Спектрометрия ионизирующих излучений. Основные понятия и терминология. Учебно-методическое пособие

Спектрометр

Anticoinci-

Спектрометр гамма-излучения, состоящий из центрального кри-

антисовпадений

dence

сталла-анализатора небольшого размера и высокоэффективного

spectrometer,

охранного сцинтиллятора (неорганического, жидкого или пластиче-

Compton

ского), окружающего кристалл-анализатор. Импульсы, образующи-

suppression

еся в кристалле-анализаторе при поглощении гамма-квантов, фор-

spectrometer,

мируют аппаратурный спектр. Из-за небольшого размера этого де-

anti-Compton

тектора рассеянные вследствие эффекта Комптона гамма-кванты

spectrometer

могут выйти из детектора, но с большой вероятностью поглощают-

ся охранным сцинтиллятором. Импульсы с обоих детекторов посту-

пают на схему антисовпадений: импульсы, пришедшие одновре-

менно с двух детекторов, не учитываются. В современных спектро-

метрах данного типа (центральный кристалл – ППД) удается сни-

зить комптоновский фон в 30–60 раз

Спектрометр

3He gridded

Ионизационная камера (ИК) с сеткой, заполненная 3Не с добав-

нейтронов на

ionization

лением Ar и CH4 (парциальные давления 3,6 и 0,5 атм соответствен-

основе иониза-

chamber

но). При взаимодействии нейтрона энергии En с ядрами гелия мак-

ционной

spectrometer

симальная энергия ядра отдачи составит 0,75En . Энергия теплового

камеры с 3Не

пика реакции равна 0,764 кэВ. При регистрации моноэнергетиче-

ских нейтронов с En > 1 МэВ пик в экспериментальном спектре

наблюдается правее 0,764 кэВ. Энергия таких нейтронов пропорци-

ональна разности между центроидами этого пика и теплового пика

реакции. Сложность обработки спектра обусловлена попаданием в

измеренный спектр импульсов от сопутствующих событий: стеноч-

ного эффекта, упругого рассеяния нейтронов на ядрах гелия, прото-

нов, пороговых реакций на ядрах гелия. Спектр нейтронов восста-

навливают по экспериментальным данным. ИК, заполненные 3Не,

используются для измерений энергий до 10 МэВ. FWHM пика пол-

ного поглощения составляет 12–20 кэВ в диапазоне энергий доли

электронвольт – 1 МэВ

Спектрометри-

Linear

Электронный блок, к функциям которого относят: 1) усиление

ческий

pulse-shaping

сигнала, поступающего с выхода предусилителя; 2) формирование

усилитель

amplifier

сигнала для его дальнейшей обработки. В обоих случаях должна

всегда сохраняться содержательная информация, получаемая от де-

тектора, а отношение сигнал-шум (SNR) должно быть максимально

возможным.

Спектрометрический усилитель должен усиливать входной им-

пульс напряжения до уровня 10–12 В по амплитуде, прямо пропор-

циональной величине амплитуды входного импульса. Коэффициент

усиления, регулируемый в диапазоне от 1 почти до 104, должен

быть стабилен во всем динамическом диапазоне.

Формирование выходного импульса аналогового усилителя в

настоящее время в основном осуществляется двумя методами: с ис-

пользованием линии задержки и с помощью CR- и RC-цепочек

(дифференцирующих и интегрирующих)

Спектрометрия

Alpha-

См. Альфа-спектрометрия

альфа-

spectroscopy,

излучения

alpha-

spectrometry

Спектрометрия

Spectrometry

Раздел экспериментальной ядерной физики, в котором изучают-

ионизирующих

of ionizing

ся методы исследования энергетических спектров ядерных излуче-

излучений

radiation

ний. В ядерных технологиях в основном используются методы гам-

ма-спектрометрии, альфа-спектрометрии, бета-спектрометрии,

спектрометрии нейтронов. Энергия излучений, характерная для

изотопных источников бета- и гамма-излучения, находится здесь в

пределах от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлек-

тронвольт (на ускорителях энергии могут достигать существенно

больших значений); 4–9 МэВ (для альфа-излучения), доли элек-

тронвольт – до 20 МэВ (для нейтронов), поэтому используемые в

ядерных технологиях методы СИИ должны быть эффективны в ука-

занных энергетических диапазонах

Спектрометрия

Neutron

Совокупность методов исследования энергетических распреде-

нейтронов

spectrometry

лений нейтронов. Знание энергии нейтронов необходимо: 1) при

калибровке нейтронных детекторов; 2) для дозиметрического кон-

троля на рабочих местах, где существуют нейтронные поля;

3) вблизи активной зоны реакторов для контроля целостности обо-

лочек; 4) на термоядерных установках (диагностика плазмы, бри-

динг нейтронов в бланкете). Так как нейтроны не имеют заряда, их

регистрация основана на косвенных методах и возможна, если при

взаимодействии с чувствительной областью детектора или радиато-

помощью нескольких детекторов

Спектрометрия

Methods of

Экзоэнергетические реакции типа A(n, b)B с образованием заря-

нейтронов

spectrometry

женных частиц можно использовать для определения энергии

с использова-

using nuclear

нейтронов по энергии вторичных частиц. Если реакция происходит

нием ядерных

reaction

под действием медленного нейтрона, кинетической энергией кото-

реакций

products

рого можно пренебречь, то суммарная энергия продуктов реакции

примерно равна энергии реакции Q. В этом случае амплитуда реги-

стрируемого сигнала пропорциональна Q. Если же реакция проис-

ходит под действием быстрого нейтрона с энергией Е, то его энер-

гия добавляется к энергии Q, и амплитуда сигнала пропорциональна

Q + Е. Разность амплитуд сигналов от реакций, вызванных медлен-

ными и быстрыми нейтронами, пропорциональна энергии послед-

них. Рабочее вещество для детектора выбирают из следующих

условий:

1) на ядре вещества должна идти только одна экзоэнергетиче-

ская реакция; 2) сечение реакции должно быть достаточно большим

в широком диапазоне энергий нейтронов (до нескольких мегаэлек-

тронвольт), и его зависимость от энергии должна быть как можно

проще. Лучше всего это условие выполняется в области легких

ядер; 3) для получения более высокого энергетического разрешения

энергия реакции не должна быть слишком большой (отношение ам-

плитуд сигналов от нейтронов с энергиями Е1 и Е2 равно

(Q + E1)/(Q + E2), поэтому при Q → оно стремится к единице).

При очень малых Q небольшие сигналы от нейтронов низких энер-

гий трудно регистрировать; 4) рабочее вещество вводится в газ ИК

либо в состав сцинтиллятора.

Всем указанным требованиям удовлетворяет ограниченное чис-

ло изотопов, среди которых – 3He, 6Li, 10B. Используются реакции

3He(n, p)T

(Q = 764 кэВ),

6Li(n, α)T

(Q = 4,78 МэВ),

10B(n, α)7Li

(Q = 2,79 МэВ)

Среднее значе-

Mean, average,

Числовая характеристика распределения p(x) дискретной или

ние случайной

expectation,

непрерывной случайной

величины x,

равная M (x) = Σ xp(x) или

величины x

M(x)

∞ xp(x)dx

соответственно. Называется также математическим

−∞

ожиданием случайной величины. Среднее значение равно началь-

ному моменту распределения первого порядка

Средняя длина

Mean free path

В отличие от альфа- и бета-частиц фотоны не имеют определен-

свободного

of photon

ного пробега или тормозного пути в веществе. Величина, обратная

пробега фотона

линейному

коэффициенту ослабления (1/μ), имеет

размерность

длины и называется средней длиной свободного пробега, равной

среднему расстоянию, которое проходит фотон (гамма-квант) меж-

ду взаимодействиями. Гамма-квант с ненулевой вероятностью мо-

жет пройти любой слой вещества без взаимодействия

Средняя энер-

Average energy

Величина ε, определяющая среднее число носителей зарядов n,

гия образова-

needed to cre-

образующихся при поглощении в чувствительной области детекто-

ния носителей

ate electron-ion

ра частиц и фотонов с энергией E: n = E/ε. Наименьшими величи-

зарядов

or electron-hole

нами ε обладают полупроводниковые материалы (3–5 эВ), у газов,

pair

используемых в ионизационных камерах значения ε на порядок

больше (20–30 эВ). Аналогом величины ε в сцинтилляторах являет-

ся удельный световыход

Стабилизатор

Spectrum

Стабилизатор спектра (CC) фиксирует положение пика при

спектра

stabilizer

настройке усиления или уровня постоянного тока. Спектрометриче-

ские СС, используемые вместе с Ge и Si детекторами – это цифро-

вые схемы, соединенные с АЦП. СС рассматривает адрес каждого

события, генерируемого АЦП и сохраняет число отсчетов в двух

узких окнах на каждой стороне пика. При отклонении от среднего

числа отсчетов корректируется коэффициент усиления АЦП и ну-

левой уровень – регулировка фиксирует позицию выбранного ста-

билизационного пика. При стабилизации часто используют два не-

зависимых пика в начале и конце шкалы, соответствующих низким

и высоким энергиям. СС сцинтилляционных спектрометров подоб-

ны цифровым стабилизаторам, работающим с ППД, но связаны не с

АЦП, а со спектрометрическим усилителем

Стандарт

CAMAC (Com-

Стандартизованная модульная аппаратура и система цифрового

КАМАК

puter

интерфейса. Стандарт КАМАК разработан позже, чем НИМ, и от-

Automated

личается от последнего характеристиками линейных и логических

Measurement

импульсов, передающихся от модуля к модулю, и габаритными

and Control)

размерами

Стандарт НИМ

NIM (Nuclear

Система стандартизованной модульной аппаратуры. Модули

Instrumentation

размещены в каркасе bin (NIM-bin). Питающий модуль, также уста-

Modules)

новленный в каркасе, снабжает остальные блоки необходимым

напряжением постоянного тока. Стандарт NIM принят в 1964 г.

Другие источники напряжения смещения совместимы с каркасами

NIМ, но получают энергию от обычного источника переменного

тока. Источники напряжения смещения с высокими значениями то-

ка, используемые для питания цепей ФЭУ, часто устанавливают в

стандартных каркасах высотой 44,45 см (8,75”) и минимальной ши-

риной 3,43 см (1,35”) или кратных значениям ширины (х2, х3…). В

стандартный каркас NIM можно разместить до 12 модулей мини-

мальной ширины.

Для генерации требуемого напряжения в NIM-источниках

напряжения смещения часто используют электронный ключевой

преобразователь, создающий высокочастотную помеху, нарушаю-

щую работу предусилителя и ухудшающую качество спектра

Стрэгглинг

Straggling

См. Разброс пробегов

Сферы Боннера

Bonner sphere

Прототип мультисферной системы для нейтронной спектромет-

system (BSS)

рии (Bonner, 1960) состоял из пяти полиэтиленовых сфер с диамет-

рами от 2 до 12 дюймов, в центре которых размещены небольшие

детекторы тепловых нейтронов (цилиндрический сцинтиллятор)

6LiI(Eu) 4×4 мм. Функции отклика каждой сферы различны, и про-

цедура восстановления спектра сводится к решению системы инте-

гральных уравнений Фредгольма. С помощью BSS можно опреде-

лять спектры нейтронов в широком энергетическом диапазоне, но с

невысоким энергетическим разрешением. BSS широко используют-

ся в методах радиационной безопасности. Эволюция BSS привела к

использованию единственного блока замедлителя, содержащего

либо несколько протяженных позиционно-чувствительных, либо

несколько небольших детекторов тепловых нейтронов, размещен-

ных в разных частях замедлителя. Все измерения производятся од-

новременно, без перерыва на изменение геометрии. Метод BSS ха-

рактеризуется простой, но длительной процедурой измерения, от-

сутствием зависимости функции отклика детекторов от угла приле-

та нейтронов и возможностью отсечки мешающих излучений

Схема антисов-

Anticoinci-

Электронная схема с двумя входами и одним выходом. Выход-

падений

dence circuit

ной сигнал блокируется, если на оба входа в течение заданного

временного интервала поступают сигналы

Схема

Pole zero

Электронная схема, содержащая переменный резистор, устраня-

полюс-нуль

cancellation

ющая отрицательный выброс напряжения, который образуется при

прохождении сигнала с длинным экспоненциальным «хвостом» от

предусилителя через CR-цепочку. При средних и высоких загрузках

детекторов заметная часть импульсов без использования схемы по-

люс-нуль (СПН) накладывается на «хвосты» предшествующих им-