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

За счет электрического поля, создаваемого разностью потенциалов,

электроны проходят фокусирующую их систему электродов и попа-

дают на первый динод ФЭУ, где происходит вторичная (ударная)

электронная эмиссия. Поверхность динодов покрыта слоем веще-

ства, у которого коэффициент вторичной эмиссии электронов

больше 1 (от 3 до 12). В процессе умножения электроны последова-

тельно проходят несколько динодов (6–14, в зависимости от типа

ФЭУ), образуя лавину, которая приходит на анод и формирует им-

пульс тока на нагрузочном сопротивлении. Общий коэффициент

умножения электронов (усиления) может составлять 106–108

Фотоэффект

Photoelectric

Передача энергии фотона сильно связанному с ядром атомному

absorption,

электрону, в результате чего фотон исчезает, а электрон приобрета-

Photoelectric

ет кинетическую энергию, равную энергии фотона (гамма-кванта,

effect

рентгеновского кванта) за минусом энергии связи электрона (энер-

гии ионизации атома) EK , EL , EM ,..., находящегося, соответствен-

но, на K-, L-, M-оболочке атома. Предполагается, что энергия отда-

чи ядра пренебрежимо мала. При фотоэффекте (ФЭ) в энергетиче-

ском спектре формируется фотопик, составляющий основную часть

событий, попадающих в пик полного поглощения. Сечение ФЭ па-

дает с ростом энергии гамма-кванта, растет с увеличением атомного

номера среды Z пропорционально Z5. Если значение энергии фотона

находится вблизи энергии ионизации, сечение ФЭ отличается слева

и справа от соответствующей энергии скачкообразно. На свободном

электроне ФЭ невозможен, так как в противном случае были бы

нарушены законы сохранения энергии и импульса

Фронт

Rise time

Временной интервал при росте измеряемого сигнала (напряже-

импульса

ние, ток) от 0,1 до 0,9 его амплитуды

Функция от-

Detector

Плотность вероятности появления выходного сигнала x, если со-

клика детектора

response

ответствующая энергия регистрируемой частицы или кванта

function

равна E:

N(x)= Emax G(x, E)Ф(E)dE,

Emin

где N (x) – измеренный спектр, Ф(E) – искомое энергетическое

распределение, G(x, E) – функция отклика в энергетическом диапа-

зоне (Emin, Emax). Под выходным сигналом понимается измеряемая

величина, зависящая от энергии: угол отклонения в магнитном по-

ле, плотность почернения, длина трека, амплитуда электрического

или светового сигнала и др.

Центроида

Centroid

См. Медиана распределения

(центроид)

Цепь восста-

Baseline

Электронная схема на выходе усилителя для поддержания базо-

новления базо-

restoration,

вого уровня напряжения (нулевого потенциала) при значительных

вого уровня

BLR

загрузках усилителя, который в силу конечной длительности сигна-

ла не успевает «подготовиться» к приему следующего сигнала. Ве-

личина отклонения от нулевого потенциала (смещение базового

уровня) зависит от частоты следования импульсов и от их ампли-

тудного распределения. Вследствие случайного появления сигналов

эта величина флуктуирует, на выходе усилителя наблюдают неста-

бильное смещение базового уровня, в результате чего энергетиче-

ское разрешение спектрометра ухудшается. Работа цепи восстанов-

ления базового уровня основана на замыкании ключа в промежут-

ках между импульсами для возможности использования дифферен-

цирующей цепочки, возвращающей смещенную базовую линию к

нулевому уровню

Цепь режекции

Pile-up

Электронная схема, снижающая долю регистрируемых импуль-

наложений

rejection

сов, образующихся при наложении импульсов, следующих один за

другим, и амплитуды суммарных импульсов не соответствуют энер-

гиям регистрируемых квантов. При высоких скоростях счета цепь

режекции наложений улучшает энергетическое разрешение детек-

тора и снижает фон, но не приводит с существенному снижению

амплитуд пиков случайного суммирования, образованных при сло-

жении пиков полного поглощения

Цифровой

Digital pulse

Электронные блоки для цифровой обработки сигналов с детек-

спектрометри-

processing

торов излучений. АЦП размещается сразу после предусилителя, и

ческий тракт

system

аналоговый сигнал оцифровывается еще до усиления и формирова-

ния. Оцифрованный сигнал содержит необходимую информацию о

регистрируемом излучении. Дальнейшие действия с сигналом для

извлечения этой информации представляют собой операции с циф-

ровыми последовательностями, однозначно определяющими исход-

ные аналоговые импульсы. Ключевым элементом цифрового тракта

является программируемое устройство (цифровой процессор). Сиг-

нал с предусилителя оцифровывается с помощью быстрого парал-

лельного АЦП (flash-ADC). Следующая стадия обработки сигнала,

теперь представляющего собой дискретную последовательность

определенного размера из значений напряжений VIN [1],

VIN [2],..., VIN [i],..., состоит в его фильтрации – процедуре, анало-

гичной формированию аналогового сигнала. Использование оциф-

ровки сигналов повышает пропускную способность спектрометра

при измерении интенсивных потоков излучений, так как снижается

вероятность наложений, и обеспечивается разрешающая способ-

ность, как в лучших аналоговых спектрометрических трактах

Черенковское

Cherenkov

Излучение, возникающее при прохождении заряженных частиц

излучение

radiation

через среду, если скорость частиц больше скорости света в среде.

Распространяется в пределах конуса, угол которого однозначно свя-

зан со скоростью частицы и показателем преломления среды.

Наблюдается при работающем реакторе (голубое свечение из ак-

тивной зоны) вследствие движения высокоэнергетических электро-

нов в воде. Черенковские счетчики, в которых регистрация излуче-

ния осуществляется ФЭУ, в основном используются в эксперимен-

тальной физике высоких энергий и астрофизике

Чувствительная

Active region,

Область детектора, в которой поглощение излучения приводит к

область

sensitive

появлению сигналов (электрических, оптических) на сигнальных

детектора

volume

выводах детектора. В ППД такой областью является p-n переход, к

(of detector)

которому приложено напряжение смещения

Ширина пика

Full width at

Характеристика качества спектрометра, критерием которого яв-

на 1/10 высоты

tenth maxi-

ляется близость отношения измеренной ширины энергетического

mum, FWTM,

пика на 1/10 его высоты к полуширине пика (FWHM) к соот-

FW0,1M

ветствующему

значению

для

распределения

Гаусса

(FWTM /

FWHM = 1,82). Приемлемым считается значение отношения < 1,9

Ширина пика

Full width at

Характеристика качества спектрометра, критерием которого яв-

на 1/50 высоты

fiftieth maxi-

ляется близость отношения измеренной ширины энергетического

mum,

пика на 1/50 его высоты к полуширине пика

(FWHM) к соот-

FWFM,

ветствующему

значению

для

распределения

Гаусса

(FWFM /

FW0,02M

FWНM = 2,28). Приемлемым считается значение отношения < 2,5

Шкала элек-

Electromag-

Диапазон электромагнитных излучений от радиоволн до гамма-

тромагнитных

netic spectrum

излучения. Диапазон длин волн охватывает 20 порядков величины –

излучений

от 108 до 10–12 м. В зависимости от задач представим в виде частот-

ного или энергетического диапазона

Шумы усили-

Noise of

Шумы возникают за счет хаотического теплового движения но-

тельного тракта

amplifier

сителей зарядов внутри проводника (тепловой шум) и за счет флук-

туации числа носителей заряда, проходящих через сечение провод-

ника в единицу времени (дробовой шум). Если тепловой и дробовой

янную времени усилителя. Шум, обусловленный емкостью на входе

предусилителя и полевым транзистором (параллельный шум)

уменьшают, снижая емкость, охлаждая полевой транзистор и уве-

личивая постоянную времени усилителя. Шумовая составляющая

FWHM типичного зарядо-чувствительного предусилителя при росте

емкости нагрузки от 1 до 1000 пФ возрастает более чем в 10 раз

Эквивалентная

Detector

Ток детектора, возникающий при регистрации частицы или

схема

equivalent

кванта, через ключ, замыкаемый на время длительности импульса

детектора

circuit

тока ti , поступает во внешнюю цепь нагрузки детектора, состоя-

щую из сопротивления нагрузки (Rн) и подключенной параллельно

ему емкости нагрузки (Cн). Емкость нагрузки складывается из ем-

кости самого детектора Cдет, емкости входного устройства, под-

ключенного к детектору Cвх, и емкости монтажа Cк. Последняя

величина включает в себя емкость соединительных проводов или

кабеля между детектором и электронным устройством: Cн =Cдет +

+Свх +Cк

Экстраполиро-

Extrapolated

Пробег вдоль направления распространения частицы, равный

ванный пробег

range

толщине поглотителя, при которой экстраполяция линейной зави-

симости интенсивности пучка частиц пересекает уровень нулевой

интенсивности. Экстраполированный пробег (ЭП) меньше полного

пробега (Rэкс <R), так как велика вероятность рассеяния легких

частиц (электронов) на большие углы. Понятие ЭП используется, в

частности, для электронов. В справочных таблицах приводят значе-

ния как среднего пробега, так и ЭП

Электронный

Electronic

Один из видов бета-распада атомных ядер. При электронном за-

захват, е-захват

capture (EC)

хвате (ЭЗ) один из протонов ядра захватывает орбитальный элек-

трон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино.

Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра,

как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Процесс ЭЗ

характерен для ядер с избытком протонов. Количество протонов в

ядре (т.е. заряд ядра) при ЭЗ уменьшается, поэтому этот процесс

превращает ядро одного химического элемента в ядро другого эле-

мента, расположенного ближе к началу периодической таблицы.

Электрон захватывается ядром с ближайших к нему электронных

оболочек (в порядке K, L, M, N,...). Электронный захват более веро-

ятен для тяжелых ядер. В случае захвата электрона с K-оболочки

процесс называется K-захватом, с L-оболочки – L-захватом и т.д.

Атом при электронном захвате переходит в возбужденное состоя-

ние с внутренней оболочкой без электрона, а снятие возбуждения

происходит путем перехода на нижний уровень электрона с одной

из верхних оболочек, причем образовавшуюся на более высокой

оболочке вакансию может заполнить электрон с еще более высокой

оболочки и т.д. Энергия, выделяющаяся при этом, уносится одним

или несколькими фотонами характеристического рентгеновского

излучения и/или одним или несколькими оже-электронами

Электронный

MeVee

Из-за того, что световой выход органических сцинтилляторов

эквивалент

(MeV electron

зависит от типа частиц, для описания абсолютного светового выхо-

мегаэлектрон-

equivalent)

да иногда используют специальные обозначения. Термин MeVee

вольта

означает следующее. Энергия частиц, необходимая для генерации

1 MeVee света, равна 1 МэВ для быстрых электронов, но для тяже-

лых заряженных частиц эта энергия составляет несколько мегаэлек-

тронвольт, так как световой выход, создаваемый ими, меньше в пе-

ресчете на единицу энергии.

Зависимость светового выхода сцинтиллятора от типа регистри-

руемых частиц (α или β) характеризует также α/β-отношение – от-

ношение световых выходов при прохождении α-частиц и электро-

нов. Эта величина не такая универсальная, как MeVee, но смысл

α/β-отношения тот же.

Для всех видов органических сцинтилляторов независимо от их

природы α/β-отношение примерно одинаково и составляет 0,1. Это

позволяет разделять сигналы от альфа- и бета-частиц

Электроны

Internal

Электроны, испускаемые атомом вследствие явления внутрен-

внутренней

conversion

ней конверсии, состоящего в переходе атомного ядра, находящего-

конверсии

electrons

ся в возбужденном состоянии, в состояние с меньшей энергией и

передаче избытка энергии одному из электронов атомной оболочки.

Энергия электрона внутренней конверсии равна разности энергий

состояний ядра и энергии связи электрона в K-, L-, M-оболочках. В

процессе внутренней конверсии участвует виртуальный фотон.

Конкуренция между γ-излучением и внутренней конверсией харак-

теризуется полным коэффициентом внутренней конверсии, равным

отношению вероятностей испускания электрона к вероятности ис-

пускания γ-кванта. Его величина сильно возрастает с увеличением

мультипольности перехода и уменьшением его энергии и растет с

увеличением заряда

ядра

Энергетиче-

Energy

Функция Ф(Е), описывающая распределение частиц или фотонов

ский спектр

spectrum

по энергиям: Ф(Е)dE – число частиц с энергией Е, попадающих в

энергетический интервал (E, E + dE)

Энергетическое

Energy

Абсолютным энергетическим разрешением (ЭР) спектрометра

разрешение

resolution of

( E) называется минимальный интервал между энергетическими

спектрометра

spectrometer

линиями Е1 и Е2, при котором эти линии наблюдаются раздельно.

Выражается в энергетических единицах (эВ, кэВ) и численно равно

FWHM.

Относительное ЭР спектрометра при данной энергии ( )

равно

отношению

абсолютного ЭР к

значению

энергии:

W =

E

= FWHM . Значение относительного

ЭР чаще

указывают

E

E

для сцинтилляционного спектрометра, а абсолютного – для полу-

проводникового. Часто относительное ЭР выражают не в долях, а в

процентах. К основным факторам, влияющим на энергетическое

разрешение, относятся: 1) флуктуация числа пар носителей заряда,