Полупроводниковая гамма-спектрометрия

В настоящее время наиболее перспективными полупроводниковыми спектрометрами для γ-квантов являются Ge(Li)-спектрометры, чувствительные объемы которых уже достигают нескольких сотен кубических сантиметров. Энергетическое разрешение в лучших спектрометрах составляет примерно 2…5 кэВ в области энергий до 3 Мэв. Эффективность полупроводниковых спектрометров определяется чувствительным объемом детектора.

Основной недостаток полупроводниковых спектрометров – это сложная форма амплитудного распределения при регистрации моноэнергетического излучения. В связи с этим для улучшения формы линии используют Ge(Li)-спектрометр, работающий в совпадении или антисовпадении с кристаллами NaJ(Tl) больших объемов. Коаксиальный Ge(Li)-спектрометр объемом 30 см³ (площадь 7,5 см²) помещается внутрь цилиндрических кристаллов NaJ(Tl), как показано на рис. 10.13.

Рис. 10.13. Схема парного Ge(Li) – NaJ(Тl)-спектрометра: его функция отклика (а); функция отклика Ge(Li)-спектрометра объемом около 30 см³ (б).

Детектор работает при температуре 77° К, рабочее напряжение 900 в, емкость 42 пф. Энер­гетическое разрешение спектрометра по пику полного поглощения (или парному пику) составляет около 0,5% при энергии γ-квантов 1 Мэв (ширина пика примерно 5 кэв) и около 0,2% при энергии γ-квантов 7 Мэв. На рис. 10.13, б показаны амплитудные распределения импульсов, полученные с Ge(Li)-спектрометром. Видно, что форма довольна сложная. Однако при использовании кристалла Nal(Tl) в режиме антисовпадений с Ge(Li) функция отклика значительно улучшается, как и в случае спектрометров с кристаллами NaJ(Tl). Эффективность по пику полного поглощения для этого случая показана на рис. 10.14.

При энергиях γ-квантов выше 2 Мэв оказывается выгодным режим работы парного спектрометра (совпадения импульса с Ge(Li)-спектрометра с двумя импульсами с кристаллов NaJ(Tl), обусловленных аннигиляционным излучением). В этом случае функция отклика (см. рис. 10.13) близка к идеальной. Эффективность парного Ge(Li)-спектрометра показана на рис. 10.14. Расчет эффективности спектрометра по пику полного поглощения, или эффективности парного спектрометра, аналогичен расчетам для сцинтилляционных спектрометров. В связи со сравнительно сложным видом функции отклика в некоторых случаях необходимо преобразовать амплитудные распределения в энергетические спектры. Для полупроводниковых детекторов эта задача усложняется в основном из-за необходимости составления матриц высокого порядка. Однако при изучении дискретных спектров в связи с хорошим энергетическим разреше­нием максимумы в распределениях достаточно хорошо выделены, и обычно достаточно знать эффективность спектрометра по пику полного поглощения (или парному пику).

В заключение сравним характеристики различных спектрометров, показанных на рис. 10.14.

Наибольшей эффективностью обладают сцинтилляционные спектрометры. К ним близки по эффективности полупроводниковые спектрометры. В этих приборах нет необходимости в значительном удалении источников от детекторов. С учетом необходимой коллимации излучения в спектрометрах совпадений и антисовпадений можно определить их светосилу. Для коллимации пучка γ-квантов в этих случаях обычно достаточны коллиматоры с углом 1,0…2,5°. Если использовать такие коллиматоры, то светосила L=(0,7…5)·10^-4ε. Таким образом, светосила сцинтилляционных и полупроводниковых спектрометров на несколько порядков выше светосилы магнитных и кристалл-дифракционных спектрометров.

В области низких энергий γ-квантов с точки зрения энергетического разрешения наилучшими являются кристалл-дифракционные спектрометры. Причем чем ниже энергия γ-квантов, тем очевиднее их преимущества. В области энергий выше нескольких сот киловольт в широком диапазоне энергии преимущества на стороне полупроводниковых спектрометров.

Применение магнитных гамма-спектрометров с появлением такого перспективного конкурента, как полупроводниковые спектрометры, в настоящее время весьма ограниченно. Впрочем, магнитные гамма-спектрометры, значительно уступая полупроводниковым в светосиле, имеют и преимущества: возможность абсолютных измерений энергии γ-квантов и лучшая функция отклика.

Рис. 10.14. разрешение, светосила н эффективность различных гамма-спектрометров: 1-магнитный комптоновский; 2-магнитный парный: 3-кристалл дифракционный типа Дю Монда; 4-кристалл дифракционный типа Кошуа; 5-кристалл-дифракционный с двумя плоскими кристаллами; 6-Ge(Li)-полупроводниковый спектрометр; 7-сцинтилляционный γ-спектрометр с кристаллом NaJ(Tl); 8-полупроводниковый Ge(Li)-спектрометр объемом 30 см³ по пику полного поглощения; 9-парный Ge(Li)- NaJ(Tl))-спектрометр; 10-спектрометр NaJ(Tl) с защитой антисовпадениями; 11-парный NaJ(Tl)-спектрометр.