Общие характеристики спектрометров ядерпого излучения

В задачи спектрометрии ядерных излучений входят установление распределения, но энергии частиц испускаемых радиоактивными источниками, идентификация радионуклидов и определение активности каждого из них, часто — на фоне всех остальных. В связи с этим детектор излучения должен обладать хорошей линейностью преобразования «энергия — амплитуда импульса».

По сравнению с радиометром, схема которого изображена на рис. 23.1, спектрометр имеет в своем составе дополнительный узел — многоканальный анализатор импульсов, модификацию дифференциального дискриминатора. Простейший многоканальный анализатор состоит из нескольких интегральных дискриминаторов, пороги которых последовательно возрастают на некоторую величину и могут регулироваться в интересующем интервале амплитуд импульсов. Каждая пара соседних дискриминаторов включается в схему совпадений, благодаря чему импульс регистрируется только в канале, расположенном между дискриминаторами, один из которых пропускает импульс, а другой нет. Многоканальный анализатор должен обладать линейностью преобразования «амплитуда импульса — номер канала».

Наиболее важными характеристиками любого спектрометра (помимо его эффективности, зависящей от энергии частиц) являются следующие величины:

• а) разрешающая способность — отношение полной ширины спектральной линии на ее полувысоте к энергии частицы;
• б) форма линии — распределение амплитуд импульсов на выходе детектора при фиксированной энергии попадающих в него частиц; форма линии зависит как от типа детектора, так и от вида излучения;
• в) цена канала — отношение энергии спектральной линии к номеру канала, в котором она наблюдается. Для определения цены канала (энергетической калибровки) необходимо иметь, по крайней мере, два излучателя с разными энергиями. Получив их спектры, определяют каналы анализатора, отвечающие максимумам пиков, и устанавливают зависимость между номером канала и энергией частицы.² После калибровки положения максимумов пиков будут пропорциональны энергии частиц, а площади пиков — общему числу зарегистрированных частиц с данной энергией.^[1][2]

Для многих сцинтилляционных детекторов в широком диапазоне энергий регистрируемых частиц наблюдается пропорциональность между световым выходом и поглощенной энергией. Эта пропорциональность положена в основу работы сцинтилляционных спектрометров. Однако чаще в спектрометрии ядерного излучения используются ППД (п. 22.3). Основное ограничение на разрешающую способность ППД накладывают флуктуации числа электроннодырочных пар, образованных заряженной частицей или у-квантом.

23.6. «-Спектрометрия применяется для измерения активности каждого из а-излучателей при совместном присутствии их в исследуемом источнике, часто — без предварительного разделения. Интенсивности линий спектра (см. рис. 7.2) пропорциональны активности соответствующих им радионуклидов. Чувствительность метода достигает 10 ³ Бк, т. е. с его помощью можно обнаружить, например, всего 10^х атомов ²²⁶Ra.

Спектральное разрешение, т. е. чувствительность сигнала к изменению энергии а-частиц, определяется двумя факторами: а) свойствами детектора и (в меньшей степени) электронных схем усиления сигнала и б) потерями энергии а-частицы на ионизацию по пути в чувствительный объем детектора. Для планарных поверхностно-барьерных кремниевых ППД разрешение составляет около 25 кэВ (0,5% от средней энергии а-частицы). Это значит, что частицы с энергиями, отличающимися на меньшую величину, будут давать общий пик. Поэтому, например, изотопы плутония ² ru и ²⁴⁰Ри, для которых разница в энергиях между наиболее интенсивными линиями в спектре составляет 11 кэВ, не могут быть определены раздельно. Если излучатели не являются изотопами одного элемента, прибегают к их предварительному химическому разделению.

Торможение а-частиц в источнике приводит к резким изменениям их энергии и, следовательно, ухудшает разрешение. Поэтому необходимо использовать для анализа очень тонкие образцы. Для уменьшения потерь энергии на ионизацию воздуха источник и детектор а-частиц помещают в камеру, которая должна откачиваться до остаточного давления ~10 Па.

23.7. р-Спектрометрия. Основная трудность при анализе Р-спектров связана с их непрерывностью (ПРИЛОЖЕНИЕ Е). Во многих случаях форма спектра хорошо описывается уравнением (Е.2). Тогда для анализа удобно преобразовать спектр в график Ферми, на котором по оси абсцисс откладывается кинетическая энергия р-частицы Т_е, а по оси ординат — величина.

Как следует из (Е.2), график Ферми отдельного радионуклида будет представлять собой прямую линию, упирающуюся в ось абсцисс в точке Ец. По значению Ец идентифицируют радионуклид и вычитают из общего спектра соответствующий частный спектр. Таким образом, используя график Ферми несколько раз, можно разделить сложный спектр на простые составляющие и оценить вклад каждой из них. Описанная процедура осуществима при условии, что энергии Ец радионуклидов существенно различаются. Например, ⁹⁰Y {Ер = 2,27 МэВ), являющийся продуктом распада ^uSr, хорошо определяется на фоне природного ⁴⁰К {Ер = 1,314 МэВ). В случае малой разницы Ер для идентификации радионуклидов (особенно со сложной схемой р-распада) предпочтительнее использовать спектры электронов конверсии.

Для регистрации Р-частиц и конверсионных электронов чаще всего используют поверхностно-барьерные кремниевые ППД. Это связано с тем, что для германиевых детекторов слишком велик эффект обратного рассеяния электронов. Лишь для электронов с энергией > 1 МэВ выгоднее использовать диффузионно-дрейфовые германиевые детекторы, так как при этом требуется большая толщина чувствительной области.

Жидкие сцинтилляторы широко используются в спектрометрии мягкого Ризлучения (³Н, ^|4С). Вследствие малой энергии р-частиц особое значение в этом случае приобретает фон, обусловленный термоэлектронной эмиссией фотокатода ФЭУ. Если шумовые импульсы отсекать при помощи простого дискриминатора, то эффективность регистрации, особенно в случае трития, станет низкой, поскольку не будет регистрироваться и значительная часть полезных импульсов. Поэтому для получения большей эффективности используется метод совпадений: два (или более) ФЭУ регистрируют световые вспышки сцинтиллятора и после отбора по энергии быстродействующая схема совпадений регистрирует лишь те импульсы, которые одновременно поступают на ее вход. Так как импульсы за счет термоэлектронной эмиссии фотокатодов ФЭУ нс связаны во времени, большинство их не регистрируется.

23.8. у-Спектрометрия применяется для идентификации и определения активности радионуклидов, испускающих фотонное излучение. Реальные, или аппаратурные спектры у-излучения (рис. 23.4) характеризуются довольно сложными формами линий, так как несут информацию об энергии вторичных заряженных частиц (электронов и позитронов), образовавшихся в детекторе.

Полное поглощение энергии первичного у-кванта в чувствительном объеме детектора происходит при фотоэффекте, многократном комптоновском рассеянии^[3] или образовании пар в глубине детекгора с полным поглощением энергии фотоили комптоновских электронов, электрон-позитронных пар, аннигиляционных у-квантов и характеристического рентгеновского излучения материала детектора. Этому взаимодействию соответствует пик полного поглощения, иногда называемый фотопиком.

Поглощение с уносом части энергии у-кванта из детектора обусловлено, в первую очередь, однократным комптоновским рассеянием. Комптоновские электроны отдачи имеют непрерывное распределение (ПРИЛОЖЕНИЕ Л). Край комптоновского распределения характеризуется максимумом, сдвинутым относительно фотоника в область более низких энергий. у-Кванты, рассеянные на угол -180° вне чувствительной области детектора, попадая обратно в детектор, формируют пик обратного рассеяния. По форме он зеркально повторяет высокоэнергетический край комптоновского распределения.

Рис. 23.4. Аппаратурный спектр у-излучения (Е₇ > Im^c²):

I — фотопик: 2 — кран комптоновского распределения: 3 — ник одиночною вылета:

• 4 - пик двойного вылета: 5 — аннигиляционный пик: б — пик обратного рассеяния:
• 7 — пик характеристического излучения защиты

К неполному поглощению энергии первичного у-кванта приводит и процесс образования пар с последующим вылетом или рассеянием в детекторе уквантов, образовавшихся при анигиляции позитрона с электроном вещества. Вылет из чувствительной области детектора одного или двух аннигиляционных у-квантов с энергией т 2 даст пики с энергиями Е_г — т_ес² и Е_г — 2/н"г² соответственно; их называют пиками одиночного и двойного вылета.

Взаимодействие у-квантов материалами детектора и особенно его защиты^[4] приводит к возникновению характеристического рентгеновского излучения, которое, регистрируясь детектором, создает пики в области малых энергий. При Е_у > 2mjr в аппаратурных спектрах наблюдается и пик аннигиляционных уквантов, испускаемых окружающими детектор материалами.

В аппаратурных распределениях от источников со сложными у-спектрами фотопики отдельных у-квантов часто расположены на суммарном пьедестале от регистрации комптоновских электронов. Определение максимумов фотопиков (а по их положению — энергий первичных у-квантов) и их интенсивности является главной задачей при расшифровке аппаратурных спектров.

В у-спектрометрии используют сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Основное преимущество последних — высокая разрешающая способность. Важно и то, что ППД характеризуются почти строгой линейной зависимостью между поглощенной энергией и амплитудой сигнала на выходе. Современные электронные схемы спектрометров также обладают высокой линейностью. Поэтому точность энергетической калибровки спектрометра с ППД часто определяется лишь точностью известных значений энергии у-квантов стандартных источников.

• [1] 1 Например, нельзя определить активность l37Cs, так как при его распаде образуется изомерШшВа с Та ~ 2,52 мин. Очевидно, что (5-у-совпадения в этом случае наблюдаться не будут.
• [2] Иногда бывает достаточно источника с одним радионуклидом, если испускаемые им группы частицзначительно различаются по энергии или при распаде образуются дочерние радионуклиды, испускающие частицы с другой энергией.
• [3] Многократное комптоновское рассеяние с последующим фотоэффектом называют комптоновскойперекачкой энергии.
• [4] От фонового излучения.