Энергетическое разрешение детекторов с фокусировкой

Энергию частицы в черенковском детекторе можно измерять, используя однозначную связь угла излучения со скоростью частицы, а, следовательно, и ее энергией. Любая причина, искажающая связь между углом и скоростью или ограничивающая точность измерения угла, влияет на точность измерения скорости и энергии.

Неопределенность при измерении угла θ может возникнуть по многим причинам, как связанным с конструкцией счетчика (например, ширина коллимирующей щели) и параметрами пучка, так и вытекающим из физики явления.

Рассмотрим основные физические эффекты, определяющие энергетическое разрешение счетчика Черенкова, а именно:

а) оптическую дисперсию;

б) уменьшение скорости частицы при прохождении ее через радиатор,

в) многократное кулоновское рассеяние частицы в радиаторе.

Угловая дисперсия, возникающая из-за оптической дисперсии, приводит к неоднозначности при измерении угла излучения Вавилова–Черенкова

Обычно дисперсия меньше 1° для видимой части спектра излучения Вавилова–Черенкова. Вследствие потери энергии частицей при прохождении через радиатор ее скорость уменьшается, что приводит к изменению угла θ и уменьшению числа фотонов, испущенных на единице длины пути. Для частиц с очень большими энергиями, для которых ионизационные потери минимальны и выход фотонов практически не меняется, эти эффекты не существенны. Но при уменьшении энергии частицы, когда растет теряемая энергия на единице пути и усиливается зависимость скорости частицы энергии, эти эффекты могут быть заметными. Скорость изменения угла излучения Вавилова–Черенкова вдоль пути частицы пропорциональна удельным потерям энергии dE/dx. Отклонение направления движения частицы в среде от ее первичного направления вследствие многократных уклонений на малые углы при кулоновском рассеянии на ядрах принято характеризовать среднеквадратичным углом рассеяния. Вели­чина его прямо пропорциональна корню квадратному из расстояния, пройденного частицей в радиаторе, и уменьшается при увеличении энергии частицы.

Относительное значение каждого из рассмотренных трех источников неопределенности θ зависит от типа частицы, ее энергии, ядерных и оптических свойств среды. Вклады этих процессов в большинстве случаев приблизительно одинаковы. Следует заметить, что очень часто, особенно когда счетчик Черенкова является частью сложной экспериментальной установки, его энергетическое разрешение определяется поперечным размером пучка заряженных частиц и возникающей вследствие этого аберрации. В детекторах, специально сконструированных для измерения энергии частиц, можно добиться в сравнительно узком диапазоне энергетического разрешения ΔЕ/Е ~ 1%.

Временное разрешение счетчиков Черенкова с фокусировкой практически всегда определяется временными характеристиками фотоумножителей, поскольку длительность световой вспышки в радиаторе очень мала. Она определяется временем прохождения релятивистской частицы через радиатор, которое обычно меньше 10^-9 с для твердых и жидких радиаторов, и конечной длительностью волнового фронта излучения Вавилова–Черенкова, которая также существенно меньше 10^-9 с. В черенковских пороговых детекторах большого объема, в которых излучение достигает фотокатода фотоумножителя после многократных отражений от стенок контейнера с радиатором, длительность вспышки заметно увеличивается и может достигать десятков наносекунд.

5.4. СПЕКТРОМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

5.5.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ГАММА СПЕКТРОМЕТРИИ

ПОСТАНОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЗАДАЧИ И ЕЕ РЕШЕНИЕ

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Текущий этап развития техники требует широкой автоматизации процесса определения значений характеристик измеряемого объекта при высокой экспрессности и необходимой точности измерения. Эти требования определяют основные тенденции развития современной спектрометрической аппаратуры (далее для краткости - спектрометры), применяемой в различных отраслях науки и техники.

Из-за высокой информативности получаемых результатов спектрометры практически повсеместно используются в настоящее время в аналитическом и технологическом контроле производства наряду с традиционным применением в научных исследованиях. В связи с улучшением параметров детекторов ионизирующих излучений, внедрением прогрессивных схемотехнических решений, использованием новых электронных компонентов и средств вычислительной техники появляются реальные возможности создания более современной и высокопроизводительной аппаратуры для спектрометрии ионизирующих излучений. Универсальность и широкое внедрение в практику спектрометрического метода и спектрометров привели к появлению в последние годы многих международных нормативных документов (МЭК, ИСО, МКРЗ, МОЗМ и др.), непосредственно относящихся к этому направлению ядерного приборостроения.

В нынешней практике измерений ионизирующих излучений довольно часто бывают случаи, когда, с одной стороны возможности спектрометрического метода недооценивают или отвергают (в основном из-за сложности аппаратурной или методической части), а с другой - напротив, переоценивают. Анализ формирования таких полярных оценок показывает, что в большинстве случаев они связаны с методологической ориентацией пользователей и разработчиков аппаратуры, которая формировалась в результате приверженности либо радиометрическому, либо спектрометрическому методу. В настоящей работе сделана; попытка упорядочить некоторые представления, определяющие выбор спектрометрического метода при решении конкретной измерительной или методической задачи.

При разработке измерительной аппаратуры любого вида (включая создание методик измерения и спектрометров конкретного назначения) необходимо полно и адекватно представлять решаемую измерительную задачу.

Информационное поле, характеризующее поставленную задачу, в основном определяется ответами на следующие вопросы, обычно отражаемые в техническом предложении или техническом задании на разработку:

- что собой представляет объект измерения (предмет, образец, проба, физическое состояние объекта измерения, его размеры и т.п.);

- значение какого параметра (или совокупности параметров) объекта измеряемого параметра;

- какие требования выдвигаются к точности, статистической неопределенности и к погрешности измерения;

- имеются ли интерферирующие процессы, влияющие на измерения;

-в каких условиях необходимо проводить измерение;

- какие специфические требования выдвигаются к конструктивно-технологическому оформлению и конструктивно-механической совместимости создаваемого устройства (вес, габариты, тип конструктива и т.п.);

- имеются ли особенности электромагнитной совместимости создаваемого устройства и среды измерения (электрическое питание, уровни внешних и, возможно, создаваемых электромагнитных помех, контурные токи, особенности трансляции аналоговых и цифровых сигналов и т.п.);

- какой алгоритм должен использоваться для обработки измерительной информации;

- в какой форме Должны быть представлены результаты измерений (для информационно-измерительных систем);

- какие необходимо принимать решения или генерировать сигналы после завершения измерения и обработки первичной измерительной информации (для информационно-управляющих систем).

При формулировании измерительной задачи и определении особенностей аппаратуры, предназначенной для ее решения, приходится также учитывать дополнительные факторы, среди которых можно отметить наиболее характерные и значимые:

- существующие традиции в организации и проведении измерений;

- наиболее предпочтительный метод;

- технико-экономические и социальные факторы, определяющие целесообразность разработки;

техническая и технологическая оснащенность производства для изготовления аппаратуры;

требования к технике безопасности;

удобство работы, обслуживания и ремонта;

- ограничения по стоимости создаваемого устройства;

- конкурентоспособность.

Таким образом, ответы на поставленные вопросы с учетом отмеченных дополнений позволяют определить основные требования к измерительной системе, способной решать поставленную задачу.

Конкретная техническая реализация измерительного устройства базируется на различных видах обеспечения качества измерения и разработки, к основным видам которого относятся метрологическое, техническое, организационно правовое.

Методическое обеспечение определяет порядок подготовки к измерению, саму процедуру измерений, а также алгоритм обработки измерительной информации и интерпретацию результатов измерений. Метрологическое обеспечение определяет достоверность как результатов измерений, так и конечных информационных данных. В принципе, адекватность результатов измерений достигается за счет именно этих видов обеспечения.

К техническим видам обеспечения разработки можно отнести аппаратурное, математическое, программное, информационное, производственное, технологическое, документационное и другие. К организационно-правовым можно отнести финансовое, юридическое, кадровое, патентно-лицензионное и собственно организационное обеспечение (менеджмент). На стыке технического и организационного обеспечения находится материально-техническое обеспечение разработки. Особенности методики и работки могут потребовать использования иных видов обеспечения, не упомянутых здесь (например, алгоритмическое, статистическое, медико-биологическое).

Естественно, что предложенное группирование отдельных видов обеспечения является в какой-то мере условны. Однако, оно, тем не менее, показывает их сложную взаимосвязь, которую приходится учитывать при разработке новых видов измерительной техники.

Исследование энергетического состава -излучения позволяет определить целый ряд важных для теории характеристик ядер, таких, как положение энергетических уровней возбужденных состояний ядер, энергия связи нуклонов, средняя плотность возбужденных состояний и т.д. Энергетический состав -излучения необходимо знать и во многих задачах ядерной техники, например, для определения тепловыделения в экранах реакторов, для расчета дозы проникающего излучения. Анализ спектрального состава -излучения оказывает существенную помощь и в геологической разведке, и в радиационной медицине. В последнее время гамма-спектрометрия получает применение и в астрономии.

Приведенные примеры показывают насколько широк диапазон научных и практических приложений гамма-спектрометрии. Но требования к гамма-спектрометрам в различных областях могут различаться весьма существенно. Так, в ядерной гамма-спектрометрии разрешающей способность спектрометров около 10 кэВ является еще недостаточной для проведения многих исследований. В то же время разрешающая способность примерно 100 кэВ удовлетворяет практически всем требованиям, возникающим при спектрометрии -излучения в ядерной технике. Столь же различны требования к гамма-спектрометрам с точки зрения их эффективности, их чувствительности к сопутствующему излучению (нейтронам, заряженным частицам).

В настоящей главе рассмотрены все основные принципы измерения энергии -квантов и приведены оценки основных характеристик спектрометров, построенных на этих принципах.

Энергию -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 -квантов. Наиболее эффективным способом является способ определения энергии -квантов по электронам отдачи. В то же время этот способ оказывается и достаточно сложным, поскольку при взаимодействии моноэнергетических -квантов с атомами могут образовываться электроны с разными энергиями. Последнее обстоятельство потребовало развития специальных методов преобразования амплитудных распределений в энергетические спектры.