Спектроскопия ионизирующих излучений

Ядерная спектроскопия — совокупность методов исследования атомных ядер по их излучению, сопровождающему ядерные превращения и переходы ядер из одного состояния в другое. Измерение энергии, интенсивности, углового распределения и поляризации излучений, испускаемых ядром либо в процессе радиоактивного распада (аи ^-спектроскопии), либо при переходе ядра из возбуждённого состояния в менее возбуждённое (у-спектроскопия), либо в ядерных реакциях даёт информацию о спектре ядерных состояний — энергиях, спинах, чётностях, изотопических спинах и других квантовых характеристиках. Особое место занимает нейтронная спектроскопия.

Ядерная спектроскопия ионизирующих излучений позволяет получать данные, необходимые для выяснения структуры ядер и получения сведений о силах, действующих между нуклонами. С этой целью измеряется энергия, интенсивность, угловые распределения и поляризация излучений, испускаемых ядром либо в процессе радиоактивного распада, либо в ядерных реакциях. Получение спектроскопических данных по исследованию радиоактивного распада называется спектроскопией радиоактивных излучений, причём различают а-, ри у-спектроскопии.

Распределение частиц ядерного излучения по энергии называют энергетическим спектром ядерного излучения. В зависимости от значений энергии, которые принимают частицы, спектры излучения подразделяют на дискретные и сплошные.

Арсенал технических средств современной ядерной спектроскопии включает в себя магнитные спектрометры для измерения энергий заряженных частиц, кристалл-дифракционные спектрометры для измерения энергий у-излучения, различные детекторы ядерных излучений, позволяющие регистрировать и измерять энергию частиц и у-квантов по эффектам взаимодействия быстрых частиц с атомами вещества (возбуждение и ионизация атомов).

Спектрометр состоит из детектора и регистрирующей аппаратуры, измеряющей энергию и число частиц. Существуют спектрометры на основе импульсных ионизационных камер, пропорциональных, полупроводникоМагнитный а-спектрометр — вакуумный прибор, в котором испускаемые каким-либо источником а-частицы проходят через магнитное поле, перпендикулярное направлению их движения, отклоняясь под действием этого поля на различные углы, в зависимости от того, какова величина их энергии. Траектории заряженных частиц, движущихся в однородном поперечном магнитном поле, представляют собой окружности. Радиус окружности 7*, импульс частиц р и магнитная индукция В связаны между собой соотношением ср/е = Вг, где с — скорость света, е — заряд а-частицы. Зависимость г от импульса р позволяет проводить анализ а-частиц по энергии, так как группы вылетевших из источника а-частиц, обладающих различной энергией, после прохождения через магнитное поле собираются в разных местах коллектора.

вых и сцинтилляционных счетчиков. К другому классу спектрометров относятся магнитные спектрометры, спектрометры по времени пролета и т. д.

Ионизационные а-спектрометры при низкой разрешающей способности (254−30 кэВ) имеют очень большую светосилу (близкую к 2л). С их помощью можно исследовать долгоживущие ядра и ядра новых элементов, даже если число этих ядер составляет всего несколько десятков. Ионизационный а-спектрометр обычно представляет собой импульсную ионизационную камеру, наполненную аргоном.

Рис. 12. Схема движения а-частиц с различной энергией в магнитном а-спектрометре (магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа).

Спектрометр тяжёлых заряженных частиц на основе импульсной ионизационной камеры с сеткой используют для измерения спектра a-излучения и других тяжёлых частиц. Источник a-излучения, как правило, помещают внутри камеры. Такие а-спектрометры имеют разрешение до 0,3% при энергии а-частиц около 5 МэВ. Спектрометрию а-излучения осуществляют путём анализа амплитудным анализатором величин амплитуд импульсов появляющихся на выходе импульсной камеры. Импульсы фона от у-излучения и р-частиц имеют небольшую амплитуду и обычно дискриминируются на входе амплитудного анализатора.

Новые возможности для спектрометрии тяжёлых заряженных частиц открыли полупроводниковые детекторы излучения. Амплитуда импульса на выходе полупроводникового детектора пропорциональна поглощенной в нем энергии частицы. Это позволяет в схеме амплитудного анализа выходных импульсов измерять спектр тяжёлых частиц. Так как пробег тяжёлых частиц мал, то для спектрометрии пригодны тонкие кремниевые счётчики с р-п-переходом. Такие полупроводниковые спектрометры компактны, устойчивы в работе и имеют хорошее разрешение. Например, с помощью поверхностно-барьерного кремниевого счётчика площадью 1 см² можно получить разрешение 0,3% для а-частиц с энергией -5 МэВ. Вследствие малой толщины р-п-перехода счётчики малочувствительны к фону уизлучения и р-частиц.

Бета-спектрометр — прибор, служащий для анализа спектров р-частиц. Его применяют также для исследования энергетического спектра у-лучей по создаваемым ими в веществе вторичным электронам.

Существует два типа p-спектрометров: на основе измерения энергии электронов по их воздействию на вещество, и на основе пространственного разделения электронов и позитронов, имеющих различную энергию. К приборам первого типа относятся p-спектрометры, основанные на ионизации, возникающей в веществе при торможении электронов; приборы этого типа обладают большой светосилой, но не дают возможности измерять энергию электронов с точностью, большей, чем несколько процентов. К приборам второго типа — p-спектрометры, в которых используются магнитные или электрические (для медленных электронов) поля.

Рис. 13. Спектр излучения *^Lu. Пики на кривой обусловлены электронами, которые возникают при внутренней конверсии у-лучей, испускаемых при высвечивании дочернего ядра ¹⁷⁷Не. р-Спектр ¹⁷⁷Lu образует пьедестал, на котором возвышаются конверсионные пики.

Существует много конструкций магнитных p-спектрометров. В них энергия р-частицы измеряется по её траектории движения в магнитном поле. Поток р-частиц рассчитывают по скорости счёта детектора на выходе магнитного p-спектрометра. В качестве детектора используют фотопластинки, р-счётчики, сцинтилляционные р-счётчики и другие средства.

Гамма-спектрометр — прибор для измерения спектра гамма-излучения. В большинстве у-спектрометров энергия и интенсивность потока у-квантов определяются не непосредственно, а измерением энергии и интенсивности потока вторичных заряженных частиц, возникающих в результате взаимодействия у-излучения с веществом. Исключение составляет кристалл-дифракционный у-спектрометр, непосредственно измеряющий длину волны у-излучения.

Существует большой арсенал приборов, служащих для измерения спектров у-излучения. Среди них важную роль играют сцинтилляционные спектрометры, которые имеют высокую эффективность регистрации у-квантов (до юо%), но низкое энергетическое разрешение (>ю%), а также кристалл-дифракционные спектрометры, имеющие, наоборот, высокое разрешение (0.01%) при низкой светосиле (о.1-гЮ*з%). Наибольшей универсальностью обладают у-спектрометры с полупроводниковыми детекторами, использующими германий. Они имеют высокую разрешающую способность по энергии при хорошей эффективности.

В магнитных у-спектрометрах вторичные частицы возникают при поглощении у-квантов в радиаторе; их энергия измеряется так же, как и в магнитном [5-спектрометре.

Величина магнитного поля в спектрометре и радиус кривизны траектории электронов определяют энергию электронов, регистрируемых детектором. Если радиатор изготовлен из вещества с малым атомным номером (алюминий), то вторичные электроны образуются в результате комптон-эффекта; если радиатор изготовлен из тяжёлого вещества (свинец, уран), а энергия у-квантов невелика, то вторичные электроны будут возникать вследствие фотоэффекта. При энергиях /ii"i, 02 МэВ становится возможным образование у-квантами электронно-позитронных пар. Измерение суммарной энергии электрона и позитрона позволяет определить энергию у-кванта. Магнитные у-спектрометры обладают высокой разрешающей способностью (доли %), однако эффективность их невелика, что требует применения источника у-излучения высокой активности. Рис. 14. Парный гамма-спектрометр. В однородном магнитном поле Н, направленном перпендикулярно плоскости чертежа, электроны и позитроны движутся по окружностям в противоположных направлениях.

Магнитный у-спектрометр состоит из конвертора у-квантов и магнитного p-спектрометра. Конвертор служит входом у-спектрометра. В нём энергия у-квантов сначала преобразуется в энергию электронов, спектр которых и измеряют. Затем по спектру электронов судят о спектре у-излучения. Состав конвертора у-квантов подбирают так, чтобы при взаимодействия у-излучения с веществом преобладал комптон-эффект или эффект образования пар. В зависимости от этого магнитный у-спектрометр называют комптоновским или парным.

Как уже упоминалось, для спектроскопии у-излучения используются ионизационные камеры и пропорциональные счётчики. Сейчас с точки зрения стабильности и высокого разрешения наилучшими считаются ксеноновые у-спектрометры. В частности, такой спектрометр на сжатом ксеноне применяется для регистрации низкоэнергетического космического у-излучения.

Сцинтилляционный у-спектрометр пригоден для измерения у-спектров от источников с активностью в несколько микрокюри. Это достаточно портативный прибор. Он легко перемещается и позволяет производить дистанционные измерения у-спектров. В последнем случае головку сцинтилляционного детектора выносят от регистрирующего устройства (амплитудного анализатора) с помощью кабеля на расстояние до юо м. Все эти качества привели к широкому применению сцинтилляционного у-спектрометра для измерения спектров у-излучения.

Сцинтилляционный спектрометр — прибор для измерения характеристик ядерных излучений и элементарных частиц (интенсивности излучения, энергии частиц, времени жизни нестабильных ядер и частиц), основным элементом, которого является сцинтилляционный счётчик.

Рис. 15. Схема сцинтилляционного гамма-спектрометра.

Возможность измерения энергии излучения сцинтилляционным спектрометром связана с зависимостью интенсивности свечения (светового выхода) сцинтиллятора от энергии, потерянной в нём частицей.

При исследовании сложных у-спектров однокристальный у-спектрометр даёт большую ошибку в определении интенсивности у-линий. Для повышения точности разработаны конструкции многокристальных у-спектрометров. В них используют не один, а несколько фосфо;

ров. Форма спектральной линии в этих.

у-спектрометрах имеет более простой вид, что достигается регистрацией импульсов от какого-либо одного процесса взаимодействия у-излучения с фосфором.

Рис. 16. Схема расположения кристаллов NaJ (Tl) в спектрометре антисовпадений: 1 — внешний кристалл; 2 — центральный кристалл.

Амплитудный анализатор в у-спектрометре антисовпадений анализирует лишь импульсы от фотоэлектрического поглощения у-квантов в фосфоре. Форма спектральной линии в таком спектрометре представляет собой один фотопик с небольшим непрерывным распределением.

Благодаря высокой эффективности регистрации различных частиц и излучений, а также быстродействию сцинтилляционный спектрометр нашёл широкое применение в ядерной спектроскопии и спектроскопии частиц высоких энергий. В области малых энергий (<1 МэВ) сцинтилляционные спектрометры уступают в энергетическом разрешении пропорциональным счётчикам и полупроводниковым детекторам.

Полупроводниковые у-спектрометры обладают весьма высокой разрешающей способностью, что обусловлено малой энергией, расходуемой на образование одной электронно-дырочной пары. Эффективность полупроводниковых у-спектрометров обычно ниже, чем сцинтилляционных. К недостаткам полупроводниковых у-спектрометров следует отнести необходимость их охлаждения до температур, близких к температуре жидкого азота.

Наивысшую точность измерения энергии у-квантов обеспечивают кристалл-дифракционные у-спектрометры, в которых непосредственно измеряется длина волны у-излучения. Такой спектрометр аналогичен приборам для наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Радиация, проходя через кристалл кварца, отражается плоскостями кристалла в зависимости от длины волны излучения под тем или иным углом и регистрируется счётчиком фотонов. Такие спектрометры применяется для спектрометрии у-квантов низких энергий. Недостаток таких у-спектрометров — низкая эффективность.

Для измерения спектров у-излучения низких энергий (до юо кэВ) применяются пропорциональные счётчики, разрешающая способность которых в области низких энергий значительно выше, чем у сцинтилляционного у-счётчика. При hv>ioо кэВ пропорциональные счётчики не используются из-за слишком малой эффективности. Измерение спектра уизлучения очень больших энергий осуществляется с помощью ливневых детекторов, которые измеряют суммарную энергию частиц электроннопозитронного ливня, вызванного у-квантом высокой энергии. Образование ливня обычно происходит в радиаторе очень больших размеров. Вспышки флюоресценции (или черенковского излучения) регистрируются с помощью ФЭУ.