Ядерно-физические приборы (7 сем) / 5 лаба

Национальный исследовательский ядерный университет

«МИФИ»

Отчет по лабораторной работе «ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОНУКЛИДОВ С ПОМОЩЬЮ КСЕНОНОВОГО ГАММА-ДЕТЕКТОРА»

Выполнил

Студент группы Б21-105

Морозов М. А

Проверил

Шустов А. Е.

Цель работы: исследование спектрометрических характеристик ксенонового гамма-детектора (КГД). Определение эффективности регистрации КГД.

Введение

Гамма-спектрометры — класс детекторов, предназначенный для регистрации гамма-излучения. Наиболее важными характеристика ми детектора являются энергетическое разрешение и эффективность регистрации. Данная лабораторная работа посвящена исследованию эффективности регистрации КГД в зависимости от энергии гамма-квантов.

4.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО КСЕНОНОВОГО ГАММА-ДЕТЕКТОРА НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ

Ксеноновые гамма-детекторы в отличие от других гамма-детекторов обладают хорошими спектрометрическими характеристиками. Важной особенностью ксеноновых гамма-детекторов является то обстоятельство, что их спектрометрические характеристики практически не зависят от размеров. Рабочее вещество ксеноновых гамма-спектрометров имеет сравнительно невысокую плотность (0,5-0,6 г/см3), в результате чего их удельная эффективность регистрации гамма-излучения в несколько раз меньше, чем у кристаллических гамма-детекторов. Однако эффективность регистрации, в зависимости от требований конкретных исследований, можно повысить за счет увеличения объема рабочего вещества гамма-детектора.

Основу гамма-спектрометра, изучаемого в данной работе, составляет цилиндрическая ионизационная камера с экранирующей сеткой. Камера работает в импульсном режиме. В качестве рабочего вещества ионизационной камеры используется сжатый ксенон (Хе) высокой чистоты. Для увеличения эффективности газовых спектрометрических детекторов применяются инертные газы с большим атомным номером.

При прохождении через вещество гамма-кванты испытывают три типа взаимодействия: фотоэффект, эффект Комптона, и образование электронно-позитронных пар. Сечения этих взаимодействий (s) зависят от атомного номера Z рабочего вещества и энергии Е гамма-кванта следующим образом:

(4.1)

Общая схема включения импульсной ионизационной камеры показана на рис. 4.1. При взаимодействии гамма-кванта с рабочим веществом в ионизационной камере образуются ионы атомов ксенона и электроны, которые под действием электрического поля движутся к катоду и аноду соответственно.

Рис. 4.1. Схема включения ионизационной камеры с экранирующей сеткой: U0 – напряжение на катоде; Uс – напряжение на сетке; R – сопротивление; С – конденсатор

Теорема Шокли-Рамо устанавливает, что наведенный заряд q и ток i определяются расстоянием, на которое смещаются движущиеся носители заряда (не принимая во внимание наличие объемного заряда от медленных положительных ионов):

Образование наведенного заряда на аноде цилиндрической ионизационной камеры без экранирующей сетки осуществляется во время движения в ней заряженной частицы. При этом происходит зарядка и разрядка емкости С. Приращение заряда dq на этой емкости за время dt при условии, что потенциал катода равен единице, составит:

Уменьшение заряда на емкости С пропорционально величине заряда q(t) и 1/RC, т.е.

Таким образом, изменение заряда на емкости С описывается дифференциальным уравнением

Решение этого дифференциального уравнения, найденное методом вариации постоянных, имеет вид

В цилиндрической камере электрическое поле Е описывается формулой

Тогда напряжение на конденсаторе, создаваемое электронной составляющий при условии, что t £ RC, можно записать в следующем виде

При достаточно больших полях скорость дрейфа электронов v в ионизационной камере слабо зависит от величины напряженности электрического поля. Для многих газов эта скорость пропорциональна корню квадратному из напряженности электрического поля, т.е.

Подставив в выражение (4.7) и заменив t на переменную r, после интегрирования получим

Максимальное значение этого выражения имеет вид