8. Спектрометрия

Гамма‑спектрометрия является одним из наиболее широко применяемых методов определения радионуклидного состава различных проб. При спектрометрии обычно не требуется концентрирование и разделение радионуклидов.

Для регистрации γ‑излучения для целей спектрометрии используют детекторы двух типов:

- сцинтилляционные (на основе иодидов натрия или цезия, активированных таллием, германата висмута Вi₄Gе₃О₁₂ и других материалов);

- полупроводниковые (из сверхчистого германия, из кремния, германий-литиевые и др.). Применение современных полупроводниковых детекторов, имеющих высокое энергетическое разрешение, позволяет выполнять одновременное качественное и количественное определение целого ряда γ-излучающих радионуклидов.

Попадание γ-кванта в сцинтилляционный или полупроводниковый детектор вызывает электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна доле энергии, которую γ-квант передал детектору. Возбуждение и ионизация среды происходит в основном путём передачи кинетической энергии комптоновских электронов и фотоэлектронов, а также электрон-позитронных пар. Эти частицы имеют небольшой пробег и, как правило, не вылетают за пределы детектора. Часто электрический импульс обусловлен последовательностью элементарных актов взаимодействия γ-квантов с веществом детектора; например, вторичный γ-квант, образующийся при комптоновском рассеянии, поглощается по механизму фотоэффекта или рассеивается повторно. Поскольку эти события происходят практически одновременно, детектор регистрирует один импульс суммарной амплитуды. Если вторичный γ-квант покидает детектор, энергия, переданная детектору, составляет Е_γ – Е_Компт (где Е_Компт – энергия рассеянного γ-кванта). Такие события формируют непрерывную часть аппаратурного спектра, лежащую левее пика полного поглощения Е_γ – комптоновский континуум.

Пример простейшего спектра Cs¹³⁷, полученного на спектрометре с детектором из сверхчистого германия, приведён на рис. 3.

Рис. 3. Гамма-спектр Cs¹³⁷в детекторе из сверхчистого германия

Чем больше кристалл, тем больше вероятность поглощения рассеянных γ-квантов (тем больше пик полного поглощения по сравнению с «пьедесталом»).

При фотоэффекте происходит испускание фотоэлектрона с энергией за вычетом энергии связи электрона. Этот электрон обычно остается в пределах кристалла (размер кристалла выбирается заведомо больше максимального пробега электронов). Одновременно происходит перестройка электронной оболочки атома, место вылетевшего электрона занимает другой, при этом испускается характеристическое рентгеновское излучение, которое также в большинстве случаев поглощается в кристалле. Эти процессы происходят практически одновременно, образуя в результате один импульс. Таким образом, при фотоэффекте потери энергии γ-кванта в кристалле оказываются равны Е_γ. Вылет рентгеновских квантов за пределы кристалла может привести к асимметрии пика или к появлению дополнительною пика.

В спектре радионуклидов, испускающих γ-кванты высокой энергии (с энергией больше значения 1,022 МэВ), формируются два пика, соответствующие вылету одного или двух аннигиляционных γ-квантов с энергиями Е_γ – 0,511 МэВ и Е_γ – 1,022 МэВ соответственно за пределы детектора. Такие пики называются пиком двойного и одиночного вылета. Чем больше размер кристалла, тем меньше вероятность вылета аннигиляционных γ-квантов и соответственно меньше относительная площадь пика двойною вылета.

Совокупность рассмотренных процессов может привести к полному поглощению энергии первичного γ-кванта в детекторе. В этом случае результирующий электрический импульс пропорционален Е_γ и вносит вклад в пик полного поглощения энергии. Именно пик полного поглощения энергии используют для качественного и количественного определения радионуклидов.

Ширина пика полного поглощения (энергетическое разрешение) определяется статистическим разбросом числа носителей заряда (пар электрон-вакансия или фотоэлектронов), образующихся при взаимодействии γ-кванта с детектором.

(8),

где ШПВ – ширина пика на половине высоты, ω – энергия, необходимая для создания носителя заряда.

Чем больше образуется носителей заряда, тем меньше (по закону Пуассона) относительная ширина пика. Поэтому полупроводниковые детекторы имеют в десятки раз лучшее разрешение, чем сцинтилляционные. С ростом энергии γ-квантов ширина пика, выраженная в энергетических единицах, увеличивается.