Тема 6 Спектрометрия ионизирующих излучений

 

1 Определение энергии заряженных частиц.

2 Магнитные спектрометры заряженных частиц.

3 Сцинтилляционные гамма-спектрометры.

4 Магнитные гамма-спектрометры.

 

Основные понятия по теме

 

Пробеги заряженных частиц являются функцией энергии. Точность определения энергии частицы по ее пробегу в среде лимити­руется, в конечном счете, дисперсией в величинах пробегов и точностью, с какой известно соотношение между энергией и пробегом. Энергии заряженных частиц по пробегам находят обычно относи­тельно пробегов частиц с известными энергиями. Пробеги заряженных частиц обычно измеряют в трековых приборах. В этих случаях погрешность в измеренном значении пробега обуслов­лена не только флуктуациями потерь энергии, но и некоторыми спе­цифическими погрешностями (искажения при фотографировании треков, движение газа и жидкости в камерах, деформация ядерных эмульсий при проявлении и т. д.).

Значения пробегов заряженных частиц с небольшой энергией с достаточной точностью измеряют, используя метод пропускания. Параллельный пучок заряженных частиц направляется на какой-нибудь детектор и измеряется скорость счета этого детектора в за­висимости от толщины поглотителя, расположенного на пути пучка. Существуют и дифференциальные методы измерения пробега. Эти методы особенно удобны, когда необходимо разделить две или более групп α -частиц или выделить малоинтенсивные α -частицы на фоне других с большей энергией.

Ионизационные камеры, сцинтилляционные и полупроводнико­вые счетчики для моноэнергетических заряженных частиц имеют функцию отклика в виде кривой по форме, близкой к распределению Гаусса. Эффективность регистрации заряженных частиц, попавших в чувствительный объем детектора, равна единице.

В сцинтил­ляционных счетчиках амплитуды импульса для большинства кри­сталлов нелинейно связаны с энергией тяжелых заряженных частиц.

Измерение энергий электронов. Ионизационные камеры мало пригодны для исследований β -спектров, поскольку пробеги электро­нов в воздухе при нормальных условиях значительны. Экстраполи­рованный пробег электрона с энергией 0, 1 Мэв равен примерно 12 см. В то же время измерить энергию электронов менее 0, 05 Мэв невоз­можно из-за плохого энергетического разрешения, обусловленного в основном шумами. Представляют интерес пропорциональные счет­чики высокого давления (до 10 ата аргона), с помощью которых удается исследовать спектры электронов до нескольких сот кило­электронвольт. Нижняя граница исследуемых энергий лежит в пре­делах 1–5 кэв. Сцинтилляционные счетчики с кристаллами Nal (T1), антрацена, стильбена позволяют измерять энергетические распределения электронов в более широком диапа­зоне энергий. Чтобы устранить неполную потерю энергии электронами в кри­сталле, необходимо использовать спектрометры с двумя кристал­лами, между которыми помещают достаточно тонкий источник β -частиц. Если β -излучение источника сопровождается γ -излучением, то для уменьшения эффективности регистрации γ -квантов исполь­зуют органические кристаллы, размеры которых выбирают равными экстраполированному пробегу исследуемых β -частиц. Иногда бета-излучатели вводят в состав кри­сталла при его изготовлении. Такой метод позволяет изучать спект­ры бета-излучателей с очень малой активностью.

Магнитный спектрометр заряженных частиц – вакуумный прибор, в котором заря­женные частицы проходят в магнитном поле определенной конфигу­рации, по-разному отклоняясь в нем в зависимости от их импульса и заряда. В результате происходит разложение пучка заряженных час­тиц по импульсам. Это и позволяет изучать энергетический спектр частиц.

Схема магнитного спектрометра прямого отклонения показана на рисунке 6.1. Заряженные частицы, испускаемые источником в виде тонкой нити, перпендикулярной пло­скости рисунка, проходят через узкую щель и регистрируются фо­топластинкой. Траектории частиц (в плоскости рисунка) представ­ляют собой дуги окружностей радиус которых зависит от импульса частицы. Поэтому частицы с разными энергиями попадают в различные места фотопластинки и образуют изображение источника в виде длинных и узких полос.

Спектрометры с неоднородным поперечным магнитным полем улучшают фокусировку заряженных частиц и тем самым увеличивают светосилу спектрометра.

Рисунок 6.1 – Схема магнитного спектрометра прямого отклонения.

 

В спектрометрах с неоднородным магнитным полем светосила увеличивается из-за фо­кусирующих свойств поля в двух направлениях: в плоскости орбиты и в направлениях, перпендикуляр­ных к ней.

Спектрометрия g-излучения. Энергию g-квантов определяют или по энергии электронов, образующихся в результате взаимодействия электромагнитного излучения с атомами, или по энергии заряженных частиц, возника­ющих в фотоядерных реакциях, или по величине угла брэгговского отклонения, или, наконец, по наклону функций пропускания пучка -g-квантов. Наиболее эффективным способом является способ опреде­ления энергии g-квантов по электронам отдачи. В то же время этот способ оказывается и достаточно сложным, поскольку при взаимо­действии моноэнергетических g-квантов с атомами могут образовы­ваться электроны с разными энергиями.

Сцинтилляционные гамма-спектрометры имеют большую эффективность и находят применение в тех случаях, когда нет высоких требований к энергетическому разрешению. В области энергий g-квантов 200 кэв – 10 Мэв энергетическое разрешение этих приборов лежит в пределах 14 – 4%. Правда, эффективность многокристальных спектрометров обычно меньше эффективности однокристальных. В однокристальных сцинтилляционных гамма-спектрометрах Коллимированный пучок g-квантов направляется на кристалл сцинтилляционного счетчика, импульсы которого после усилителя попадают на амплитудный многоканальный анализатор (рисунок 6.2.).

 

Рисунок 6.2 – Структурная схема однокристального

сцинтилляционного спектрометра

 

Струк­турная схема сцинтилляционного комптоновского спектрометра по­казана на рисунке 6.3. Коллимированный пучок g-квантов направляет­ся на кристалл (его называют центральным), в котором может про­исходить их комптоновское рассеяние. Импульсы с центрального сцинтилляционного счетчика поступают на анализатор амплитуд импульсов только в том случае, если рассеянный в центральном кристалле g-квант регистрируется во втором (боковом) кристалле. Такой отбор событий осуществляется с помощью схемы совпадений и линейных ворот, которые пропускают импульс на анализатор, если схема совпадения вырабатывает импульс.

Рисунок 6.3 – Структурная схема комптоновского спектрометра

 

Схема расположения кристаллов и их размеры определяют основ­ные параметры спектрометра – эффективность иэнергетическое разрешение. Эффективность спектрометра пропорциональна ве­роятности рассеяния g-кванта в центральном кристалле в направле­нии бокового кристалла.

Магнитные гамма-спектрометры. По сути дела лю­бой бета-спектрометр можно использовать для измерения энергии g-квантов по электронам отдачи, если в месте расположения g-ис­точника поместить радиатор и направить на него пучок g-квантов. В результате взаимодействия фотонов с электронами из радиатора будут вылетать электроны, энергия которых связана с энергией g-квантов. Исследуя спектр таких электронов, можно определить спектр g-квантов. При этих измерениях возникает целый ряд требо­ваний к формированию пучка g-квантов, толщине радиатора и его составу, защите спектрометра и т. д. Эти требования в конечном сче­те и определяют светосилу и энергетическое разрешение магнитного гамма-спектрометра. Известно много различных магнитных спектро­метров, которые можно разделить на три большие группы: 1) фото­спектрометры; 2) комптоновские и 3) парные спектрометры. Наи­лучшими свойствами обладают комптоновские спектрометры.

Принципиальная схема пар­ного магнитного спектрометра показана на рисунке 6.4. Коллимированный пучок g-квантов попадает на радиатор с большим атомным но­мером (часто используют золото), где се­чение образования электрон-позитронных пар велико. Радиатор помещен в од­нородное магнитное поле. Электрон и позитрон, возникающие в результате эффекта образования пар, в магнитном поле отклоняются в противоположных направлениях и регистрируются счетчи­ками. Для анализа по энергиям исполь­зуют обычно полукруговую фокусировку, т.е. счетчики расположены в одной плоскости с радиатором.

­

Рисунок 6.4 – Схема парного магнитного гамма-спектрометра.

 

При эффекте образования пар энергии электронов и позитронов распределены практически равновероятно. Это значит, что g-квант может образовать электроны (и позитроны) с одинаковой вероят­ностью. Поэтому для отбора актов регистрации g-квантов с определенной энергией счетчики включают в схему совпадений.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1 Методы определения энергии заряженных частиц?

2 Принципы измерения энергии электронов?

3 Как работают магнитные спектрометры заряженных частиц?

4 Назначение и принцип работы сцинтилляционных гамма-спектрометров?

5 Устройство и принципы работы магнитного g-спектрометра?

6 Перечислите факторы, влияющие на точность определения энергии g-квантов с помощью сцинтилляционного g-спектрометра.

 

Лабораторная работа 7 Сцинтилляционный гамма-