книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

мой загрузкой в первую очередь в канале защитного сцинтил­ лятора. Если при этом используется детектор с малым объемом чувствительной области, то полная эффективность регистрации спектрометра будет низкая. Другой недостаток подобных спек­ трометров— заметное уменьшение эффективности из-за одно­ временной регистрации во времени совпадений каскадных

Рис. 5.25. Разновидности спектрометров с защит­ ным сцинтиллятором на антнсовпаденпях:

а — источник внутри защитного сцинтиллятора; б — ис­ точник вне защитного сцинтиллятора; в — источник внутри колодца анализирующего ППД; I — ППД; 2 — защитным сцинтиллятор; 3 — фотоумножители; 4 — свинцовыЛ коллиматор; 5 — v -нсточник.

у-квантов анализирующим детектором и защитным сцинтилля­ тором.

От этих недостатков свободен спектрометр антисовпадений, изображенный на рис. 5.25, б. При такой конструкции радиоак­ тивный образец располагают вне защитного сцинтиллятора. Че­ рез узкое отверстие в свинцовой защите коллимированный пучок у-квантов падает на анализирующий детектор. Свинцовая защи­ та, расположенная между источником и защитным сцинтилля­ тором, одновременно выполняет функции коллиматора и предо­

240

храняет защитный сцинтиллятор от облучения прямым пучком у-квантов. В этой системе полностью устранены недостатки, при­ сущие спектрометрам первого типа, однако она характеризуется более низкой эффективностью и требует использования источ­ ников большой активности.

Чувствительность спектрометра с защитой на антисовпаде­ ниях можно существенно повысить и значительно снизить ниж­ ний порог энергетического диапазона, использовав в анализи­ рующем канале полупроводниковый детектор с колодцем или со сквозным отверстием (рис. 5.25, в). Детектор с колодцем, внутри которого располагается образец, обеспечивает почти ^-геомет­ рию измерения и одновременно уменьшает загрузку на выходе канала с защитным сцинтиллятором, обусловленную поглоще­ нием в нем первичных у-квантов источника. Главное преиму­ щество спектрометров, имеющих подобное устройство, должно состоять в том, что за пределы анализирующего детектора с ко­ лодцем из-за высокого фотопоглощения почти не будут выхо­ дить у-кванты с энергией ниже — 150 кэВ. Следовательно, при пороге спектрометра в 30—50 кэВ нижний порог регистрации защитного сцинтиллятора будет составлять уже около 200 кэВ, что особенно важно при использовании в качестве защитного сцинтиллятора пластмассы или сцинтиллирующей жидкости. До настоящего времени в периодической литературе не встреча­ лись работы с описанием спектрометров антисовпадений, в ана­ лизирующем канале которых использовались бы Ge(Li) -детек­ торы с колодцем или со сквозным отверстием. Скорее всего это связано с технологическими трудностями изготовления подоб­ ных детекторов. Однако можно надеяться, что они найдут ши­ рокое применение при исследовании активности низкого уровня.

Искажения спектра, обусловленные рассеянием у-квантов в нечувствительном объеме ППД, приводят к увеличению комптоновского распределения. Подобные искажения уменьшают, сво­ дя к минимуму нечувствительный объем ППД или увеличивая коэффициент использования материала и объема ППД в целом,, и этот путь, пожалуй, единственный.

Радиоактивность окружающих материалов повышает фон ППД и защитного сцинтиллятора и заметно искажает спектр в основном при исследовании низкоактивных образцов в спектро­ метрах первого и третьего типов (см. рис. 5.25, а и в). Фоновое излучение в спектрометрах второго типа (см. рис. 5.25,6) на форму спектра влияет незначительно, так как в последнем слу­ чае в измерениях используют радиоактивные образцы, актив­ ность которых значительно выше уровня фона. Фон анализирую­ щего детектора и защитного сцинтиллятора, обусловленный радиоактивностью окружающей среды, уменьшают в основном, окружая их свинцовой защитой, а иногда защитой из железа и ртути (или комбинируя их). Однако спектрометры с защитой на антисовпадениях всех трех рассмотренных типов сами по

241

себе характеризуются очень важным свойством. Использование в них защитного сцинтиллятора не только способствует подав­ лению непрерывного распределения, обусловленного эффектом Комптона и рождением пар, но также в 2—5 раз снижает счет, обусловленный внешним у-фоном и космическим излучением. При этом защитный сцинтиллятор служит экраном, ослабляю­

щим прямой поток фоновых из­ лучений, и позволяет дополни­ тельно понижать фон внешних излучений в результате совпаде­ ний импульсов в Ge(Li) -детекто­ ре и защитном сцинтилляторе

[7].

рах непрерывного комптоновского распределения.

Более совершенная конструкция спектрометра с защитой на антисовпадениях описана в работе [162] и представлена на рис. 5.26.

В данном спектрометре в качестве защитного сцинтиллятора использовали пластмассовый сцинтиллятор. Это один из первых спектрометров, согласно литературным данным, в котором пла­ стмассовый сцинтиллятор использовали совместно с Ge(Li)- детектором в режиме антисовпадений.

Высокая конверсионная эффективность таких пластмассовых сцинтилляторов позволяет получить энергетическое разрешение примерно 30% по у-линии 1,12 МэВ изотопа 65Zn для блоков размером 0 6 5 0 x 750 мм [163].

242

Защитный пластмассовый сцинтиллятор в спектрометре, по­ строенном авторами работы [162], представлял собой цилиндри­ ческий блок и имел размеры 0 6 6 0 x 610 мм.

Несмотря на относительно невысокие измерительные харак­ теристики спектрометра, авторам работы удалось на использо­ ванном спектрометре с защитой на антисовпадениях уменьшить непрерывное распределение в области комптоновского края в 11,5 раза для у-квантов с энергией 0,662 МэВ. Что касается об­ ласти спектра ниже обратного рассеяния, то для у-квантов той же энергии получено уменьшение непрерывного распределения в 6,3 раза.

Так как рассматриваемый спектрометр с защитой на анти­

котором представлены аппаратурные у-спектры смеси изотопов 134Cs и 137Cs, полученные в однодетекторном режиме (1) и в ре­ жиме спектрометра антисовпадений (2). Приведенные спектры для наглядности отиормированы по пику полного поглощения 0,662 МэВ изотопа 137Cs. Из-за эффекта каскадности в спектре

243

При работе спектрометра в режиме антисовпадений авторы работы [162] не заметили ухудшения по сравнению с однодетек­ торным режимом ни энергетического разрешения, ни скорости счета в пике полного поглощения некаскадных у-квантов, тогда как доля комптоновского распределения снижена примерно в

10раз.

При оценке эффективности подавления непрерывного распре­

деления подобных установок следует исходить из эффективности регистрации у-квантов пластмассовым сцинтиллятором. Для получения эффективности регистрации можно воспользоваться коэффициентами линейного поглощения у-квантов в пластмассо­ вом сцинтилляторе, приведенными в табл. 5.8. Оценка показы-

Т а б л и ц а 5.8

Полные коэффициенты поглощения ^-излучения в пластмассовом сцинтилляторе

1

вает, что эффективность регистрации у-квантов пластмассовым сцинтиллятором с 0 300x300 мм составляет около 65—75% для энергии 200—500 кэВ и уменьшается с увеличением энергии у-квантов. Следовательно, использование в таких спектрометрах Ge(Li)-детектора с большим объемом чувствительной области и с хорошим энергетическим разрешением в сочетании с боль­ шим защитным сцинтиллятором позволит существенно увели­ чить величину отношения высоты пика полного поглощения к высоте непрерывного комптоновского распределения.

Влитературе известно несколько спектрометров первого типа

сзащитой на антисовпадениях (см. рис. 5.25, а), в анализирую­ щем канале которых использовался Ge(Li)-детектор коаксиаль­ ного типа относительно большого объема чувствительной обла­ сти с хорошим энергетическим разрешением [164— 166].

Уменьшение эффективности регистрации каскадных у-кван­ тов при работе со спектрометрами первого типа с защитой на антисовпадениях — их основной недостаток. Если объект иссле­ дования— само каскадное у-излучение и его интенсивность зна­ чительная, то в таких случаях гораздо удобнее измерения про­ водить в однодетекторном режиме или режиме совпадений. Если каскадное излучение большой интенсивности — мешающее, на непрерывном распределении которого сосредоточена полезная информация слабой интенсивности, то в подобных ситуациях спектрометры с защитным сцинтиллятором на антисовпадениях

244

незаменимы. Действительно, в них непрерывное распределение подавляется гораздо сильнее, чем пики полного поглощения не составляющих каскад у-квантов. В результате этого чувстви­ тельность спектрометра к слабоинтенсивным некаскадным у-квантам увеличивается. При этом можно определить их коли­ чественно с достаточно малой погрешностью. Ярким примером сказанного могут служить у-спектры смеси изотопов 54Мп, 57Со, 60Со, 65Zn, 137Cs, 207Bi и 2|2РЬ, снятые в режимах спектрометров антисовпадений (рис. 5.28, кривая 2) и совпадений (см. рис. 5.28,

Рис. 5.28. у-Спектры смеси изотопов иМп, 57Со, 60Со, 65Zn, 127Cs, 207Ш и 2l2Pb,

измеренные в режиме совпадений (/) и в режиме антисовпадений (2).

кривая 1). В спектре, снятом в режиме спектрометра антисов­ падений, пики полного поглощения 60Со подавлены в 6,5 раза, в то время как края комптоновского распределения этих пиков уменьшены в 55 и 45 раз; что привело к значительному увели­ чению чувствительности спектрометра к у-излучению изотопов

54Мп, 57Со, 65Zn, 137Cs, 2|2РЬ. Как отмечается в работе [165], от­ ношение высоты пика полного поглощения к высоте непрерыв­ ного распределения в аппаратурных спектрах у-излучения изо­ топов 54Мп п 65Zn увеличилось в 15 раз, при этом потеря в пиках полного поглощения указанных изотопов составила меньше 2%.

Очень перспективны с точки зрения получения высокой чув­ ствительности спектрометры третьего типа с защитным сцинтил­ лятором на антисовпадениях (см. рис. 5.25, в), в анализирующем канале которых могут быть использованы Ge(Li)-детекторы с колодцем или со сквозным отверстием. Исследуемый образец в таких спектрометрах можно поместить внутрь колодца или сквозного отверстия, что даст возможность получить почти 4л-геометрию измерения. В результате подавления непрерывного комптоновского распределения в режимах работы на антисовпа­

245

дениях и дискриминации по форме чувствительность спектро­ метра можно довести до значения, близкого к предельному, что позволит измерять очень слабые активности.

В спектрометрах третьего типа с защитой на антисовпаде­ ниях также перспективно использовать в анализирующем ка­ нале интегральный (монолитный) детектор с двумя раздельны­ ми чувствительными областями. Такие ППД условно названы «дуодами» (ДУальный диОД). В такой системе непрерывное комптоновское распределение будет подавляться тремя незави­ симыми путями: работой в режиме антисовпадений, совпаде­ ниями с суммированием внутри самого дуода и дискриминацией импульсов по форме. Естественно, что такое устройство будет очень эффективно содействовать подавлению в измеренных спектрах мешающего комптоновского распределения.

Если спектрометры первого и второго типов с защитой на антнсовпадениях широко применяют для решения самых разно­ образных прикладных задач, спектрометры третьего типа еще только разрабатываются. Это, по-виднмому, связано с теми тех­ нологическими трудностями, которые существуют и возникают при изготовлении Ge(Li)-детекторов с колодцем или составных Ge (Li)-детекторов типа дуод.

Область использования спектрометра антисовпадеиий с хо­ рошим энергетическим разрешением достаточно обширная. Их с успехом используют при исследовании схем распада радио­

стых конструктивных и технологических материалов и т. п. Одно из важных применений спектрометров антисовпадеиий — изме­ рение с их помощью предельно низких активностей [167].

Комптоновские спектрометры совпадений. Принцип действия комптоновского спектрометра совпадений основан на регистра­ ции при рассеянии у-кванта сигнала от электрона отдачи в пре­ делах чувствительной области ППД при условии, что рассеян­ ный у-квант будет детектирован в сциитилляционном детекторе.

Вэтом случае ППД используют как анализирующий детектор,

аецпнтилляционный — как управляющий.

Для регистрации рассеянных квантов в комптоновских спек­ трометрах совпадений обычно используют монокристаллы Nal(TI) и CsI(Tl) или пластмассовые сцинтилляторы, электроны отдачи регистрируют полупроводниковыми детекторами на осно­ ве кремния или германия.

К настоящему времени созданы комптоновские гамма-спек­ трометры различных модификаций с ППД. Однако по геомет­ рии расположения используемых блоков детектирования и фор­ ме регистрирующих рассеянные кванты сцинтилляторов их можно объединить в три основные группы, схематически изобра­ женные на рис. 5.29. Во всех трех разновидностях комптонов-

246

■ского спектрометра блоки детектирования расположены таким

•образом, что прямая, соединяющая их центры, составляет угол '&^150о по отношению к направлению падения пучка первичного излучения. В этом случае сциитилляционный блок детектирова­ ния регистрирует у-кванты, рассеянные в чувствительной обла­

совпадений это свойство по­ зволяет по энергии электронов отдачи определить энергию пер­ вичных у-квантов:

Энергия электронов отдачи, согласно приведенному соотно­ шению, имеет максимальное значение при '3=180°, при этом направление движения электрона совпадает с направлением па­ дающего у-кванта. С увеличением энергии первичных у-квантов энергия вылетающих вперед электронов отдачи растет, и при очень больших энергиях падающих у-квантов (Еу ^>тйс2) при­ ближается к значению

247

На рис. 5.30 (кривая 2) приведена зависимость максималь­ ной энергии электронов отдачи от энергии падающих у-квантов. Она с достаточной степенью точности линейна выше значения энергии первичных у-квантов, равного примерно 0,25 МэВ. На рис. 5.30 представлена зависимость энергии обратно рассеянного у-кванта от энергии падающего у-излучемия (кривая 1). Для жестких первичных у-квантов (Еу ^>т0с2) рассеянное назад у-из-

Рис. 5.30. Зависимость энергии обратно рассе­ янных квантов (/) н мак­ симальной энергии элек­ тронов отдачи (2) от энергии первичных

у-квантов.

довательно, толщина сцинтилляционного детектора в управляю­ щем канале комптоновского спектрометра должна быть выбрана из расчета максимального поглощения у-квантов с энергией примерно 0,25 МэВ.

В управляющий сцинтилляционный детектор с диаметром ко­ нечной величины попадает излучение, рассеянное не только под углом 0, но и в некотором интервале углов АО'. Это приводит к дополнительному разбросу в энергии регистрируемых электро­ нов отдачи и, следовательно, к дополнительному уширеиию ап­ паратурной линии и увеличению погрешности в определении энергии падающего у-излучеиия. Для уменьшения разброса энергии электронов отдачи следует уменьшать ограниченный управляющим детектором телесный угол, что в свою очередь приводит к уменьшению эффективности регистрации комптонов­ ского спектрометра. Чтобы избежать потери в эффективности регистрации и уменьшить разброс энергии электронов отдачи, управляющий детектор обычно располагают под углом, боль­ шим 150°. При углах рассеяния первичных у-квантов, больших 150°, энергия электронов отдачи слабо зависит от угла рассея­ ния (рис. 5.31) и, следовательно, разброс по энергиям имеет минпм альиое значение.

Значения эффективностей регистрации комптоиовских спек­ трометров совпадений всех трех типов лежат в пределах от 10-8

248

до 1СН5. Среди них минимальной эффективностью регистрации характеризуются спектрометры, в которых у-кванты, рассеянные под углом#, регистрируются кристаллом Nal(Tl) небольших размеров (см. рис. 5.29, а). Использование в управляющем ка­ нале сцинтилляционного блока детектирования с кристаллом Nal(Tl) в виде кольца (см. рис. 5.29,6) дает возможность до­ стичь эффективности регистрации, на порядок большей по срав­

ностью регистрации, они имеют один существенный недостаток, связанный с регистрацией каскадных у-квантов. Этот эффект приводит к увеличению в измеренном спектре фона непрерыв­ ного распределения. Однако при использовании в анализирую­ щем канале детектора малой толщины эффект каскадности можно свести к минимуму.

Конечный телесный угол, ограниченный управляющим детек­ тором, приводит к дополнительному уширению аппаратурной линии. Помимо этого эффекта существует еще один источник ухудшения энергетического разрешения комптоновского спектро­ метра совпадений. При попытке улучшить энергетическое раз­ решение комптоновского спектрометра обнаружили, что оно ограничивается также допплеровским эффектом, возникающим из-за движения рассеивающих связанных электронов в анали­ зирующем детекторе. Так как движение этих электронов ока­ зывает влияние на распределение энергии между рассеянным у-квантом и электроном отдачи, то появляется неопределенность в потере энергии первичного у-кванта в ППД, приводящая к дополнительному уширению линии. Влияние допплеровского уширенмя в детекторах на основе германия из-за большого по­ рядкового атомного номера Z значительнее, чем в детекторах на основе кремния. Однако во многих работах установили, что указанный эффект значителен при ' малых энергиях падающих

249