии 511 кэВ.

В спектре этого источника есть также гаммакванты с энергией 1,275 МэВ.4Рис. 2. Спектр 137Cs и содержащиеся в нем компоненты.Рис. 3. Спектр 22Na.5Энергетическое разрешение спектрометра. Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмникасцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано:1) со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления,2) с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора,3)с разбросомвысвечиваемогочислафотонов.В результатев набранномспектрелиния(которая для идеального детекторапредставляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, её часто описываютгауссианом.Энергетическим разрешением спектрометра называется величинаRi Ei,Ei(3)где Ei – ширина пика полного поглощения, измеренная на половине высоты, Ei – энергия регистрируемого  - излучения.

Значение Ei пропорционально среднему числу фотонов ni на выходе ФЭУ, т.е.:Ei   ni .(4)Полуширина пика полного поглощения Ei пропорциональна среднеквадратичной флуктуации ni . Т.к. ni является дискретной случайной величиной, которая распределена по закону Пуассона, то ni  niEi   ni   ni .и поэтому(5)Из (4), (5) получаем, чтоRi Ei const.EiEi(6)Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии, его следует указывать для конкретной энергии.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы