гамма-спектрометр,

ГАММА-СПЕКТРОМЕТР, прибор для измерения энергии -квантов и интенсивности -излучения. Регистрация и измерение энергии -квантов в большинстве случаев связаны с наблюдением электронов или электрон-позитронных пар, возникающих при взаимодействии гамма-излучения с веществом в процессах комптоновского рассеяния, фотоэлектрич. поглощения и образования пар. Различия в зависимостях эффективных сечений этих процессов от энергии -квантов, а также от ат. номеров Z элементов, входящих в состав вещества детектора, обусловливают выбор наиб. эффективного для данной области энергии -квантов метода их регистрации и определения энергии. Осн. частью Г--с. является детектор -квантов. В нек-рых детекторах ф-ция регистрации фотонов совмещена со спектрометрич. ф-цией, т. е. они сами могут служить Г--с. Сюда относятся сцинтилляц. и полупроводниковые детекторы, пропорц. счётчики, ионизац. камеры. В других, более сложных Г--с. эти ф-ции разделены. К таким приборам относятся кристалл-дифракц. Г--с., магн. спектрометры, а также применяемые для спектрометрии -квантов высокой энергии пузырьковые камеры.

Основные характеристики Г--с.-р азрешающая способность и эффективность. Под разрешающей способностью обычно понимается величина , где - энергия регистрируемых моноэнергетичных -квантов, а - ширина измеренной данным Г--с. -линии на половине её высоты. Иногда в литературе в качестве меры разрешающей способности указывают просто абс. величину Эффективностью Г--с. наз. выраженная в % доля, к-рую составляют зарегистрированные прибором -кванты данной энергии от общего числа -квантов, попадающих в детектор Г--с. Для одного и того же Г--с. эффективность обычно сильно зависит от энергии -квантов. Иногда Г--с. характеризуют светосилой, под которой понимается отношение числа зарегистрированных за определённое время -квантов к общему их числу, испущенному источником за то же время.

Ниже порога рождения пар (1,022 МэВ) регистрация -квантов ведётся по комптоновским и фотоэлектронам. В области совсем малых энергий (десятки кэВ) осн. роль играет фотоэффект. При высоких энергиях гл. процессом взаимодействия -лучей с рабочим веществом детектора является образование пар.

Рис. 3. Волновая картина поля в иглообразном кристалле в условиях эффекта Бормана; излучение с боковых граней мало.

Сцинтилляционный Г--с. представляет собой комбинацию фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и сцинтиллятора, в к-ром под действием электронов, создаваемых -лучами, образуется кратковрем. вспышка света - сцинтилляция, преобразуемая в ФЭУ в электрич. сигнал; амплитуда сигнала импульса пропорциональна энергии электрона (см. Сцинтилляционный детектор). Амплитудный анализатор позволяет получить амплитудный спектр импульсов. Для спектрометрии -квантов с энергией до неск. МэВ чаще всего применяются сцинтилляторы из NaI, активированного Tl. Это вещество отличается достаточно большой плотностью (3,67 г/см³) и сравнительно высоким ср. ат. номером, что обеспечивает высокую эффективность регистрации-квантов. Разрешающая способность сцинтилляц. Г--с. ~4-5% при 1,3 МэВ и изменяется с энергией приблизительно как .

Рис. 1. Амплитудный спектр импульсов от сцинтилляционного гамма-спектрометра с кристаллом NaI(Tl) диаметром и высотой ~76 мм, облучаемого -квантами с энергией 1,92 МэВ.

В спектре, полученном с помощью сцинтилляц. Г--с., можно видеть т. н. пик полного поглощения (рис. 1). В него дают вклады все процессы, в результате к-рых энергия -кванта целиком поглощается в кристалле: фотоэлектрич. поглощение, к-рому сопутствует поглощение испущенных рентг. квантов (см. Фотоэффект); образование пар, сопровождающееся поглощением обоих -квантов, возникающих при аннигиляции пары позитрон-электрон; комптоновское рассеяние с поглощением рассеянного кванта (см. Комптона эффект). Во всех этих случаях должны поглощаться также все рентг. кванты, связанные со всеми процессами фотоэлектрич. поглощения. Энергия, соответствующая пику полного поглощения, и есть энергия -кванта.

В спектре видны также пики, соответствующие процессам образования пар в сцинтилляторе, сопровождающимся вылетом из него одного (2) или двух (3) аннигиляц. -квантов. Комптоновское рассеяние -лучей в сцинтилляторе приводит к возникновению сплошного спектра, заканчивающегося со стороны высоких энергий характерным уступом (4), соответствующим верх. границе энергетич. распределения комптоновских электронов. Пики 5 и 6 связаны с аннигиляц. квантами и излучением, рассеянным окружающими предметами. Иногда в сцинтилляц. Г--с. можно увидеть т. н. пики вылета, соответствующие фотоэлектронам и одноврем. вылету из кристалла рентг. квантов К-серии, следующих за фотопоглощением -квантов. Соотношение интенсивностей всех перечисленных пиков зависит от энергии -квантов, а также от размеров и формы сцинтиллятора.

Полупроводниковый Г--с. Всё сказанное выше о форме спектра импульсов сцинтилляц. Г--с. относится и к др. видам Г--с., среди к-рых важную роль играют полупроводниковые Г--с. В монокристалле полупроводника создаётся область, обеднённая осн. носителями заряда. Под действием электронов, образуемых -квантами, в этой области возникают электронно-

дырочные пары. С помощью приложенного электрич. поля электроны и дырки выводятся из обеднённой области. Возникающий в результате этого электрич. импульс усиливается и регистрируется амплитудным анализатором. При этом амплитуда импульса, пропорциональная энергии электрона и энергии -кванта, определяется по пику полного поглощения (см. Полупроводниковый детектор).

Поскольку на образование одной пары носителей заряда требуется, по крайней мере, в 100 раз меньше энергии (2,8 эВ в кристалле Ge), чем затрачивается в сцинтилляц. счётчике на получение одного фотоэлектрона с фотокатода ФЭУ, то разрешающая способность полупроводникового Г--с. оказывается гораздо более высокой, чем у сцинтилляц. Г--с. Для спектрометрии -квантов с энергией порядка неск. МэВ в осн. применяются работающие при темп-ре жидкого азота германиевые детекторы двух типов: детекторы, в к-рых обеднённая область создана внедрением ионов Li в кристалл Ge с проводимостью р-типа, и детекторы из сверхчистого Ge. Полупроводниковые Г--с. дают возможность получить 1,7-2 кэВ при E= 1,33 МэВ. В области малых энергий -квантов применяются небольшие по объёму детекторы из сверхчистого Ge и Ge, в к-ром обеднённая область создана предварительным интенсивным -облучением (т. н. радиац. детекторы), а также детекторы из Si с внедрённым Li. При энергиях -квантов ~6 кэВ в таких Г--с. достигнуты ширины линий ~150- 200 эВ, а при ~60 кэВ ~350-400 эВ.

Рис. 2. Амплитудный спектр импульсов от полупроводникового -спектрометра с коаксиальным Се(Li)-детектором (рабочий объём 38 см³), облучаемого -квантами радионуклида ¹³⁴Cs. По оси ординат - число отсчётов на канал анализатора; цифры над пиками указывают энергии -квантов в кэВ.

По эффективности полупроводниковые Г--с. значительно уступают сцинтилляционным с кристаллами NaI (Tl). Германиевые детекторы объёмом ~30 см³ имеют эффективность регистрации g~квантов с энергией 1,33 МэВ, определённую по площади пика полного поглощения, порядка 2-3% (рис. 2). Больший объём кристалла даёт большую эффективность (существуют германиевые детекторы с рабочим объёмом 100-120 см³ и более).

Другие Г--с. для малых энергий - квантов. В области энергий -квантов ~100 кэВ иногда применяются газовые пропорциональные счётчики, наполненные Ar или Kr. По разрешающей способности они уступают полупроводниковым Г--с., но существенно превосходят сцинтилляц. Г--с.

Mагн. Г--с., основанные на измерении энергии комптоновских электронов или электронно-позитронных пар, создаваемых -квантами в тонком радиаторе, игравшие важную роль в прошлом, применяются редко, их вытесняют полупроводниковые Г--с., не уступающие им по разрешающей способности, но значительно превосходящие их по эффективности. Однако магнитные спектрометры сохранили своё значение в качестве спектрометров электронов внутр. конверсии -лучей (см. Конверсия внутренняя, Бета-спектрометр) и др. экспериментах. Лучшие приборы этого типа имеют разрешающую способность 0,03% при светосиле 0,05% [1].

Кристалл-дифракц. Г--с. применяются в осн. при низких энергиях -квантов. Эти приборы отличаются особенно высокой точностью измерения энергии и по принципу действия аналогичны рентг. спектрометрам (см. Спектральная аппаратура рентгеновская). С целью повышения светосилы в нек-рых из них применяют изогнутые кристаллы, позволяющие дифрагировавшим -лучам собираться в фокусе спектрометра, куда помещается детектор. На рис. 3 показана схема спектрометра с изогнутым кристаллом. Аппаратурные ширины линий у подобного рода Г--с. составляют примерно 20 эВ при энергиях -квантов в неск. сотен кэВ. Абс. же значения энергии в максимуме определяются с очень малой относит. погрешностью порядка 10^-7-10^-6 [2]. Получить такую высокую точность оказалось возможным благодаря тщательному предварительному измерению межплоскостного расстояния для монокристалла. Недостатком кристалл-дифракц. спектрометров является их малая светосила (0,1% для спектрометров с изогнутым кристаллом).

Рис. 3. Схема дифракционного гамма-спектрометра с изогнутым кристаллом: 1 - источник -квантов; 2,4 - щелевые коллиматоры; 3 - упругоизогнутый кристалл кварца; 5 - детектор.

Г--с. для -квантов высоких энергий. Методы, применяемые для спектроскопии -квантов высоких энергий, сильно отличаются от перечисленных. Существуют Г--с., основанные на регистрации черенковского излучения от электронно-фотонных ливней, вызываемых -квантами высокой энергии в радиаторах из достаточно тяжёлого прозрачного вещества, напр. свинцового стекла (см. Черенковский счетчик). Размеры подобного радиатора выбираются так, чтобы в нём уложились пробеги всех электронов и позитронов ливня, для чего продольный размер должен быть порядка десяти радиац. длин, а поперечный размер должен превосходить поперечную расходимость ливня. В физике высоких энергий в качестве Г--с. используются также пузырьковые камеры [3]. Энергии -квантов определяются по энергиям пар, образованных в рабочем веществе камеры. В камерах с лёгкими жидкостями (водород, гелий, пропан), помещёнными в магн. поле, удаётся измерить энергию пары по кривизне нач. участков треков электрона и позитрона, поскольку радиац. длина в этих жидкостях велика и, по крайней мере, в начале треков общие радиац. потери энергии ещё малы. В камерах с тяжёлыми жидкостями (напр., с Xe) радиац. длина мала и в большинстве случаев ливень развивается в пределах объёма камеры. В этом случае энергию ливня, а значит, и первичного-кванта можно определить по сумме пробегов всех заряж. частиц в ливне. Эта процедура, однако, пригодна лишь до энергий -квантов ~10 ГэВ.

Лит.: 1) Лютый И. H. и др., Стабилизация формы магнитного поля железного b-спектрометра с использованием нутационных датчиков, "Изв. АН СССР, сер. физ.", 1970, т 34, с. 828; 2) Алексеев В. Л. и др., Улучшение основных параметров 4-метрового кристалл-дифракционного гамма-спектрометра по Кошуа, в кн.: Тезисы докладов XXXI Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Л., 1981, с. 614; 3) Стругальский З. С., Измерение энергий гамма-квантов и электронов в пузырьковых камерах, Дубна, 1972; см. также лит. при ст. Гамма-спектроскопия.

А. В. Давыдов.

   <<      Предметный указатель      >>