книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

менклатуру типов спектрометров разбивают иа две группы: однодетекторные и многодетекторные. Если в одиодетекторных спектрометрах аппаратурные возможности определяются в ос­ новном только параметрами одного ППД, то в многодетектор­ ных спектрометрах — совокупностью параметров детекторов (полупроводниковых и сцинтилляционных, если используются последние): их геометрическими размерами, взаимным распо-

Рис. 5.18. Разновидности гамма-спектрометров с ППД.

ложением, а также параметрами электронной аппаратуры, обра­ батывающей сигналы используемых детекторов (амплитудновременная селекция, сложение и др.). Последующие разделы этого параграфа посвящены рассмотрению особенностей по­ строения спектрометров с улучшенной формой аппаратурной линии, их блоков детектирования, а также областей их приме­ нения.

Спектрометры полного поглощения. Хорошо известно, что на форму пиков полного поглощения в спектрах, снятых на гаммаспектрометре с ППД, мало влияет рассеянное излучение, а из­ менения энергетического разрешения не сказываются на вели­ чине площади под пиком. Следовательно, из всего спектра меньше всего подвержен искажению пик полного поглощения, происхождение которого, как отмечалось выше, связано с фото­ поглощением и процессами многократного рассеяния у-квантов в материале детектора. Благодаря этому при решении приклад­ ных задач с применением гамма-спектрометра с ППД искомые величины нередко определяют, анализируя пики полного погло­ щения. Подобный анализ чаще всего связан с определением значений энергии у-квантов по положению пиков полного погло­

230

щения и величин площадей под ними. Поэтому, чтобы выпол­ нить такой анализ пика полного поглощения, необходимо в из­ меренном у-спектре выделить его достаточно четко.

Серьезный недостаток гамма-спектрометров с германиевыми детекторами с небольшими объемами чувствительной области — сложная форма их аппаратурной линии. Это затрудняет обра­ ботку измеренных спектров для получения необходимых экспе­ риментальных данных, особенно когда регистрируемое излуче­ ние содержит несколько групп моноэнергетических квантов, среди которых имеются слабоинтенсивные линии. В таком слу­ чае пики полного поглощения слабой интенсивности могут на­ кладываться на непрерывные распределения от более жестких и интенсивных линий, что еще больше усложняет форму изме­ ренного спектра и делает почти невозможным его интерпрета­ цию без применения дорогостоящих и трудоемких машинных методов.

При больших энергиях (Еу > 2 т 0с2) в аппаратурном спектре дополнительно появляются пики вылета одного и двух анниги­ ляционных квантов, связанных с процессами образования пар в результате взаимодействия жестких у-квантов с веществом де­ тектора. Для таких энергий существенными становятся и иска­ жения вследствие утечки с поверхности кристалла электронов и тормозных квантов. Все это приводит к увеличению площади под непрерывным распределением и, следовательно, к уменьше­ нию величины фоточасти спектра. Один из путей преодоления

На рис. 5.19 приведены амплитудные распределения от моно­ хроматических у-квантов с энергией 661,6 кэВ, испускаемых при распаде радиоактивного изотопа ,37Cs. Спектры измеряли с Ge(Li) -детекторами разных объемов: кривая 1 соответствует планарному детектору с объемом примерно 6 см3, а кривая 2 — коаксиальному детектору с чувствительным объемом около 56 см3. Для сравнения амплитудные распределения отнормированы по фотопику, при этом оба детектора имели одинаковое энергети­ ческое разрешение, по величине равное 4 кэВ по у-линии 1,33 МэВ изотопа а0Со. Спектры наглядно демонстрируют эф­ фект перекачки импульсов из области непрерывного распреде­ ления в пик полного поглощения при увеличении объема де­ тектора.

Приведенные выше данные показывают, что у-кванты в диа­ пазоне энергий от 0,2 до 3,0 МэВ взаимодействуют с германием в. основном путем комптоновского эффекта.

энергии 1,5 МэВ вероятность фотопоглощения имеет значение всего лишь 0,6%, а при этом вероятность комптоновского рас­

231

сеяния достигает своего максимального значения — 98,4%- Исхо­ дя из сказанного, на первый взгляд может показаться, что в у-спектре, измеренном на Ge(Li)-детекторе при поглощении в нем у-квантов с энергией 1,5 МэВ, пик полного поглощения по площади будет составлять малую долю площади под всем спек­ тром. Однако благодаря высокой плотности германия (5,35 г/см3) имеется большая вероятность «перекачки» рассеянного нзлуче-

Рис. 5.19. Отнормированиые по пику полного поглощения

ния под пик полного поглощения в результате многократных комптоновских взаимодействий. В работе [4] рассчитана эффек­ тивность такой «перекачки» для германиевого планарного де­ тектора с толщиной чувствительной области 8 мм и установлено, что для энергий у-квантов свыше 600 кэВ она составляет 80% площади пика полного поглощения. Анализ таблицы показывает, что при энергиях у-квантов 1,5 МэВ для йодистого натрия ве­ роятность рассеяния хоть и значительно превосходит вероят­ ность фотопоглощения (в 25—30 раз), однако такой же «пере­ качки» под пик полного поглощения, как для германиевых детекторов, можно достичь лишь при использовании монокри­ сталлов Nal(Tl) значительно больших размеров (0100X 100 мм

232

и больше). Это объясняется относительно низкой плотностью монокристалла Nal(Tl) (3,667 г/см3).

Выше энергии 1,5 МэВ процессы комптоновского рассеяния и образования пар имеют доминирующее значение и являются практически основными видами взаимодействия. При еще боль­ ших энергиях у-квантов процесс образования пар становится превалирующим, поэтому при работе в такой энергетической об­ ласти крайне желательно использовать Ge(Li)-детекторы боль-

2753,92-2тдс г

L

Рис. 5.20. Жесткая часть у-спектра изотопа 24Na, из­ меренная с помощью Ge (Li)-детектора с объемом около 6 см3.

шого объема, способствующие подавлению пиков вылета при энергиях (Еу— 1,02) МэВ и (Еу —0,511) МэВ. С увеличением объема детектора вероятность вылета двух квантов из него рез­ ко падает. Что касается вероятности вылета одного кванта, то для детекторов большого объема она сравнима с вероятностью вылета двух квантов и растет с увеличением энергии первичных квантов. Следовательно, подавление пиков вылета и увеличение вероятности многократных комптоновских взаимодействий при использовании детекторов больших объемов значительно увели­ чивает вклад полезной информации в пик полного поглощения

изаметно упрощает аппаратурную линию.

Вкачестве иллюстрации эффектов утечки аннигиляционных квантов из детекторов различных объемов на рис. 5.20 и 5.21 представлены у-спектры изотопа 24Na. Для у-линии с энергией 2753,92 кэВ сечение образования пар имеет заметную величину, поэтому в измеренных спектрах эффекты утечки выявлены четко. Сравнение спектров показывает, что в случае детектора с объ­ емом около 56 см3 (см. рис. 5.21) пики вылета аннигиляционных

233

квантов значительно подавлены по сравнению с детектором, имеющим чувствительный объем примерно 6 см3 (см. рис. 5.20).

Увеличение объема чувствительной области германиевого детектора хотя и способствует эффективной перекачке информа­ ции в пик полного поглощения, но накладывает определенные ограничения на его основные характеристики. Дело в том, что с увеличением объема детектора растет и его емкость, что вы­ зывает большие затруднения в получении оптимального энерге­ тического разрешения системы детектор — спектрометрический тракт. К тому же получение необходимой чистоты слитка гер-

2753,32кэВ

Рис. 5.21. Жесткая часть успектра изотопа 24Na, измеренная с помощью Ge (Li)-детектора с объ­ емом примерно 56 см3.

мания большого объема представляет собой определенные тех­ нологические трудности.

При разработке и практическом создании гамма-спектромет­ ра с германиевым детектором большого объема следует исхо­ дить из следующих необходимых условий, позволяющих реали­ зовать достоинства спектрометров такого типа: I) должна быть выбрана оптимальная геометрия измерения; 2) должны быть обеспечены все меры для получения наилучшего энергетического разрешения; 3) большая часть многократных рассеяний у-кван- тов должна происходить внутри активной области детектора.

Первое из этих условий по возможности удовлетворяется применением подходящих криостатов и коллиматоров специаль­ ной формы [59, 146, 147]. Применение коллиматоров существен­ но уменьшает влияние краевых эффектов на форму измеряемого спектра, однако их использование не всегда возможно, например, в случае источника со слабой активностью или весьма сильной

активностью.

Второе условие определяется индивидуальными качествами используемых детекторов и всего спектрометрического тракта. Основные факторы, влияющие на энергетическое разрешение си­ стемы детектор — спектрометрический тракт, следующие: сбор

234

заряда в детекторе; шумы детектора и спектрометрического тракта; статистический характер исследуемых сигналов и неста­ бильность спектрометрического тракта. Поэтому применение де­

ных сигналов, систем стабилизации спектра во время длитель­ ных измерений [154] в сочетании с прецизионными многока­ нальными анализаторами [155] — главные меры для получения высокого энергетического разрешения при относительно высоких загрузках и сравнительно длительных измерениях у-спектров.

Третье условие помимо увеличения объема детектора обес­ печивается использованием устройств дискриминации импульсов по форме. Авторы работ [75, 156— 160] показали, что вклад в комптоновское распределение в ППД большого объема обуслов­ лен не только рассеянием у-кваитов в чувствительной области детектора и в окружающих материалах, но и в результате взаи­ модействий в нечувствительной области самого ППД.

Носители заряда, возникающие вблизи п- и p-областей, име­ ют большое время сбора (до нескольких микросекунд) из-за слабого электрического поля и поэтому они имеют большую вероятность рекомбинации и захвата ловушками. Из-за воздействия формирующих цепей усилительного тракта ампли­ туды таких импульсов оказываются заниженными. В результате может увеличиться число импульсов как в области непрерывного распределения спектра, так и в хвосте (низкоэнергетической ча­ сти) пика полного поглощения. Таким образом, импульсы с мед­ ленным временем нарастания ухудшают энергетическое и вре­ менное разрешение ППД и уменьшают его фоточасть. Исполь­ зование в подобных случаях дополнительно устройства дискри­ минации импульсов по форме позволяет значительно улучшить энергетическое и временное разрешение спектрометра и упро­ стить форму аппаратурной линии.

Подавая импульсы с выхода предусилителя на вход анализа­ тора и управляя импульсами с выхода устройства дискримина­ ции по форме, можно достичь значительного улучшения формы аппаратурной линии (рис. 5.22 и 5.23). « .

Устройство дискриминации импульсов по форме в работе [157] было опробовано в гамма-спектрометре с германиевыми детекторами планарного и коаксиального типов. Оказалось, что для планарного детектора площадью 2,7x2,05 см2, толщиной чувствительной области 10,5 мм, толщиной мертвого слоя 0,3 мм с одной и 0,2 мм с другой стороны число импульсов с медлен­ ным временем нарастания составляет 26%, в то время как для коаксиального детектора объемом 20 см3 оно достигает 40% комптоновского распределения от радиоактивного источни­ ка 60Со.

235

Авторы работы [156] устройство дискриминации импульсов по форме использовали при регистрации жестких у-квантов. Ди­

держки).

форме 100:1, что позволяло одновременно измерять у-кванты, энергии которых различались на два порядка. На рис. 5.24 показано два у-спектра от захвата нейтронов природным строн­ цием. Верхний спектр получен

ложенные импульсы, а также импульсы с медленным временем нарастания обнаруживаются по сдвигу этого момента.

Если нет возможности при измерениях использовать устрой­ ства дискриминации импульсов по форме того или другого типа,

236

то особое внимание должно быть уделено при изготовлении детекторов уменьшению объема некомпенсированной области, т. е. повышению коэффициента использования материала. При соблюдении таких требований количество импульсов с медлен­ ным временем нарастания будет значительно уменьшено, а их максимальное число будет определяться только лишь случаями вылета электронов в некомпенсированную область. Отметим, что устройства дискриминации импульсов по форме могут быть использованы не только в однодетекторных спектрометрах, но и в спектрометрах со многими детекторами самого различного назначения.

Спектрометры с защитным сцинтиллятором на антисовпаде­ ниях. Использовать гамма-спектрометры с диффузионно-дрейфо­ вым германиевым детектором большого объема чувствительной области для решения прикладных задач во многих случаях не представляется возможным по целому ряду причин (высокая стоимость детектора, неудовлетворительное энергетическое раз­ решение и т. д.). Этих трудностей можно избежать, если для регистрации распределений у-квантов использовать гамма-спек­ трометр с защитным сцинтиллятором на антисовпадениях. Ра­ бота такого спектрометра основана на следующем. Как отмеча­ лось выше, непрерывное распределение в у-спектре, полученном на спектрометре с Ge(Li)-детектором небольшого объема, обус­ ловлено неполной потерей энергии первичного у-кванта в чув­ ствительном объеме детектора. Рассеянный у-квант или анниги­ ляционное излучение, образованные в результате процессов комптоновского взаимодействия и образования пар, покидают детектор, унося с собой часть энергии первичного кванта.

Если ППД окружить сцинтиллятором достаточных размеров, который называют защитным, и подать после усиления и фор­ мирования их сигналы на схему антисовпаденнй, то можно до­ стичь значительного уменьшения интенсивности непрерывного комптоновского распределения. Комптоновское взаимодействие, создающее импульс в ППД, должно при этом сопровождаться регистрацией рассеянного у-кванта в защитном сцинтилляторе. Схема антисовпаденнй не блокирует последующий тракт реги­ страции аппаратурного спектра в тех случаях, когда на ее вход поступают импульсы только от Ge (Li)-детектора, что имеет ме­ сто при полной потере энергии в нем первичного кванта. В ре­ зультате этого моноэнергетическому излучению в измеренном спектре будет соответствовать единственный пик полного погло­ щения с небольшим непрерывным распределением в нпзкоэнергетнческой области спектра. Величина остаточного непрерыв­ ного распределения при этом определяется геометрией, разме­ рами и конструкцией ППД и защитного сцинтиллятора.

Таким образом, гамма-спектрометр с защитным сцинтилля­ тором, включенным с анализирующим Ge (Li)-детектором в схе­ му антисовпаденнй, представляет собой измерительную систе­

238

му, обладающую эффективностью однодетекторного спектромет­ ра и позволяющую уменьшить долю комптоновского распреде­ ления в аппаратурном спектре.

Качество аппаратурного спектра антисовпадеиий с германие­ вым ППД принято характеризовать величиной отношения вы­ соты пика полного поглощения к высоте непрерывного компто­ новского распределения (как правило, у высокоэнергетического края этого распределения Е к, где его высота максимального значения). Улучшение указанного параметра — одна из основ­ ных задач при проектировании и технической реализации раз­ личного типа многодетекторных спектрометров. К основным факторам, влияющим на величину отношения высоты пика пол­ ного поглощения к высоте непрерывного комптоновского распре­ деления в спектрометрах с защитой на антисовпаденнях, можно отнести следующие [147]:

1.Величины объемов чувствительной области ППД и защит­ ного сцинтиллятора, определяющие полную эффективность ре­ гистрации у-квантов.

2.Размеры сквозного отверстия или колодца в защитном сцинтилляторе, задающие телесный угол, в пределах которого регистрируется рассеянное германиевым детектором излучение.

5.Поглощение рассеянных у-квантов материалом, находя­ щимся между ППД и защитным сцинтиллятором.

6.Величина нечувствительного объема ППД, взаимодейст­ вие у-квантов в котором дает вклад в непрерывное комптоновское распределение.

7.Радиоактивность окружающих материалов, повышающая фон в ППД и в защитном сцинтилляторе.

8. Энергетическое разрешение тракта гамма-спектрометра

сППД.

9.Величина загрузки на входе электронных устройств.

По конструктивному исполнению все существующие спектро­ метры антисовпадений с ППД можно условно подразделить на три основные группы [7, 147]. Схематически они изображены на рис. 5.25. В спектрометрах первого типа (рис. 5.25, а) в качестве анализирующего детектора используют планарный и коаксиаль­ ный германиевый детекторы.' Защитный сцинтиллятор выполнен в виде цилиндрического блока с колодцем, в который помещают криостат с ППД. Исследуемый радиоактивный образец распо­ лагается внутри колодца вплотную к торцу криостата. У постро­ енных по такому принципу спектрометров, обладающих доста­ точно высокой эффективностью, есть определенные недостатки: источник размещен внутри колодца защитного сцинтиллятора, это накладывает ограничения на величину активности исследуе­ мого образца. Активность образца будет определяться допусти­

239