Раздел II. Аппаратура гамма-спектрометрии
§1. Сцинтилляционный детектор
В качестве диспергирующего элемента в области -излучения широко применяется сцинтилляционный детектор, который состоит из: сцинтиллятора – кристалла йодистого натрия, активированного таллием NaJ(Tl); фотоэлектронного умножителя и эмитерного повторителя (см. рис.4).
Рассмотрим принципы действия каждого элемента в отдельности.
Сцинтилляционный
кристалл. На рисунке 5 отражены
возможные процессы взаимодействия
-квантов с веществом
сцинтиллятора.
Первый
процесс отражает фотоэффект. В случае
фотоэффекта практически вся энергия
передается выбиваемому электрону.Второй процесс отражает многократное взаимодействие -кванта. В этом процессе после первого акта комптоновского рассеяния вторичный -квант может покинуть пределы кристалла или, чаще всего, вступает либо в другой акт рассеяния, либо вызывает фотоэффект. Многократные взаимодействия приводят к образованию электронов, кинетическая энергия которых имеет широкий непрерывный спектр.
Третий процесс – образование электрон-позитронной пары, кинетическая энергия которой значительно меньше энергии -кванта. В этом процессе позитрон на пути своего полета в кристалле сталкивается со своей античастицей (с любым из внутриатомных электронов) и вызывает процесс их аннигиляции с рождением чаще всего двух -квантов разлетающихся под углом близким к 180 друг к другу. Рожденные -кванты также участвуют в тех же самых процессах, что и первичные кванты.
В общем потоке -излучения всегда присутствуют два сорта -квантов – кванты, испущенные исследуемым радиоактивным источником (первичное излучение) и кванты, испытавшие 180 рассеяние от задней стенки защитного контейнера, в котором находится источник (побочное изучение). Побочные -кванты с энергией
(10)
при попадании в кристалл вызывают, как правило, фотоэффект.
Как внутри кристалла, так и в телах окружающих его рождается еще одно побочное излучение – характеристическое рентгеновское излучение, которое испускают атомы, потерявшие в результате фотоэффекта электрон из какой-либо внутренней оболочки. Рентгеновские фотоны также способны выбивать электроны из атомов кристалла.
Все вышерассмотренные процессы приводят к тому, что внутри кристалла появляются свободные электроны с широким разбросом значений кинетической энергии. Эти электроны при своем движении до полной остановки сталкиваются с множеством атомов кристалла. В свою очередь эти атомы за счет энергии столкновения переходят в возбужденное состояние и затем, возвращаясь в исходное состояние, излучают фотоны, длина волны которых приходится на видимую и ультрафиолетовую область спектра.
Фотоны, образовавшиеся в описанном сцинтилляционном процессе, в сумме образуют вспышку света. Этот свет выходит из прозрачного для него кристалла и попадает на входное окно фотоэлектрического умножителя.
Из вышесказанного следует, что сцинтиллятор преобразует энергию отдельного -кванта в энергию световой вспышки, величина которой пропорциональна энергии переданной -квантом кристаллу.
К основным характеристикам сцинтилляторов относятся: эффективность, световой выход, длина волны световой вспышки и время высвечивания. Под эффективностью понимается отношение числа -квантов, испытавших взаимодействие с кристаллом, к числу всех -квантов попавших в кристалл. Эта величина зависит от энергии -кванта, а также от размеров и рода вещества сцинтиллятора. Для кристаллов NaJ(Tl) она составляет 30–50%. Световым выходом называется доля энергии -кванта, которая преобразуется кристаллом в световую вспышку. Для NaJ(Tl) световой выход составляет 8%, а длина волны световой вспышки – 4100 Å и время высвечивания 2.5 10-7 c.
Фотоэлектронный
умножитель. В фотоэлектронном
умножителе фотоны световой вспышки
выбивают из его фотокатода электроны,
которые, ускоряясь в сильном электрическом
поле динодов, выбивают из последних
вторичные электроны (см. рис. 4). Эти
электроны, многократно размножаясь,
достигают анода и вызывают в сопротивлении
его нагрузки Rн
импульс электрического тока с
амплитудой u0,
вид которого изображен на рисунке 6.
В целом фотоэлектронный умножитель преобразует вспышку света в импульс электрического тока, амплитуда которого пропорциональна энергии световой вспышки.
Эмитерный повторитель. Непосредственное подключение измерительных приборов с низкоомным входом к высокоомному выходу фотоэлектронного умножителя является энергетически невыгодным. Поэтому с выхода фотоумножителя импульсы подают на вход эмитерного повторителя. За счет высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления, эмитерный повторитель позволяет передавать импульс тока с выхода фотоэлектронного умножителя на вход измерительных приборов без потери его мощности.
Очень важно установить соответствие между энергетическим спектром -излучения исследуемого радиоактивного источника и амплитудным спектром импульсов электрического тока сцинтилляционного детектора. Пусть радиоактивный источник испускает монохроматическое -излучение, энергетический спектр которого показан на рисунке 7. Этот спектр сцинтилляционным детектором преобразуется в амплитудный спектр, вид которого имеет гораздо более сложную форму (см. рис.8).
Этот
спектр имеет пять ярко выраженных пиков,
каждый из которых отражает физический
процесс взаимодействия -квантов
с кристаллом детектора.
Так пик A получил название - пика полного поглощения или фотопика. Он опирается на область самых больших амплитуд (всегда крайний справа в спектре) и отражает процесс фотоэлектрического поглощения. По положению этого пика определяется энергия исследуемых -квантов.
Непрерывное распределение между точками B и E соответствует амплитудному распределению импульсов полученных при многократном комптоновском рассеянии -квантов в детекторе.
Пик C – это пик обратного рассеяния. По его положению определяют энергию -квантов, испытавших комптоновское рассеяние вне детектора под углом 180°.
Пик D – рентгеновский пик. По его положению можно определить энергию характеристического рентгеновского излучения.
Пик Е – пик образованный шумовыми импульсами, причина которых кроется в тепловом движении электронов в фотокатоде фотоумножителя, транзисторах и др. радиотехнических устройствах.
Из вышесказанного следует, что сцинтилляционный детектор преобразует отдельный -квант в импульс тока, амплитуда которого пропорциональна энергии переданной -квантом кристаллу.
В заключении следует отметить, что соотношение высот этих пиков может меняться в зависимости от энергии исследуемых -квантов и максимальный по высоте будет тот пик, у которого процесс его образования будет иметь наибольшую вероятность.