книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

хладопроводом из гофрированных металлических трубок. Более подробно особенности конструкций криостатов, требования к их отдельным узлам и деталям, особенности их изготовления рас­ смотрены в работах [47, 48, 54—64].

Для поддержания разрежения в вакуумной полости криоста­ та все шире стали использовать электроразрядные насосы.

Рис. 5.8. Модификация криостатов КР1 н КР2.

В некоторых случаях изготовители ППД встречаются с труд­ ностями при установке открытых детекторов в криостаты с та­ кими насосами. В работах [65, 66] указывается, что нередко при включении электроразрядных насосов истекает струя активных органических соединений, приводящих к «отравлению» внешней поверхности ППД и резкому увеличению поверхностных токов электронно-дырочного перехода. В связи с этим рекомендуется тренировку и откачку внутреннего объема криостатов вести с помощью внешних криосорбционных насосов, а электроразрядный насос включать только после достижения глубокого разре­ жения в вакуумной полости криостата. Опыт авторов показал, что целесообразно напротив патрубка электроразрядного насоса устанавливать медный радиатор, имеющий тепловой контакт с хладопроводом. В этом случае подавляющая часть органиче­

201

ских соединении, истекающих из электроразрядиого насоса при его включении, встречает на своем пути холодный радиатор и оседает на нем. Естественно, такие затруднения не возникают

диффузии; L — общая длина хладопровода.

На рис. 5.9 приведены расчетные зависимости температуры на конце хладопровода как функция времени для хладопроводов различной длины. Сравнение расчетных данных с эксперимен­ тальными для хладопровода длиной 65 см показывает хорошее их соответствие. Можно добавить, что на криостатах, приведен­ ных па рис. 5.10, также проверялась зависимость времени набора температуры для различных длин хладопровода, способов меха­ нического соединения отдельных его частей, а также влияние

292

§ 5.3. Ф А К ТО Р Ы , О П Р Е Д Е Л Я Ю Щ И Е Ф О Р М У А П П А Р А Т У Р Н О Г О С П Е К Т Р А

Аппаратурная линия гамма-спектрометра с ППД опреде­ ляется не только процессами передачи энергии у-кваита полу­ проводниковому материалу детектора, ио и процессами сбора образовавшихся в результате этого взаимодействия свободных носителей заряда. Рассмотрим некоторые факторы, приводящие к отличиям аппаратурного спектра от истинного спектра у-Квантов.

В наибольшей мере экспериментатор был бы удовлетворен «идеальным» спектрометром [68, 69], у которого имеется одно­ значная связь между энергией у-кваита Е у и параметрами выходного сигнала (например, амплитудой U), т. е.

где k — коэффициент преобразования при постоянной в регист­ рируемом диапазоне энергий эффективности, близкой к единице. В этом случае при регистрации моиоэнергетического у-излуче- ния аппаратурное распределение «идеального» гамма-спектро­ метра имеет вид нормированной 6-функцин, т. е.

ратурной линии идеальной ее форма претерпевает существенные изменения в зависимости от энергии регистрируемых у-квантов. Эти обстоятельства обусловливают определенные трудности, связанные с интерпретацией аппаратурных распределений гамма-спектрометров.

Как отмечалось в § 5.1, в процессе первичного преобразова­ ния в пределах чувствительной области ППД энергии у-квантов в электрический заряд лежат процессы фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния и эффекта образования электрон-позитронных пар (см. рис. 5.1 и табл. 5.1).

Рассмотрим аппаратурный спектр, получаемый при использо­ вании германиевого ППД, в двух энергетических диапазонах, энергетическая граница между которыми лежит при Е у — 2 т й& . Для простоты будем считать, что в обоих случаях регистри­ руется моноэнергетическое у-излучение.

На рис. 5.11, а приведен гипотетический спектр у-излучения, получаемый в первом диапазоне (0 < Е у < 2 т осг) . Крайний пра­ вый максимум амплитудного распределения, который в даль­ нейшем для краткости будем называть пиком, обусловлен пол-

204

ным поглощением энергии у-квантов в чувствительной области детектора. Пик полного поглощения обусловлен процессами фотоэлектрического поглощения и многократного комптоновского рассеяния с последующим фотопоглощением. Наличие «хвоста» в левой части пика полного поглощения можно объяс­ нить двумя основными причинами. Во-первых, регистрируемый у-квант до попадания в чувствительную область ППД уже успел

Рис. 5.11. Гипоте­ тические спектры у-излучеиия:

претерпеть комптоиовское рассеяние на малый угол, вследствие чего он потерял часть своей энергии. Для уменьшения возмож­ ного рассеяния у-кванта до попадания его в чувствительную область ППД применяют коллиматоры различного типа и при­ нимают меры для уменьшения рассеивающей массы. Поэтому при проведении высокоточных измерений исследуемое веществоизлучатель наносят на тонкие органические пленки, а блок детектирования конструируют так, чтобы поток регистрируемых у-квантов на своем пути встретил бы минимальные толщины

205

потенциальных рассеивателей (оболочки колпака криостата, малый мертвый слой у ППД и т. д.). Во-вторых, часть образо­ ванных в чувствительной области носителей заряда взаимо­ действует с центрами захвата («ловушками»). Более подробно последний вопрос будет рассмотрен в конце настоящего пара­ графа.

Указанные явления приводят к асимметрии пика полного поглощения, причем подавляющая часть такой асимметрии обус­ ловлена захватом носителей. Степень асимметрии пика полного поглощения обычно определяют следующим образом: иа рас­ стояниях от максимума пика в три стандартных отклонения (За) слева и справа выбирают равные участки спектра, кратные о, и не меньшие пяти каналов. В этих участках усредняют отсчеты по каналам, и полученное значение приписывают середине этого участка. Через рассчитанные точки проводят прямую линию, которую экспериментаторы иногда называют пьедесталом под пиком. Этот пьедестал может быть обусловлен как внешним фоном, так и регистрацией у-квантов более высоких энергий. После этого строят в полулогарифмическом масштабе (линей­ ном по оси каналов и логарифмическом по оси интенсивности или отсчетов) распределение, полученное в результате вычита­ ния из исходного распределения определенного выше пьедестала. Из максимума получившегося распределения опускают перпен­ дикуляр на ось каналов. На полувысоте (или на одной десятой высоты) пика проводят прямую, параллельную оси абсцисс (каналов) и пересекающую полученное распределение. Теперь определяют длину (в относительных единицах) отрезков, огра­ ниченных правым склоном распределения и перпендикуляром, опущенным из максимума на ось каналов (П), и аналогичным отрезком с левой стороны этого же перпендикуляра (Л). Мерой асимметрии пика является отношение П/Л. Естественно, что при использовании хороших детекторов это отношение близко к еди­

нице.

О качестве аппаратурной линии гамма-спектрометра с ППД судят также по отношению ширин пика ПШ, измеренной на одной сотой, на одной десятой и на половине его максимума

(или высоты), т. е. ПШ ^ М/ПШ М и ПШ М/ПШ М.

Для нормального распределения указанные отношения равны 1,41 и 1,83 соответственно. Обычно изготовители ППД норми­

руют отношение ПШ ^М/ПШ —М величиной, не превышаю­

щей 2.

В работе [70] приводится метод отбора импульсов по их временным характеристикам, при которых это отношение прак­ тически равно своему теоретическому пределу.

Протяженный континуум, правый край которого отмечен на рис. 5.11, а, Ен обусловлен регистрацией комптоновских электро­

206

нов отдачи. По своей форме это распределение находится в хо­ рошем согласии с теоретическим [71]. Энергия, соответствующая краю комптоиовского распределения Д,; макс, и энергия, соот­ ветствующая полному поглощению у-кванта, связаны соот­ ношением

(1 + тас */2 Е у)

Разность между энергиями, соответствующими пику полного поглощения и краю комптоиовского распределения, равна

комптоиовского распределения наблюдается плавная («зализан­

области (несколько кубических сантиметров) и у кремниевых ППД. Появление этой ступеньки объясняется двукратным комптоповским взаимодействием у-нванта в пределах чувствительной области ППД. Как правило, с ростом объема чувствительной области ППД эта ступенька имеет тенденцию к уменьшению. Величина этой ступеньки в рассмотренных ниже условиях будет минимальной при оптимальном соотношении между внешней плоиХадыо ППД и объемом его чувствительной области. Дру­ гими словами, с этой точки зрения оптимальным будет такой ППД, у которого линейные размеры чувствительной области по всем трем измерениям равны, а в пределе желательно иметь детектор с чувствительной областью шарообразной формы, у которого отношение площади поверхности к объему мини­ мально. Это требование легко пояснить следующими физиче­ скими предпосылками. Поскольку вероятность вылета рассеян­ ного у-кванта из чувствительной области ППД пропорциональна площади внешней поверхности ППД, а вероятность его погло­ щения будет расти с увеличением объема чувствительной об­ ласти, выгодно всегда использовать детекторы больших объемов.

Это же явление в некоторой мере поясняет и увеличение так называемого «фотовклада» с увеличением чувствительного объема ППД. Под величиной фотовклада понимают отношение площади пика полного поглощения к полной площади под аппа­ ратурным спектром. Характерная зависимость фотовклада от энергии у-квантов для двух детекторов (планарного и коакси­ ального) приведена на рис. 5.12 [3]. Разница между расчетной и экспериментальной кривыми для планарного детектора харак­ теризует так называемую комптоновскую «перекачку». В табл. 5.4

207

для двух значений энергии и четырех значений толщины чувст­ вительной области ППД приведены данные, характеризующие вклад от «перекачки» [5].

208

при равном фотовкладе детектор с наименьшим значением энер­ гетического разрешения.

Около средней части комптоновского распределения в рас­ сматриваемом энергетическом диапазоне имеется так называе­ мый пик обратного рассеяния, обусловленный регистрацией рас­ сеянных вне чувствительной области у-квантов. Энергия, соот­ ветствующая максимуму пика обратного рассеяния при регист­ рации моноэнергетического у-излучения, равна разности энергий между максимумом пика полного поглощения и края компто­ новского распределения. Положение максимума можно вычис­ лить по формуле (5.11). Распределение, обусловленное обрат­ ным рассеянием, по своей форме зеркально повторяет континуум высокоэнергетического края комптоновского распределения.

В некоторых случаях в младших каналах распределения могут присутствовать пики, обусловленные регистрацией воз­ бужденного рассеянными у-квантами флуоресцентного рентге­ новского излучения. В тех случаях, когда регистрация возбуж­ денных рентгеновских квантов нежелательна, принимают сле­ дующие меры. Уменьшают до технически целесообразного мини­ мума массу окружающих ППД материалов конструкции (хладопровод, колпаки, экраны, фланцы и т. п.). Эти же меры при­ водят к уменьшению рассеянных у-квантов, дающих вклад в пик обратного рассеяния.

В некоторых случаях при регистрации относительно мягкого у-излучения (Еу <150 кэВ) левее основного пика может наблю­ даться слабоинтенсивный пик-сателлит, который обусловлен вылетом флуоресцентного рентгеновского кванта германия [72]. Энергия этого кванта равна 9,88' кэВ. Обычно интенсивность пика вылета рентгеновского кванта в сто и более раз меньше, чем у основного пика. Подробно этот вопрос рассмотрен в сле­ дующей главе.

Дальнейший подъем интенсивности в самых начальных кана­ лах обусловлен собственными шумами самого ППД и электрон­ ной аппаратуры спектрометра.

На рис. 5.11,6 приведена характерная форма гипотетиче­ ского спектра, полученная при регистрации у-излучения во вто­ ром энергетическом диапазоне, т. е. при Е у > 2 т0с2. Крайний правый пик, как и в первом случае, обусловлен фотопоглоще­ нием, многократным комптоновским рассеянием с последующим фотопоглощением, а также полным поглощением излучения, возникающего в процессе образования электрон-позитронной пары. В этом случае энергия первичного у-кванта идет на обра­ зование электрона и позитрона. В результате ионизационных потерь электрон и позитрон передают свою энергию материалу чувствительной области ППД. Позитрон при замедлении анни­ гилирует, испуская два у-кванта с энергией по 511 кэВ, каждый из которых может в свою очередь поглотиться материалом чув-

20 9