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

Выходной

Amplifier

Сформированный импульс на выходе усилителя, содержащий

импульс

output pulse

необходимую количественную информацию о поглощенной в де-

усилителя

текторе энергии излучения для его дальнейшей классификации, и

имеющий минимально возможную длительность для снижения ве-

роятности наложения импульсов

Гамма-

Gamma

Установка, состоящая из детектора гамма-излучения с блоком

спектрометр

spectrometer

питания, устройств для усиления и формирования сигналов от де-

тектора, блоков для накопления и классификации этих сигналов и

вывода информации (энергетического спектра) в удобном виде, а

также устройств обработки измерительной информации. Наиболее

распространенные детекторы гамма-излучения – сцинтилляционные

на основе неорганических сцинтилляторов и полупроводниковые из

особо чистого германия

Гашение

Quenching

Снижение квантового выхода флуоресценции вследствие раз-

сцинтилляций

личных эффектов в жидком сцинтилляторе. При химическом гаше-

нии сцинтилляций (ГС) молекулы некоторых примесей «перехваты-

вают» энергию возбуждения от молекул растворителя до ее переда-

чи молекулам активатора и «сбрасывают» ее посредством безызлу-

чательных переходов. Оптическое ГС происходит за счет поглоще-

ния квантов определенных длин волн.

Для количественного описания зависимости эффективности ре-

гистрации от ГС в системах на основе жидких сцинтилляторов ис-

пользуют параметры гашения. Наиболее употребительные из них:

1) параметры, основанные на спектральных характеристиках изме-

ряемого препарата – SCR (Spectral Channel Ratio) и SIS (Spectral

Index of the Sample). Для группы методов, учитывающих гашение с

помощью этих параметров, нужна априорная информация о составе

пробы, а также наличие стандартов измеряемого нуклида с различ-

ными уровнями гашения. Соотношение скоростей счета в различ-

ных энергетических каналах (SCR) позволяет судить о деформации

спектра. Спектральный индекс препарата (SIS) определяется сред-

ней амплитудой импульсов в аппаратурном спектре препарата и

является наиболее чувствительным параметром гашения, не зави-

сящим от активности препарата, его объема и др.; 2) параметры,

основанные на спектральных характеристиках внешнего стандар-

та – под флаконом с измеряемым препаратом размещают внешний

источник гамма-излучения (133Ba), создающий комптоновский

спектр, который смещается в низкоэнергетическую область с ро-

стом гашения. Среди этих параметров – SIE (Spectral Index of the

External Standard) и др.

Геометрическая

Geometric

Отношение количества частиц (квантов), попавших в детектор

эффективность

efficiency

(при этом не обязательно зарегистрированных), к количеству частиц

детектора

of detector

(квантов), испущенных источником. Очевидно, геометрическая эф-

фективность зависит только от геометрических параметров

Германиево-

Ge(Li) detector

Детектор гамма-излучения, в котором чувствительной областью

литиевый

является обедненная носителями заряда зона собственной проводи-

детектор

мости р-i-n перехода, образованная при дрейфе ионов лития вглубь

монокристалла германия. Во избежание выхода лития на поверх-

ность из-за высокого коэффициента диффузии Ge(Li) детектор хра-

нят и используют при температурах жидкого азота (77 К). В насто-

ящее время эти детекторы практически не используются, так как им

на замену пришли детекторы из особо чистого германия (HPGe),

требующие охлаждения только во время измерений и хранящиеся

при комнатной температуре

Гигроскопич-

Hygroscopicity

Параметр сцинтиллятора, относящийся к его эксплуатационным

ность сцинтил-

of scintillator

характеристикам: способность поглощать водяной пар из воздуха,

лятора

измеряемая по увеличению массы материала, помещаемого во

влажную атмосферу. Гигроскопичность сцинтиллятора – отрица-

тельное свойство некоторых кристаллов, в первую очередь – ще-

лочно-земельных: NaI(Tl), LaBr3 и др., в течение 6–10 ч насыщае-

мых влагой. Для использования в сцинтилляционных детекторах

гигроскопичный сцинтиллятор помещается в тонкий металлический

кожух, исключающий попадание влаги внутрь

Граничная

Boundary

Наибольшая энергия бета-частиц: β–(β+) в непрерывном энерге-

энергия бета-

energy of

тическом спектре бета-излучения радионуклида. Соответствует

спектра

beta-spectrum

случаю условного превращения нейтрона (протона) в ядре по реак-

ции n → p + e + v− (p → n + e+ + v), при котором энергия антиней-

трино (нейтрино) равна нулю

Детектор

Detector

В спектрометре – главный элемент, удовлетворяющий следую-

щим требованиям: строго однозначная (лучше – прямо пропорцио-

нальная) связь между выходным сигналом детектора и поглощен-

ной энергией излучения; простой механизм сбора сигналов с детек-

тора, пригодных для трансформации в удобную для их последую-

щей классификации форму; энергетическое разрешение, позволяю-

щее идентифицировать и разделять близко находящиеся энергети-

ческие пики; высокая стабильность характеристик детектора и его

эксплуатационных параметров по отношению к внешним факторам,

в том числе стабильность во времени. Кроме первого требования,

остальные являются качественными и оцениваются в контексте рас-

сматриваемых задач. К наиболее распространенным в ядерных тех-

нологиях детекторам излучений относятся полупроводниковые,

сцинтилляционные, газовые ионизационные

Детектор из

HPGe, high

Полупроводниковый детектор гамма-излучения, в котором чув-

особо чистого

purity germani-

ствительной областью является обедненная носителями зарядов зо-

германия

um detector

на собственной проводимости р-i-n перехода, полученная из моно-

кристалла сверхчистого Ge. На одной стороне заготовки создают

омический контакт имплантацией ионов бора и последующим

напылением золота или осаждением никеля. На другой стороне

кристалла создается р-n переход за счет диффузии лития и омиче-

ский контакт. При подаче обратного смещения на переход добива-

ются расширения обедненной носителями заряда области практиче-

ски на всю толщину заготовки. Эти детекторы отличаются наилуч-

шим энергетическим разрешением. Выпускаются коаксиальные и

планарные детекторы, детекторы с колодцем, разного объема, рас-

считанные на различные энергетические диапазоны. Основными

производителями HPGe детекторов являются Ortec (Ametec),

Canberra (Mirion Technology), BSI. Измерение с помощью HPGe вы-

полняют при температуре жидкого азота (LN2), равной 77 К, а хра-

нят детектор при нормальной температуре. Помимо метода охла-

ждения с помощью сжиженного азота используют электромехани-

ческие охладители на основе тепловых циклов, понижающие рабо-

чие температуры до 78–83 К

Детектор пас-

Passivated

Детекторы PIPS (торговое наименование детекторов фирмы

сивированный

Implanted Pla-

Canberra) отличаются от других кремниевых ППД. В них p-n пере-

ионно-

nar Silicon de-

ход находится внутри слоя кремния; контакты, сформированные

имплантиро-

tector, PIPS®

методом

ионной имплантации, обеспечивают тонкий,

хорошо

ванный пла-

(PIPS® detec-

сформированный переход; окно детектора имеет достаточную

нарный крем-

tors)

прочность, что позволяет проводить его дезактивацию; детекторы

ниевый, PIPS®

имеют небольшой ток утечки (порядка нА) и толщину мертвого

слоя не более 500 Å; стандартные модели детекторов PIPS могут

работать при температурах до 100 °C. Детекторы используются в

спектрометрии заряженных частиц (α- и β-частиц). Производятся

детекторы с площадью от 25 до нескольких тысяч мм2. Нижний

предел

энергетического разрешения альфа-излучения

равен 8–

8,5 кэВ по линии 241Am, а бета-излучения – 17–30 кэВ.

Фирма ORTEC производит аналогичные детекторы ULTRA® и

ULTRA-AS®

Динамический

Dynamic range

Динамический диапазон усилителя (ДДУ) определяется отноше-

диапазон

нием максимального уровня входного сигнала усилителя к его ми-

усилителя

нимальному уровню при условии сохранения линейной зависимо-

сти между выходными и входными сигналами.

Минимальный уровень (чувствительность) обычно определяется

собственными шумами усилителя. ДДУ численно равен логарифму

отношения максимальной амплитуды входного сигнала усилителя,

при которой искажения сигнала достигают предельно допустимого

значения, к чувствительности усилителя

Дисперсия

Variance

Числовая характеристика распределения p(x)

дискретной или не-

случайной

прерывной случайной величины x, равная

D(X ) = M (x − Mx)2.

величины

Здесь – оператор математического ожидания случайной величи-

ны.

Квадратный корень из дисперсии случайной величины называ-

ется среднеквадратическим (стандартным) отклонением. Диспер-

сия случайной величины равна центральному моменту распределе-

ния второго порядка

Дифференци-

Differential

Характеристика усилителя, отражающая гладкость его реальной

альная нели-

nonlinearity,

характеристики:

нейность

DNL

ξ =

K − Kr

,

dA

K

где K =

вых

– коэффициент усиления (индекс r относится к

dAвх

и

- амплитуды выходного и входного

реальным значениям),

импульсов,

соответственно. Дифференциальная нелинейность, ис-

вых

вх

кажающая форму спектральной линии и приводящая к смещению

максимума пика и изменению его ширины, не должна превышать

несколько десятых процента для ППД и несколько процентов для

сцинтилляционного детектора. Аналогичный параметр является ха-

рактеристикой аналогово-цифрового преобразователя (АЦП)

Дифференци-

Differentiator,

Фрагмент электрической цепи, содержащий емкость CD и рези-

рующая

high-pass filter

стор RD – фильтр, ослабляющий низкочастотную составляющую

цепочка

сигнала и пропускающий его высокочастотную составляющую. По-

стоянная времени CR-цепочки равна τD = CD RD. За это время ам-

плитуда исходного сигнала А (ступеньки) спадает по экспоненте до

уровня 0,37 А. Длительность импульса на входе RC цепочки должна

быть меньше ее постоянной времени τD

Диффузионно-

Diffused-

Кремниевый детектор р-i-n типа с р-проводимостью. При изго-

дрейфовый

drifted detector

товлении ионы лития сначала диффундируют, а затем дрейфуют с

детектор

поверхности вглубь кристалла при температуре 400 °С (при напря-

жении в несколько сот вольт). Образуется кристалл с компенсиро-

ванной плотностью примесей, имеющий только собственную про-

водимость. Изготовляют и планарные, и коаксиальные диффузион-

но-дрейфовые детекторы с толщиной чувствительной области до

десятков миллиметров

Диффузионный

Diffused

Диффузионные детекторы (ДД) принадлежат к первому поколе-

детектор

junction

нию кремниевых ППД; p-n переход образуется при диффузии до-

detector

норных или акцепторных примесных атомов в тонкий поверхност-

ный слой полупроводников p- или n-типов на глубину до 2 мкм. В

большинстве случаев исходным материалом служит p-кремний, а

донором – фосфор. Эти детекторы работают без охлаждения, а тол-

щина обедненного носителями зарядов (чувствительного) слоя у

них составляет 0,2–0,5 мм. Недостатком ДД является наличие мерт-

вого слоя, который задерживает заряженные частицы до их попада-

ния в чувствительную область

Длинный

Long cable

Кабель, на длине которого умещается не менее ¼ длины волны

кабель

распространяемого по нему переменного сигнала. При длительно-

сти импульса полупроводникового детектора в несколько десятков

нм кабель протяженностью 50–100 см будет в указанном смысле

длинным

Длительность

Pulse width

Время от начала до окончания превышения сигнала порога дис-

импульса

криминации измеряемой величины (напряжения, тока и т.д.)

Добротность

Figure of merit,

Показатель качества, используемый для характеристики эффек-

FoM

тивности устройства (в том числе спектрометра), системы или ме-

тода по отношению к его альтернативам. Количественной величи-

ной, характеризующей добротность, служит величина FoM (figure of

merit), которая определяется при необходимости измерения кон-

кретного радионуклида: FoM = E2/B, где Е – эффективность реги-

страции, %,

В–

фон, имп/мин. Как правило в спектрометрии ис-

пользуется для выбора того или иного спектрометра для измерений

мягкой области спектра. Мерой добротности спектрометра является

также величина отношения сигнал-шум (SNR)

Допплеровское

Doppler broad-

Увеличение полуширины спектральной линии, связанной с ан-

уширение спек-

ening of spec-

нигиляцией электронно-позитронной пары, из-за того, что анниги-

тральной линии

tral line

ляция происходит после термализации позитрона и его взаимодей-

ствия

с движущимся свободным или связанным электроном

(e− + e+ → → γ1 + γ 2).

В системе центра масс два образующихся

гамма-кванта из-за сохранения энергии и импульса движутся в про-

тивоположных направлениях с энергией E0 =511 кэВ каждый. Од-

нако в лабораторной системе отсчета энергия двух аннигиляцион-

ных фотонов вследствие эффекта Допплера смещена относительно

511 кэВ на величину

E ~±cp−,L /2, где с – скорость света в вакуу-

ме; p−,L /2 – продольная компонента импульса электрона. Если при

энергиях порядка 511 кэВ разрешение германиевого ППД примерно