МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ордена Трудового Красного Знамени
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Московский технический университет связи и информатики»
Кафедра «Экология»
Лабораторная работа №3
по дисциплине «Радиационная безопасность»
«Изучение ксеноновых гамма-детекторов»
Вариант №4
Выполнили:
студенты группы М092501(70)
Новиков М.С, Зобов И.Р, Ягудин Р.Р,
Крапильский А.А, Рожков Е.И, Широков Н.Д,
Шаинян С.А.
Проверила:
к.э.н., доцент Федоркина И.А.
Москва 2025
Цель работы
Изучить теоретический материал по устройству и работе ксеноновых гамма-детекторов, которые обладают хорошими спектрометрическими характеристиками, что позволяет использовать их в различных областях человеческой деятельности.
Теоретическая часть
Ксеноновые гамма-детекторы — это ионизационные камеры, заполненные сжатым ксеноном, которые используются для регистрации и анализа гамма-излучения. Их ключевые преимущества — хорошее энергетическое разрешение (лучше, чем у сцинтилляционных детекторов), стабильность характеристик в широком температурном диапазоне и отсутствие необходимости в охлаждении жидким азотом. В отличие от германиевых детекторов, ксеноновые дешевле, хотя и менее эффективны из-за меньшей плотности рабочего вещества; однако, эффективность можно повысить за счёт увеличения объёма детектора. Помимо этого, спектрометрические характеристики ксеноновых гамма-детекторов практически не зависят от размеров, что позволяет создавать ксеноновые гамма-спектрометры с высокой чувствительностью за счёт увеличения рабочего объема.
На рис.1 представлен передвижной гамма-детектор.
Рисунок 1 - Передвижной гамма-детектор
Гамма-спектрометр, изучаемый в данной работе, представляет собой цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой (рис.2).
Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства газового гамма-детектора
В качестве рабочего вещества камеры используется сжатый ксенон или другие благородные газы и их смеси. Важно заметить, что применяемый в гамма-детекторах ксенон должен быть хорошо очищен от электроотрицательных примесей, которые обладают большим сечением захвата электронов, образующихся в рабочем веществе ионизационной камеры.
При прохождении гамма-квантов через рабочий объём детектора происходит их взаимодействие с атомами ксенона. Основными процессами, определяющими регистрацию излучения, являются фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар.
В случае фотоэффекта гамма-квант полностью поглощается атомом ксенона, выбивая электрон с внутренней оболочки. При комптоновском рассеянии фотон передаёт часть своей энергии электрону и изменяет направление движения, а при энергиях выше 1,022 МэВ возможен процесс рождения электрон-позитронной пары. Все эти процессы приводят к ионизации газа: образуются свободные электроны и положительные ионы.
Под действием приложенного электрического поля электроны дрейфуют к аноду, а ионы — к катоду. Поскольку подвижность электронов значительно выше (примерно в 1000 раз), основной вклад в формирование сигнала на выходе детектора вносит движение именно электронов.
Однако, в простой цилиндрической ионизационной камере амплитуда выходного импульса зависит от места первоначального взаимодействия гамма-кванта с газом — это так называемый индукционный эффект. В результате даже моноэнергетическое излучение даёт на спектре размытый пик, что ухудшает энергетическое разрешение. Для минимизации этого эффекта между катодом и анодом устанавливается экранирующая сетка, на которую подаётся промежуточный потенциал (обычно около половины напряжения катода). Благодаря этому, сигнал на аноде формируется преимущественно при прохождении зарядов через узкую область между сеткой и анодом, что делает амплитуду импульса практически независимой от координаты взаимодействия гамма-кванта и значительно улучшает энергетическое разрешение детектора.
Таким образом, ксеноновые гамма-детекторы сочетают в себе высокую стабильность, хорошее энергетическое разрешение и возможность масштабирования чувствительного объёма, что делает их эффективным инструментом для гамма-спектрометрии в полевых и лабораторных условиях.