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

пульсов, что вызывает случайное уменьшение их амплитуды и, со-

ответственно, ухудшение энергетического разрешения. Название

обусловлено использованием преобразования Лапласа для расчета

СПН, которое указывает, что для ликвидации отрицательного вы-

броса необходимо посредством подбора переменного сопротивле-

ния сократить числитель и знаменатель передаточной функции, со-

держащие ее нуль и полюс. СПН предложена в 1967 г.

Схема

Coincidence

Электронная схема с двумя входами и одним выходом. Выход-

совпадений

circuit

ной сигнал появляется лишь в случае, когда на оба входа в течение

заданного временного интервала поступают сигналы

Сцинтиллятор

Scintillator

Вещество, испускающее под действием заряженных частиц фо-

тоны в видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Взаимодей-

ствие гамма-излучения с веществом сцинтиллятора приводит к по-

явлению электронов отдачи в чувствительной области детектора,

которые инициируют свечение сцинтиллятора. В результате взаи-

модействия нейтронов с веществом сцинтиллятора образуются ядра

отдачи (например, протоны) или продукты ядерной реакции (альфа-

частицы, протоны, тритоны и др.), передающие электронам свою

энергию при ионизационном торможении. Корпускулярное излуче-

ние (α- и β-частицы) при торможении в среде также передает энер-

гию электронам. По агрегатному состоянию сцинтилляторы под-

разделяются на газовые, жидкие и твердые, по химическому соста-

ву – на органические и неорганические

Сцинтилляторы

Scintillators

Для использования в гамма-спектрометрах сцинтиллятор должен

для гамма-

used in gamma-

эффективно поглощать гамма-излучение, т.е. иметь большие плот-

спектрометрии

spectrometry

ность и эффективный атомный номер для максимального вклада

фотоэффекта в суммарное взаимодействие фотона с веществом. По-

этому широко используются неорганические кристаллы, среди ко-

торых наиболее известным сцинтиллятором является NaI(Tl). К не-

органическим сцинтилляторам для гамма-излучения относятся так-

же BGO, LaBr3(Ce), LYSO, YAP и др.

Сцинтилляторы

Scintillators

Сцинтилляторы, содержащие ядра, взаимодействие нейтронов с

для регистра-

for neutron

которыми позволяет найти энергетический спектр нейтронов. Одни

ции нейтронов

spectrometry

представляют собой органические вещества, содержащие водород

(антрацен, стильбен, паратерфинил, нафталин), в том числе жидкие

сцинтилляторы (NE213, ВС-521, EJ-335). Другие – это неорганиче-

ские вещества, содержащие химические элементы, используемые

для идентификации нейтронов по продуктам ядерных реакций (LiI,

активированный различными добавками). К последним, в частно-

сти, относятся литиевые стекла NE902,905,908,912. В качестве газо-

вых сцинтилляторов используют 3Не с добавками, увеличиваю-

щими световыход

Сцинтилляторы

Inorganic

Наиболее известный неорганический сцинтиллятор, используе-

неорганические

scintillators

мый для α-спектрометрии – ZnS (Ag), у которого световой выход

для альфа-

for alpha-

больше, чем у NaI(Tl) в три раза, низкий уровень фона (0,3 имп/ч) и

спектрометрии

spectrometry

возможность измерений в присутствии фона гамма-излучения. К

его недостаткам относятся невозможность выращивать кристаллы

больших размеров (ZnS применяют в виде мелкодисперсного по-

рошка, наносимого на стеклянную подложку) и частичное погло-

щение светового потока сцинтилляции по пути к фотокатоду ФЭУ,

вследствие чего энергетическое разрешение хуже, чем у NaI(Tl).

Для альфаспектрометрии также положительно зарекомендовал

себя неорганический сцинтиллятор GPS (Gd2Si2O7)

Сцинтилляци-

Scintillation

Детектор, состоящий из сцинтиллятора, сопряженного с фото-

онный детектор

detector

электронным умножителем. Используется для регистрации всех ви-

дов излучений, характерных для ядерных технологий. При взаимо-

действии излучения с веществом сцинтиллятора образуются носи-

тели зарядов обоих знаков, количество которых однозначно связано

с энергией поглощенного излучения. Быстродействие детектора

определяется временем высвечивания сцинтиллятора после взаимо-

действия заряженной частицы со сцинтилляционным кристаллом

(неорганический сцинтиллятор) или с молекулой органического

сцинтиллятора.

Упрощенная схема появления отклика сцинтилляционного де-

тектора при регистрации излучения выглядит следующим образом:

1. Энергия излучения вследствие взаимодействия с веществом

сцинтиллятора передается первичным электронам;

2. Поглощение энергии электрона или ее части ведет к возбуж-

дению центров свечения, снимаемому испусканием фотонов види-

Сэндвич-

Sandwich

Детектирующая система,

состоящая из двух детекторов (обыч-

спектрометр

neutron

но – полупроводниковых) и

материала между ними, содержащего

нейтронов

spectrometer

ядра взаимодействующих с нейтронами элементов (3Не, 6Li), из-

вестна с 60-х гг. ХХ в. Между детекторами размещен тонкий слой

фторида лития или другого литийсодержащего материала (порядка

200 мкг/см2) на тонкой подложке, либо объем с гелием. При взаи-

модействии нейтрона с ядрами продукты реакции, суммарная энер-

гия которых равна Q + En (Q – энергия реакции, En – энергия

нейтрона), разлетаются в разных направлениях (в частности, при

регистрации низкоэнергетического нейтрона – под углом 180°, а

быстрого нейтрона – под некоторым углом, зависящим от энергии

нейтрона). Образующиеся тритон с альфа-частицей (в случае лития)

или протон с тритоном (в случае гелия) попадают в ППД, и после

срабатывания схемы совпадений измеряется сумма энергии, погло-

щенной в каждом из ППД частиц. Вычитая из этой суммы величину

Q, определяют En. Помимо ППД, используют и другие детекторы

заряженных частиц. Сэндвич-спектрометр нейтронов используют в

энергетическом диапазоне до 10–15 МэВ, а его эффективность

обычно не превышает нескольких процентов

Темновой ток

Dark current,

Электрический ток, протекающий через детектор под действием

leakage current,

приложенного напряжения в отсутствие поглощенного излучения. В

background

ППД причиной темнового тока (ТТ) является попадание носителей

current

заряда в зону проводимости вследствие тепловых флуктуаций. При

снижении температуры ТТ детекторов излучений снижается. В

ФЭУ источниками ТТ являются термоэмиссия электронов из фото-

катода, утечка тока между динодами, а также случайные излучения

Ток утечки

Dark current,

См. Темновой ток

leakage current,

background

current

Тормозная

Linear stopping

См. Линейная тормозная способность

способность

power

линейная

Тормозная

Mass stopping

См. Массовая тормозная способность

способность

power

массовая

Тормозное

Bremsstraglung

Излучение, возникающее при торможении заряженных частиц в

излучение

электромагнитном поле ядер и атомов среды. Энергия, излучаемая

движущейся частицей, пропорциональна квадрату ее заряда и уско-

рения. Так как ускорение частицы обратно пропорционально ее

массе, наиболее интенсивное тормозное излучение (ТИ) возникает

при торможении быстрых электронов. Энергетический спектр ТИ

непрерывный, с верхней границей, равной начальной энергии элек-

трона. При кинетических энергиях электрона много больше их

энергии покоя (Е >> mec2) ТИ электронов направлено в сторону их

движения и концентрируется в пределах конуса с угловым раство-

ром θ (радиан) = mec2/E. На этом явлении основано получение ин-

тенсивных пучков высокоэнергичных (до сотен мегаэлектронвольт)

γ-квантов на электронных ускорителях

Трапециевид-

Trapezoidal

Алгоритм оцифровки импульса с предусилителя, в результате

ная фильтрация

filter output

применения которого формируется импульс (зависимость напряже-

импульса

ния от времени) в форме трапеции с характерными временами:

tL – время достижения амплитуды импульса (peaking time); tG

– плоская вершина (flat top);

tL – время спада импульса (fall time).

Ширина

импульса равна 2

tL + tG. Изменяющиеся параметры

tL и

tG используются для управления формой импульса подоб-

полюса нулем, корректировки баллистической ошибки и режектора

наложений

Тушение

Quenching

См. Гашение сцинтилляций

сцинтилляций

Удельная иони-

Specific

Число пар носителей зарядов (ионов, электронно-дырочных

зация

ionization

пар), образующихся как при взаимодействии заряженной частицы с

атомами среды (первичная удельная ионизация, УИ), так и с учетом

вторичной ионизации дельта-электронами (полная УИ) на единице

длины ее пути. При первичной ионизации число пар носителей опи-

сывается распределением Пуассона. Полная УИ пропорциональна

ионизационным потерям энергии частицы

Усилитель

Amplifier

Устройство (электронная схема) для усиления электрических

сигналов (в том числе импульсных).

См. Спектрометрический усилитель

Фактор Фано

Fano factor

Отношение дисперсии случайного процесса к математическому

σ2

ожиданию на заданном временном

интервале W: F =

W

. Для

μ

W

пуассоновского случайного процесса

F = 1, так как у него матема-

тическое ожидание совпадает с дисперсией. При анализе процессов

в детекторах ионизирующих излучений предполагается, что число

носителей зарядов распределено по закону Пуассона. Тем не менее,

полуширина энергетического пика, измеренного полупроводнико-

выми детекторами (ППД), меньше, чем ее оцененное значение на

основе распределения Пуассона. Это означает, что события энерге-

тических потерь излучения в ППД не являются независимыми.

Причина такого расхождения состоит в том, что часть энергии,

поглощенная полупроводником, идет на возбуждение фононов, ко-

торое трансформируется в тепловую энергию. С учетом фактора

Фано

полуширину определяют по формуле

FWHM (keV ) ≈

≈ 0,128 FE(keV ). Величина F для Ag равна примерно 0,2, для по-

лупроводниковых материалов – от 0,08 до 0,13. Для сцинтилляторов

F =1

Флэш-АЦП

Parallel ADC,

См. Параллельный АЦП

flash ADC

Форма пика

Alpha-peak

Функция отклика «идеального» полупроводникового, ионизаци-

альфа-

shape

онного или сцинтилляционного детектора альфа-излучений (в слу-

излучения

чае, если энергия частиц не теряется в самом источнике, по пути от

источника к детектору и в мертвом слое детектора) представляет

собой распределение Гаусса. Перечисленные факторы, снижающие

«идеальность» пика, приводят к искажению его формы: возникно-

вению асимметрии, уширению (увеличению FWHM), появлению

«хвостов» с низкоэнергетической стороны. Энергетические спек-

тры,

измеренные детекторами различных типов,

отличаются по

форме. Альфа-спектры описывают с помощью суперпозиции не-

скольких функций: как правило, это распределение Гаусса и экспо-

ненциальные функции. Аппроксимирующая энергетический пик

функция зависит от параметров, определяющих ее форму, положе-

ние и площадь пика

Фотопик

Photopeak

Фотопик формируется фотоэлектронами, образованными при

фотоэлектрическом поглощении рентгеновского или гамма-кванта.

Сопутствующие фотоэффекту характеристическое рентгеновское

излучение (ХРИ) и оже-электроны испускаются практически одно-

временно, в течение примерно 10–15 с, с покинувшими атом фото-

электронами. ХРИ также вызывает фотоэффект, поэтому электро-

нам передается вся энергия исчезнувшего кванта. Суммарный сиг-

нал формирует фотопик

Фотоэлектрон-

PMT,

Электровакуумный прибор, состоящий из светочувствительного

ный умножи-

photomultiplier

слоя (фотокатода), электронно-оптической системы ввода (модуля-

тель (ФЭУ)

tube

тор, фокусирующий электрод), динодной системы умножения элек-

тронов и собирающего электроны анода. Все компоненты помеще-

ны в стеклянную колбу, из которой откачан воздух. Фотоны опти-

ческого и ультрафиолетового диапазонов, попадая на фотокатод

ФЭУ, находящийся под большим отрицательным потенциалом, вы-

бивают из него электроны в результате фотоэффекта. Распределе-

ние потенциалов на электродах ФЭУ создается делителем напряже-

ния, подключенным к источнику высокого напряжения (0,8–3 кВ).