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

ка), естественная ширина энергетических линий очень мала, от-

дельные энергетические линии спектра расположены очень близко

из-за расщепления энергетических уровней

Альфа-

Alpha-

В основе альфа-спектрометрии (АС) лежат методы определения

спектрометрия

spectroscopy,

энергии альфа-излучения по вторичным эффектам, возникающим

Аlpha-

вследствие потери энергии в чувствительной области детектора.

spectrometry

Физическая среда между альфа-излучающим радионуклидом и чув-

ствительной областью детектора, как и препарат, содержащий такие

нуклиды, будут полностью или частично поглощать энергию альфа-

частиц. Вследствие регистрации частиц с меньшей энергией, вы-

званной ее потерей по пути к детектору, в спектральных пиках

наблюдаются низкоэнергетические «хвосты» и, как следствие, энер-

гетическое разрешение ухудшается. При проведении измерений

требуется, чтобы толщина образца (препарата) была минимальной.

Образец располагают внутри детектора (в случае ионизационной

камеры или жидкосцинтилляционного спектрометра) или на мини-

мальном расстоянии от него (для систем с полупроводниковым де-

тектором); внутренний объем камеры, где расположены источник и

детектор, вакуумируется. С помощью ионизационных камер полу-

чают результат с приемлемым энергетическим разрешением (по-

рядка 0,7 %) для

частиц с энергией около 5 МэВ. В АС высокого

разрешения

используют ППД небольшого размера с минимально

α-

возможной (до 50 нм) толщиной входного окна. Образцы готовят

очень тонкими и однородными, расстояние между ними и детекто-

ром увеличивают для уменьшения углового разброса, конверсион-

ные электроны иногда отклоняются магнитным полем для сниже-

ния мешающих факторов при регистрации. Достигается величина

FWHM менее 10 кэВ (обычные значения – 30–80 кэВ). Из-за искус-

ственно сниженной эффективности регистрации АС высокого раз-

решения не используется при анализе низкоактивных проб.

АС применяется при получении ядерных данных (исследования

схем распада), для измерения малых активностей альфа-

излучателей в окружающей среде, для контроля нераспространения

ядерных материалов. В целях безопасности проводят мониторинг

отношений изотопов плутония: 238Pu/239+240Pu, 239Pu/240Pu

Амплитуда

Pulse height

Наибольшее значение функции измеряемой величины, представ-

импульса

ленной в зависимости от аргумента (например, зависимость напря-

жения от времени)

Аналогово-

Analog-to

Электронная схема, предназначенная для анализа импульсов,

цифровой

digital

расположенная на входе многоканального анализатора (МКА). На

преобразо-

converter,

выходе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) генерируется

ватель

ADC

двоичное число, пропорциональное амплитуде анализируемого им-

пульса. Цепи МКА добавляют единицу в регистр памяти МКА, ад-

рес которого соответствует адресу АЦП. АЦП принимает импульсы

в заданном диапазоне напряжений (от 0 до 10 В) и сортирует их по

большому ряду прилегающих друг к другу ячеек или каналов

E Ei+1

Ei равно числу

в энерге-

тракте, число зарегистрированных частиц или квантов

тическом диапазоне

=

−

импульсов в диапа-

зоне амплитуд A = Ai+1 − Ai

и N i = p(E i )

E = p(Ai )

A, где p(Е) и

Аннигиляцион-

Annihilation

Излучение, состоящее из фотонов с энергиями 0,511 МэВ (масса

ное излучение

radiation

покоя электрона), возникающее при аннигиляции электронно-

позитронной пары, если позитрон находится в тепловом равновесии

со средой. Вследствие допплеровского уширения величина FWHM

аннигиляционного пика превышает значение энергетического раз-

решения детектора, измеренного для 0,511 МэВ

Антропогенные

Man-made (ar-

Радионуклиды, отсутствующие в окружающей среде (воздух,

радионуклиды

tificial, anthro-

вода, почва, растительность и т.д.) до пуска первого ядерного реак-

pogenic, tech-

тора (Э. Ферми, 1942 г.). Антропогенные радионуклиды образуются

nogenic) radio-

в реакциях деления тяжелых ядер (уран, торий), при активации теп-

nuclides

лоносителя, конструкционных материалов ядерного реактора и дру-

гих неактивных химических элементов нейтронами, заряженными

частицами, гамма-излучением, на ускорителях при взаимодействии

ускоренных частиц или ионов с мишенями. Некоторые нуклиды

(например, 3Н, 14С) образуются как искусственным путем, так и в

природе под действием космического излучения

Аппаратурная

Instrument line

Аппаратурная форма

линии (АФЛ) N (x, E0) – реализация

форма линии

shape

функции отклика G(x, E)

для моноэнергетического излучения E0.

Emax

В этом случае N(x,E0)= Emin G(x, E)δ(E − E0)dE, где x – сигнал с

детектора (измеряемая величина). Совокупность АФЛ, рас-

считанных или измеренных для нескольких источников моноэнер-

гетического излучения в широком диапазоне энергий при тожде-

ственных условиях измерений, позволяет определить функцию от-

клика детектора для данных условий и представить ее в виде таб-

лиц, матрицы или совокупности графиков. АФЛ называют также

приборной формой линии

Асимметрия

Asymmetry,

Асимметрия распределения – величина, определяемая момента-

Skewness, Sk

ми распределения случайной величины; характеризуется коэффици-

ентом асимметрии (Sk), равным отношению центрального момента

распределения третьего порядка к кубу среднеквадратического от-

клонения. Асимметрия симметричного пика (например, нормально-

го распределения) равна нулю. Асимметрия непрерывного энерге-

тического спектра бета-излучения положительна. Аппаратурная

форма линии альфа-спектрометров характеризуется хвостом в низ-

коэнергетической области, поэтому величина Sk для измеренных

пиков альфа-излучения отрицательна

АЦП

ADC

См. Аналогово-цифровой преобразователь

Аэрозоли

Radioactive

Аэрозоли, дисперсная фаза которых содержит искусственные и

радиоактивные

aerosols

(или) естественные радионуклиды. В зависимости от механизма об-

разования (диспергирование или конденсация) и сопутствующих

факторов (свойства дисперсной фазы и среды) распределения аэро-

зольных частиц по размерам, называемое также дисперсностью

аэрозолей, существенно различаются. Аэрозоли поступают в орга-

низм при дыхании, и доли осажденных аэрозольных частиц в раз-

личных участках дыхательного тракта определяются дисперсно-

стью аэрозоля. Пробы аэрозолей отбирают на фильтры, а состав

аэрозолей исследуют после предварительного выделения нуклидов

из фильтра, либо при непосредственном измерении запыленных

фильтров на спектрометре

Баллистическая

Ballistic deficit

Эффект неполного собирания зарядов вследствие конечности

ошибка

величины постоянной времени, приводящий к уменьшению ампли-

туды сигнала. Баллистическая ошибка (БО) существенна для сцин-

тилляционных детекторов, но незначительна для ионизационных и

полупроводниковых детекторов. БО приводит к размытию пика

полного поглощения

Баллистиче-

Ballistic deficit

См. Баллистическая ошибка

ский дефицит

Бета-

Beta activity

Ядерное превращение нуклида с испусканием бета-частицы

активность

(ядерного электрона, е–-распад), или позитрона (е+-распад). В пер-

вом случае испускается также антинейтрино, во втором – нейтрино.

К форме бета-распада относится захват электрона с атомной обо-

лочки (е-захват) ядром, сопровождающийся испусканием нейтрино.

В результате перечисленных превращений заряд ядра изменяется на

1, а масса практически не меняется. Спектр бета-излучения непре-

рывен вследствие уноса энергии нейтрино или антинейтрино

Биркса

Birks formulae

Отклик сцинтиллятора на регистрацию излучения характеризу-

формула

ется соотношением между энергией световой вспышки, генерируе-

мой на единичном пути заряженной частицы, и удельной потерей

dL

=S

dE

,

dx

dx

dL

S

dE

где S = const. Тогда

=

dx

. На практике произведение

dx

1+kB dE

dx

частиц (как у электронов),

dL

= S

dE

или

dL

=S, откуда

dx e

dx

dE e

L =

=

E dL

dE = SE : при регистрации электронов световыход L

dE

0

dE

прямо пропорционален энергии.

Для альфа-частиц величина

dx

dL

S

очень велика, поэтому

=

.

Световыход можно также

dx

α

kB

определить, проинтегрировав

dL

:L =

R dL

dx =

S

R, где R – про-

dx

kB

0 dx

бег альфа-частицы (L пропорционален пробегу альфа-частицы)

Болометр

Bolometer

Болометр (Б.) представляет собой высокочувствительный детек-

тор альфа-частиц – калориметр, работающий при температурах

0,1 К и ниже. Б. состоит из двух основных частей: поглотителя (аб-

сорбера), в котором поглощенная энергия альфа-частицы приводит

к повышению температуры, и термодатчика (термометра) для ее

измерения. Теплоемкость поглотителя (диэлектрик, металл или по-

лупроводник) при низких температурах настолько мала, что повы-

шение температуры за счет взаимодействия единственной альфа-

частицы с веществом становится заметным. Ее энергия, передавае-

мая электронам атомов среды в процессах ионизации и возбужде-

ния, расходуется на образование носителей заряда (в полупровод-

никовых материалах электронно-дырочных пар) и фононов (коле-

бания решетки и тепло). В Б. регистрируется энергия фононов. Если

электронно-дырочные пары рекомбинируют в Б. в течение времен-

ного разрешения системы, их энергия тоже передается фононам,

которые также обнаруживаются. В Б. теоретически может быть до-

стигнуто лучшее энергетическое разрешение, чем в кремниевых

детекторах: расчеты показывают, что FWHM в германиевых или

медных Б. составляет величины порядка 1 кэВ для альфа-частиц с

энергией 5 МэВ. В экспериментах удалось достичь разрешения

4 кэВ для источника 238Pu, измеренного с помощью композитного

медно-германиевого Б. Отклик детектора составлял 10–8–10–7 В/кэВ,

а фронт и спад импульса – 1 и 5 мс соответственно

Внутреннее

Internal

Отношение напряжения смещения к току, протекающему через

сопротивление

resistance

детектор при регистрации ионизирующих излучений. Внутреннее

детектора

of detector

сопротивление на несколько порядков величины превышает сопро-

тивление нагрузки, поэтому детектор можно рассматривать как ге-

нератор тока во внешнюю цепь нагрузки

Внутренняя

Intrinsic

Отношение количества частиц, зарегистрированных детектором,

эффективность

detector

к количеству частиц, попавших в него. В гамма-спектрометрии сле-

детектора

efficiency

дует уточнять, о чем идет речь: либо об отношении количества гам-

ма-квантов, зарегистрированных детектором (в том числе и рассе-

янных в результате эффекта Комптона), к количеству гамма-

квантов, попавших в детектор, либо об отношении гамма-квантов,

зарегистрированных детектором в пике полного поглощения, к ко-

личеству квантов, попавших в детектор (intrinsic peak efficiency).

Внутренняя эффективность не зависит от геометрии измерений –

размеров источника, детектора и расстояния между ними

Временное

Time resolution

Минимальное время между событиями, которые воспринимают-

разрешение

of spectrometer

ся регистрирующей аппаратурой раздельно. Определяется длитель-

спектрометра

ностью импульса детектора, зависящей от времени собирания заря-

да, образовавшегося при регистрации частицы или кванта, а также

быстродействием блоков электронного спектрометрического тракта

Время высве-

Scintillator’s

Время τ, за которое интенсивность свечения сцинтиллятора

чивания сцин-

decay time

снижается в е раз. Время высвечивания (ВВ) определяется типом

тиллятора

сцинтиллятора, его внутренними характеристиками и процессами,

протекающими во время преобразования энергии ионизирующего

излучения в оптические фотоны. Идеальный сцинтиллятор должен

обладать как можно меньшим ВВ, так как величиной τ определяется

длительность фронта импульса напряжения, возникающего при ре-

гистрации излучений, и, следовательно, быстродействие детектора.

ВВ аналогично времени сбора зарядов в ионизационных и полупро-

водниковых детекторах. Динамика высвечивания сцинтиллятора

описывается суммой двух (иногдабольшего количества) экспо-

нент, описывающих вклад быстрого и медленного компонентов.

Как правило, быстрый компонент доминирует

Время дости-

Peaking time

Время нарастания напряжения от момента превышения порога

жения ампли-

дискриминации (0,1 % от амплитуды) до его максимального значе-

туды

ния (амплитуды сигнала)