книги из ГПНТБ / Кузнецов, Р. А. Активационный анализ

ского рассеяния, которое с ростом энергии у-квантов падает значительно медленнее. Процесс образования пар имеет замет­ ное сечение только при энергии у'"кванТ0Б выше 2 Мэе, и его роль одинакова для обоих типов детекторов.

Гамма-спектрометры

Несомненно, что гамма-спектрометр относится к обязатель­ ной принадлежности любой лаборатории, занимающейся актива­ ционным анализом. Пока более распространен сцинтилляционный спектрометр, поскольку он прост в эксплуатации, легко до­ ступен и к тому же имеет длительную историю практического применения для аналитических целей. Полупроводниковый

дорог. Однако полупроводниковый спектрометр показывает от­ личные аналитические результаты. Надо надеяться, что про­ гресс в совершенствовании полупроводниковых детекторов и связанной с ним электронной аппаратуры приведет к появле­ нию более простых, доступных и совершенных спектрометров, удобных для рядовых аналитических применений. •

Сцинтилляционный спектрометр. Однокристалльный спектро­ метр— наиболее простая и распорстраненная конструкция. Как правило, в качестве сцинтиллятора выступают монокристаллы Nal(Tl), которые обладают высокой конверсионной способно­ стью и имеют большую плотность (3,67 г/см3) при высоком эффективном атомном номере (£эфф= 50). Эти качества кри­ сталлов Nal(Tl) в сочетании с возможностью получения моно­ кристаллов больших размеров обусловливают высокую эффек­ тивность регистрации у излУчения ПРИ удовлетворительном энергетическом разрешении. Так как среднее время высвечива­

довольно высоких уровней активности. Особенность кристаллов Nal(Tl) состоит в их гигроскопичности, поэтому их упаковы­ вают в специальные герметичные контейнеры.

В гамма-спектрометрах кристаллы Nal(Tl) используются в сочетании со спектрометрическими фотоумножителями. Эта система обычно оформляется в виде отдельного выносного блока, который включает в себя еще ряд дополнительных уст­ ройств: светонепроницаемый кожух, свинцовую защиту, держа­ тель источника и т. д. (рис. 44).

Поскольку при практическом использовании гамма-спектро­ метра уровень активности измеряемых источников может изме­ няться в значительных пределах, для подбора оптимальных условий измерения служит стойка, которая позволяет изменять расстояние источник — детектор. Увеличение расстояния умень­ шает абсолютную эффективность спектрометра.

160

Иногда в у-спектрометрических исследованиях применяют коллиматоры — толстые пластины из свинца с небольшим от­ верстием посередине. Коллимация у-излучения уменьшает веро­ ятность ряда вторичных процессов, что упрощает получаю­ щийся спектр и облегчает его обработку. С другой стороны, коллиматор сильно уменьшает абсолютную эффективность спек­

метра сильно зависят от размеров кристалла. Прежде всего с ростом последнего при регистрации жесткого у-излучения (выше 0,5 Мэе) увеличивается эффективность спектрометра по пику полного поглощения и уменьшается комптоновское распределе­ ние. Однако одновременно с ростом размеров кристалла ухуд­ шается разрешение и возрастает стоимость. Дополнительным следствием является также увеличение фона спектрометра, кото­ рый примерно пропорционален объему кристалла.

Фон прибора представляет результат воздействия на сцин­ тиллятор трех основных компонентов: 1) космического излуче­

Порядковый номер Ge равен 32, плотность — 5,33 г/см3. Современная технология пока не позволяет получать детекторы столь же больших размеров, что и кристаллы Nal(TI). Неболь­ шой заряд ядер Ge и недостаточные объемы детекторов при­ водят к относительно низкой эффективности полупроводниковых спектрометров к у-излучению.

(рис. 45). Обязательным элементом спектрометра становится сосуд Дьюара, который поддерживает' низкую температуру де­ тектора в течение длительных интервалов времени между двумя заполнениями жидким азотом (от 6 до 15 дней в зависимости от объема сосуда Дьюара).

6:163

Величина сигнала полупроводникового детектора довольно мала (на уровне милливольт), поэтому к входным параметрам предусилителя (входная емкость, уровень шумов) предъяв­ ляются весьма жесткие требования. Для понижения уровня шумов предусилителя, которые могут положить предел разре­ шению спектрометра, его также приходится охлаждать до низ­ кой температуры.

Вследствие высокого энергетического разрешения полупро­ водникового детектора анализатор для одновременного измере­ ния у-излучения в широком энергетическом интервале (до 2—3 Мэе) должен иметь не менее 4000 каналов. Это довольно сложный и дорогой прибор. При этом в случае анализа слож­ ных объектов количество получающейся информации настолько велико, что ручная обработка спектров становится затрудни­ тельной и приходится прибегать к помощи электронных вычис­ лительных машин.

Так же, как и в случае сцинтилляционных детекторов, пара­ метры полупроводникового спектрометра зависят от размеров Ge(Li)-детектора. Глубина дрейфа ионов лития, которая может быть достигнута за приемлемый интервал времени, едва превы­ шает 1,0 см, что при площади около 10 см2 дает объем всего 10 см3. Детектор в виде такого диска носит название планар­ ного. Получение детекторов большего объема требует особого подхода. Найример, в цилиндре из Ge делают отверстие и осу­ ществляют дрейф лития со всех поверхностей детектора, кроме одной. Это так называемые коаксиальные детекторы. Наиболь­ ший достигнутый объем коаксиального детектора составляет около 200 см3. Правда, увеличение объема детектора связано с некоторой потерей энергетического разрешения.

§ 5. Аппаратурная форма линии гамма-спектрометра

Форма амплитудного распределения, которое получается на выходе гамма-спектрометра при регистрации моноэнергетического у-излучения, является сложной и зависит от многих фак­ торов. Конечно, форму амплитудного распределения в первую очередь определяют основные процессы взаимодействия у-излу- чения с веществом детектора. С другой стороны, на форму амплитудного распределения оказывает определенное влияние ряд факторов, обусловленных протеканием вторичных про­ цессов в детекторе, особенностями конструкции гамма-спектро­ метра, составом измеряемой смеси радиоизотопов. Важное значение имеют также вещественный состав, масса и геометри­ ческая форма пробы, излучение которой подвергается у-спек- трометрическому анализу.

Если экспериментальные условия скорректированы таким образом, чтобы влияние всех побочных факторов стало незна­ чительным, то типичная форма амплитудного распределения

164

165

\

непрерывного амплитудного распределения небольшим прова­ лом, величина которого в энергетических единицах составляет около 250 кэв. Непрерывное распределение в сложных спектрах играет роль помехи, и поэтому при идентификации пиков и ко­ личественной обработке спектров его приходится тщательным образом учитывать.

Приведенный на рис. 46 сцинтилляционный у спектР Е4Мп получен в какой-то степени в идеализированных условиях. При выполнении рядовых анализов создать такие условия, как пра­ вило, не удается, а это приводит к некоторой деформации амплитудного распределения, появлению в нем дополнительных деталей. Ответственность за изменение формы амплитудного распределения могут нести как внутренние (тип, размеры и форма детектора), так и внешние (размеры, масса и состав пробы, конструкционные особенности спектрометра и т. д.) факторы.

Влияние вторичных процессов и конструкции гамма-спектрометров

Эффекты утечки вторичных частиц и квантов. Чтобы погло­ щенный квант дал вклад в пик полного поглощения, необходи­ мым условием является полная потеря энергии вторичными ча­ стицами и квантами в рабочем объеме детектора. Однако вто­ ричное излучение имеет определенную вероятность покинуть рабочий объем детектора, унося с собой часть или всю полу­ ченную энергию. Вероятность утечки обычно оказывается тем выше, чем ближе к поверхности детектора был поглощен пер­ вичный у-квант.

Утечка вторичных электронов приводит к нарушению сим­ метрии пика полного поглощения и дает дополнительный вклад в непрерывное распределение. Этот эффект проявляется тем за­ метнее, чем меньше размеры детектора и выше энергия у-квантов.

Как уже упоминалось, процесс фотопоглощения сопровож­ дается характеристическим рентгеновским излучением вещества детектора. Так же, как и электроны, кванты рентгеновского из­ лучения, возникшие вблизи поверхности детектора, могут выйти за пределы его рабочего объема. Тогда выходной импульс бу­ дет соответствовать энергии Еу — Этот эффект наиболее существен для кристаллов Nal(Tl), поскольку рентгеновское из­ лучение иода имеет энергию 28 кэв. Поэтому в сцинтилляционных спектрометрах утечка рентгеновских квантов иода приводит к появлению двух пиков с энергиями Еу и Еу —Evem. При малой энергии первичного у-излучения эти пики могут быть разреше­ ны, а при высокой энергии они сливаются вместе, приводя к увеличению асимметрии пика полной энергии. Следует отметить, что утечка рентгеновских квантов иода заметно проявляется

166

только в области низких энергий у-квантов, так как именно в этом случае значительная часть первичного излучения претер­ певает фотопоглощение в поверхностном слое детектора и рент­ геновские кванты имеют большую вероятность покинуть рабочий объем детектора.

Весьма специфичные процессы имеют место в случае жест­ ких у-квантов, которые взаимодействуют с веществом детектора с образованием пары электрон — позитрон. Последний при ан­ нигиляции дает два у-кванта. При этом возможны три варианта дальнейшего хода событий: либо поглощение обоих аннигиля­ ционных квантов, либо одного из них, либо уход обоих кван­

Обратное рассеяние. Первичное у-излучение может претер­ певать комптоновское рассеяние на различных частях гаммаспектрометра с последующей регистрацией детектором. В этом случае над непрерывным распределением появляется пик об­ ратного рассеяния. Интенсивность пика обратного рассеяния зависит от многих факторов: положения источника, конструкции держателя и массы радиоактивного препарата, размеров кри­ сталла, конструкции и материала защиты гамма-спектрометра, коллимации излучения [41, 198].

Отношение энергии рассеянного у-кванта к энергии первич­ ного излучения находится по формуле

где 0Рас— угол между направлением падающего и рассеянного квантов.

Очевидно, что в кристалл могут попасть только кванты, рас­ сеянные на 90— 180°. Поскольку в этом интервале углов £рао слабо меняется с ростом 0, спектр импульсов от обратного рас­ сеяния имеет форму более или менее оформленного несиммет­ ричного пика с энергией в области 150—300 кэв.

Интенсивность обратного рассеяния сильно зависит от рас­ стояния источник — кристалл и оказывается тем меньше, чем меньше это расстояние. Заметный вклад в обратное рассеяние дает наличие около источника значительного количества рас­ сеивающих материалов, в качестве которых могут выступать подложка, держатель или основа источника. Последнее обстоя­ тельство очень существенно, так как в практике активационного анализа очень часто для измерений используют непосредствен­ но облученную пробу, которая может иметь значительную мас­ су и большие размеры. Ввести поправку на обратное рассеяние в этом случае достаточно сложно [198].

167

Значительное уменьшение обратного рассеяния дают исполь­ зование детекторов больших размеров и коллимация у-излуче-

внутренние размеры защитной камеры, в которой размещается

детектор.

Поскольку пик обратного рассеяния затрудняет определение у-линий с энергией 100—300 кэв, то всегда следует принимать все возможные меры, чтобы уменьшить его интенсивность.

Флуоресценция. Под действием р- и у-излучения в конст­ рукционных материалах и защите гамма-спектрометра может возникнуть характеристическое рентгеновское излучение. Обыч­ но свинцовая защита является источником рентгеновского из­ лучения с энергией 72 кэв. Для его подавления поверхность свинца покрывают двумя-тремя слоями материалов в порядке уменьшения заряда ядер. Материалы подбирают таким обра­ зом, чтобы они имели высокое сечение для поглощения флуо­ ресценции предшествующего слоя. В качестве покрытий обычно используют последовательные слои следующих материалов: Та—Sn—Си и л и Cd—Си, толщина которых равна 0,1—d мм.

Влияние геометрии. Форма амплитудного распределения за­ висит от расстояния источник — детектор. С изменением рас­ стояния меняется телесный угол и соответственно средняя длина пробега у-квантов в детекторе. От последней зависит ве­ роятность событий фотопоглощения и многократного рассеяния, а следовательно, и эффективность детектора. По этой причине спектры анализируемых проб и эталонов измеряют в одинако­ вых геометрических условиях. Возможно использование и раз­ ной геометрии, но тогда требуется предварительная калибровка используемых позиций для приведения к одинаковым условиям измерения.

Влияние схем распада радиоизотопов и интенсивности источников излучения

СхехМа распада радиоизотопа и интенсивность источника так­ же могут влиять на форму получающегося спектра; в одних случаях они приводят к появлению в спектре новых пиков, в других дают дополнительный вклад в непрерывное амплитудное распределение.

Тормозное излучение. Большинство радиоизотопов, полу­ чающихся при различных методах активации, оказываются Р~- или р+-излучателями. Так как сцинтилляционные и полу­ проводниковые детекторы чувствительны к этим видам излуче­ ния, необходимо использовать поглотители соответствующей толщины, помещаемые между источником и детектором. В про­ цессе поглощения р- - и р+-частицы теряют энергию на иониза­ цию атомов и тормозное излучение. Поскольку спектр тормоз-

168

н'ого излучения сплошной, то, будучи зарегистрирован детекто­ ром, он дает вклад в непрерывное амплитудное распределение.

Доля тормозного излучения в энергетических потерях (3-частиц, как правило, мала и для нормального спектра связа­ на с максимальной энергией излучения £р, Макс и атомным но­ мером поглотителя Z следующим соотношением:

Обычно тормозное излучение при использовании поглотите­ лей из легких элементов мало по интенсивности и слабо влияет на форму спектра. Однако имеются два случая, когда роль тормозного излучения может оказаться весьма существенной. Во-первых, тормозное излучение заметно искажает спектр тех радиоизотопов, у которых велика интенсивность (3-перехода сразу на основной уровень, т. е. 'при малом выходе у-излучения. Во-вторых, с мешающим действием тормозного излучения при­ ходится сталкиваться при инструментальном спектрометриче­ ском активационном анализе материалов, облучение которых приводит к образованию чистых ^“-излучателей. Тормозное из­ лучение, возникающее при поглощении (3“-излучения матрицы, создает иногда очень сильные помехи для определения слабых у-излучателей.

Следует отметить, что точная форма и интенсивность тормоз­ ного излучения источника зависят от различных эксперимен­ тальных факторов, таких, как материал конструкций, находя­ щихся вблизи источника, размеры и состав исследуемой пробы и т. д. Это затрудняет введение поправки на тормозное излуче­ ние, когда в этом возникает необходимость.

Суммирование. Если в ходе регистрации одного у-кванта детектором будет зарегистрирован второй у-квант, то на выходе спектрометра появится импульс, амплитуда которого будет соответствовать суммарной энергии, потерянной обоими у-кван- тами в рабочем объеме детектора. За эффект суммирования - полностью ответствен детектор, который фиксирует события, следующие друг за другом в пределах его временной разре­ шающей способности, как одно событие.

Суммирование может быть обусловлено эффектом истинных совпадений, когда совместно регистрируются два каскадных у-кванта, или случайного попадания двух независимых у-кван- тов в детектор в пределах его временного разрешения. Сумми­ рование может быть связано не только с первичным излучением источника, но и с рассеянным и тормозным излучением. Ре­ зультатом суммирования может быть появление в конечном спектре отдельных пиков, когда два каскадных или случайных у-кванта полностью передают свою энергию детектору, или увеличение непрерывного амплитудного распределения при ча­ стичной передаче энергии.

169