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

гии заряженными частицами, а при снятии возбужденных состоя-

ний излучается квант света в УФ диапазоне. Длина поглощения

ультрафиолета мала: центры флуоресценции непрозрачны для их

собственного излученного света. Вывод света осуществляется до-

бавлением к сцинтиллятору второго компонента-сместителя спек-

тра, поглощающего первично излученный свет и переизлучающего

его изотропно с большими длинами волн (меньшей энергией).

Два активных компонента в органическом сцинтилляторе (ОС)

или растворяются в органической жидкости, или смешиваются с

органическим материалом так, чтобы образовать полимерную

структуру. По такой технологии можно производить жидкий или

пластический сцинтиллятор любой геометрической формы. ОС

имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц –

десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но мень-

ший световыход

Относительная

Scintillation

Отношение полной ширины пика на половине его высоты к

полуширина

detector

энергии пика, выраженное в процентах. Обычно используется при

resolution

сравнении характеристик сцинтилляционных спектрометров. Для

сравнения гамма-спектрометров используют образцовый источник

137Cs (энергия 661,6 кэВ)

Относительная

Relative

Используется в гамма-спектрометрии для характеристики детек-

эффективность

efficiency

торов, которые сравниваются с «классическим» сцинтилляционным

детектором. Количество событий, зарегистрированных в ППП ли-

нии 1332 кэВ 60Co с известной активностью и расположенного на

расстоянии 25 см от торцевой поверхности детектора, делится на

количество событий, регистрируемых стандартным цилиндриче-

ским детектором NaI(Tl) 3"×3" при том же расстоянии источник-

детектор и за то же время. (Скорость регистрации событий в пике

полного поглощения 1,2×10–3 с–1 на Бк.)

Отношение

Peak-to-

Величина, позволяющая оценить возможности определения низ-

пик-комптон

Compton ratio,

коэнергетических пиков на комптоновском фоне, возникающем

PCR

вследствие рассеяния гамма-квантов бóльших энергий. PCR опре-

деляется с использованием образцового источника 60Co как отно-

шение количества отсчетов в максимуме пика полного поглощения

линии 1322 кэВ к среднему количеству отсчетов в его комптонов-

ском распределении в области от 1040 до 1096 кэВ. PCR указывает-

ся для коаксиальных детекторов, и для современных HPGe-

детекторов оно составляет 40–70. Величина PCR возрастает с улуч-

шением энергетического разрешения и ростом эффективности де-

тектора

Отношение

SNR, S/N ratio,

Безразмерная величина, равная отношению мощности полезно-

сигнал-шум

signal to noise

PS

2

ratio

го сигнала к мощности шума: SNR =

=

AS

, где P и А – средняя

PN

A2

N

мощность и среднеквадратическая амплитуда соответственно, S –

индекс, относящийся к сигналу, N – к шуму. SNR часто выражают в

децибелах:

P

A

SNR(dB)=10Lg

S

=

20Lg

S

.

PN

AN

Наибольшая величина SNR наблюдается, если форма выходного

импульса усилителя напоминает острие (cusp) и описывается выра-

жением U(t)= U0exp(−k

t − τ

), где U0

и k – постоянные. Приняв

для такого сигнала значение относительного шума (ОШ) за едини-

цу, можно вычислить ОШ для импульсов других форм. Получить

сигнал в форме острия методами аналоговой электроники с исполь-

зованием пассивных элементов практически невозможно, к тому же

он неудобен для амплитудного анализа. Используя комбинацию

одной дифференцирующей и нескольких интегрирующих цепочек,

можно сформировать полугауссиан, приближающийся по форме и

ОШ к гауссиану, удобный для обработки аналогово-цифровым пре-

образователем. Условие, при котором SNR наибольшее, состоит в

равенстве постоянных времени интегрирующей и дифференцирую-

щей цепочек: τ I = τ D = τ 0

Отработавшее

Spent fuel

Ядерное топливо, извлеченное из реактора после облучения и не

ядерное

подлежащее дальнейшему использованию в этом реакторе. После

топливо

выгрузки из реактора ОЯТ временно размещается в бассейне вы-

(ОЯТ)

держки для отвода тепла, затем поступает на хранение и переработ-

ку (извлечение компонентов ОЯТ для их дальнейшего использова-

ния)

Очень большой

Very large

Гипотетический детектор, в котором все вторичные частицы и

детектор

detector

кванты, образовавшиеся при взаимодействии исследуемого гамма-

излучения с веществом, не выходят за пределы чувствительной об-

ласти детектора. Вследствие этого любые события взаимодействия

вносят вклад в формирование пика полного поглощения, площадь

которого пропорциональна поглощенной энергии гамма-квантов

Память много-

MCA memory

Электронная схема, предназначенная для запоминания дискрет-

канального

ного спектра. Разрядность ячейки памяти, выделенной под канал,

анализатора

определяет максимально возможный отсчет в канале. Для многих

задач с небольшой скоростью счета подходит 106 отсчетов. Для из-

мерения интенсивных пиков необходимы более емкие ячейки.

Большинство автономных МКА имеют встроенные функции для

проведения анализа (определение положения пиков, их ширины,

проведение энергетической градуировки, определение полного чис-

ла импульсов в выбранном диапазоне, площадей пиков и др.)

Параллельный

Parallel ADC,

Устройство для оцифровки аналогового сигнала с предусилите-

АЦП

flash ADC

ля. Основой параллельного АЦП являются аналоговые компарато-

ры, одновременно сравнивающие напряжение входного сигнала с

набором опорных значений, формируемых с помощью делителя.

Если напряжение на входе компаратора превышает напряжение на

его инвертирующем входе, то на выходе компаратора формируется

напряжение логической единицы. Код, получаемый на выходе ли-

нейки компараторов, состоит из нулей и единиц, но не является при

этом двоичным. Для его приведения к двоичному виду использует-

ся специальная цифровая схема – преобразователь кодов (шифра-

тор). N-разрядный параллельный АЦП состоит из 2N резисторов и

2N – 1 компараторов. В настоящее время в составе цифровых блоков

для обработки спектрометрической

информации используются

15-разрядные АЦП со временем преобразования 20–100 нс

Парный

Pair

Принцип действия парного спектрометра (ПС) основан на реги-

спектрометр

spectrometer

страции событий, порожденных эффектом образования электронно-

позитронных пар, т.е. ПС предназначен для измерений энергии

квантов более 1,022 МэВ. Коллимированный пучок первичного

гамма-излучения попадает на кристалл-анализатор, и два аннигиля-

ционных кванта, образующиеся при взаимодействии гамма-

излучения с детектором, с большой долей вероятности его покида-

ют, но впоследствии могут быть зарегистрированы двумя управля-

ющими кристаллами. Амплитудный анализ сигналов от кристалла-

анализатора проводится только при наличии тройных совпадений.

Каждой гамма-линии с энергией

приборном спектре соответ-

ствует пик с энергией Eγ − 2mec2 (пикв

двойной утечки). Размеры

чувствительной области кристалла-анализатора (центрального де-

тектора) выбираются достаточными

для обеспечения требуемой

эффективности регистрации. Как правило, этот детектор имеет ци-

линдрическую форму, и направление потока квантов совпадает с

осью цилиндра. Поэтому определяющим размером в данном случае

является высота цилиндра, а диаметр цилиндра выбирается таким,

чтобы аннигиляционные гамма-кванты легко его покидали. В

настоящее время ПС используется в основном в фундаментальных

исследованиях

Период полу-

Half-life, T1/2

Время, за которое активность радионуклида снижается в два

распада, Т1/2

раза. Разделение нуклидов на короткоживущие и долгоживущие

проводится исходя из конкретных условий (контекста) по значени-

ям их периодов полураспада

Пик аннигиля-

Annihilation

Пик, соответствующий энергии 0,511 МэВ, образуется: 1) при

ционного излу-

peak

аннигиляции позитронов, образованных в окружающих чувстви-

чения

тельную область детектора материалах (например, в защите с боль-

шим Z), и попадании аннигиляционных гамма-квантов в детектор;

2) при измерении β+-активных нуклидов, если образовавшиеся

вследствие распада позитроны аннигилируют до попадания в де-

тектор

Пик Брэгга

Bragg peak

См. Кривая Брэгга

Пик двойного

Double escape

См. Пик двойной утечки

вылета

peak

Пик двойной

Double escape

Пик в энергетическом спектре гамма-излучения, положение ко-

утечки

peak

торого соответствует разности между энергией гамма-кванта

(большей 1,022 МэВ) и энергией двух гаммаквантов, возникших

при аннигиляции электронно-позитронной пары и покинувших чув-

ствительную область детектора гамма-излучений без взаимодей-

ствия, равной 1,022 МэВ. Полуширина этого пика больше, чем ши-

рина ППП той же энергии, из-за доплеровского уширения анниги-

ляционной линии 0,511 МэВ

Пик каскадного

True

Ложный пик, возникающий при суммировании двух и более кас-

суммирования

coincidence

кадных гамма-квантов, образующихся при распаде радионуклида и

summing (TSC)

одновременно попадающих в детектор. В результате такого процес-

peak

са интенсивность регистрируемых гамма-линий может как завы-

шаться, так и занижаться. Так как вероятность одновременной реги-

страции каскадных квантов сильно зависит от квадрата телесного

угла с центром в источнике, в пределах которого находится чув-

ствительная область детектора, существенно снизить роль КС поз-

воляет увеличение расстояния от источника до детектора. Поправки

на каскадное суммирование можно также вычислить, используя ме-

тоды математического моделирования распространения излучения

от источника к детектору

Пик обратного

Back scattering

При углах рассеяния, близких к π, энергия рассеянного кванта

рассеяния

peak

слабо зависит от угла. Регистрируемые гамма-кванты, пройдя чув-

ствительную область детектора без взаимодействия, могут испытать

комптоновское рассеяние в окружающих материалах назад и вер-

нуться в детектор. При энергиях падающих квантов более 500 кэВ

энергия обратно рассеянных квантов находится в диапазоне 170–

255 кэВ. Соответствующий пик энергетического спектра ассимет-

ричен и называется пиком обратного рассеяния

Пик одиночно-

Single escape

См. Пик одиночной утечки

го вылета

peak

Пик одиночной

Single escape

Пик в энергетическом спектре гамма-излучения, положение ко-

утечки

peak

торого соответствует разности между энергией гамма-кванта

(большей, чем 1,022 МэВ) и энергией одного из двух гамма-

квантов, равной 0,511 МэВ, возникших при аннигиляции электрон-

но-позитронной пары, но покинувшего чувствительную область де-

тектора без взаимодействия. Полуширина этого пика больше, чем

ширина ППП той же энергии, из-за доплеровского уширения анни-

гиляционной линии 0,511 МэВ

Пик полного

Full energy

1. Пик в спектре, соответствующий энергии гамма-кванта Eγ .

поглощения

peak, FEP

Пик полного поглощения (ППП) формируется, главным образом,

фотоэлектронами, образованными при фотоэффекте (фотоэлектри-

ческом поглощении гамма-кванта). Характеристическое рентгенов-

ское излучение (ХРИ), сопровождающее фотоэффект, и оже-

электроны испускаются практически одновременно с покинувшими

энергии нейтрона En и энергии реакции Q (например, Q для 3Не

равной 0,764 МэВ)

Пик случайного

Pile-up, random

Ложный пик, возникающий при случайном суммировании двух

суммирования

coincidence,

и более гамма-квантов, испускаемых источником излучений вслед-

random sum-

ствие независимых физических процессов и возникающих в течение

ming peak

временного интервала меньшего, чем временное разрешение спек-

трометра

Пик утечки

X-ray escape

Если характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ) возни-

характеристи-

peak

кает в чувствительной области детектора недалеко от ее границы,

ческого рентге-

оно с большой вероятностью может покинуть эту область. В этом

новского

случае возникает пик утечки ХРИ, аналогичный пику одиночного

излучения

вылета, соответствующий энергии Eγ − EK (E K – энергия связи

электрона K-оболочки с ядром): germanium escape peak – для герма-

ниевых детекторов, iodine escape peak – для детекторов NaI(Tl), где

утечка возникает, главным образом, при взаимодействии гамма-

квантов с атомами йода. Эти пики наблюдаются при использовании

детекторов небольших размеров

Площадь пика

Peak area

Суммарное число импульсов измеренного пика, пропорциональ-

ное геометрической площади пика. Для определения чистой площа-

ди (net area), пропорциональной количеству частиц определенного

энергетического интервала, испущенных исследуемым образцом, из