Процессы гашения в жс системах

В ЖС препарате могут происходить процессы, приводящие к снижению доли энергии ионизирующей частицы, затрачиваемой на собственно сцинтилляционный процесс, т.е. к уменьшению квантового выхода флуоресценции, или гашению. Так, молекулы некоторых примесей способны "перехватывать" энергию возбуждения от молекул растворителя до ее передачи молекулам сцинтиллятора (активатора) и растрачивать ее путем безызлучательных переходов. Такой вид гашения называется химическим. Химическое гашение присутствует в той или иной степени в любом препарате, поскольку любые вводимые вещества конкурируют с молекулами сцинтиллятора при переходе энергии от возбужденных молекул растворителя.

В окрашенных ЖС смесях также имеет место уменьшение яркости сцинтилляций, связанное с поглощением света определенных длин волн, называемое цветовым или оптическим гашением. Величина цветового гашения определяется длиной волны максимума поглощения гасителя, оптической плотностью раствора, а также областью спектральной чувствительности ФЭУ. Цветовое гашение приводит к изменению спектрального состава излучения, попадающего на ФЭУ.

Явление гашения приводит к тому, что реально регистрируемое распределение амплитуд импульсов оказывается сжатым вдоль энергетической шкалы. -излучение имеет непрерывный спектр, т.е. энергии -частиц распределены в интервале от 0 до Е_{-макс.}, и с увеличением гашения возрастает доля низкоэнергетических -частиц, которые оказываются незарегистрированными, т.к. количество образующихся в загашенной ЖС смеси фотонов оказывается недостаточным для их регистрации. Это снижает эффективность регистрации и затрудняет спектральную идентификацию -излучателей. На рисунке 3 приведены ЖС спектры ¹⁴С при различных уровнях гашения.

Рис. 3. Жидкостно-сцинтилляционные спектры препаратов 14C с различным уровнем гашения. По мере увеличения гашения (уменьшения величины параметра гашения tSIE) спектр смещается в низкоэнергетическую область.

Таким образом, с увеличением гашения снижается эффективность регистрации -излучателей, и, следовательно, для определения абсолютной активности -излучающих радионуклидов необходимо знать, как связана эффективность регистрации с гашением.

Эффективность регистрации -частиц уменьшается только при весьма значительном гашении (высокой концентрации гасителя). Однако, по мере увеличения гашения происходит уменьшение разрешения пиков (Рис. 4).

Рис. 4. Смещение альфа-пиков в ЖС спектре в зависимости от гашения. Спектры 211At с дочерним 211Po. Спектры получены при различных значениях tSIE.

Определение абсолютной активности. Параметры гашения.

Простейшим методом определения эффективности ЖС регистрации -излучателей является метод внутреннего стандарта.

При внутренней стандартизации к препарату с неизвестным содержанием измеряемого радионуклида добавляют известное количество (A, Бк) того же радионуклида (внутренний стандарт) и сравнивают результаты измерения радиоактивности до (I₁, имп./с) и после (I₂, имп./с) введения внутреннего стандарта. Это позволяет оценить эффективность регистрации  данного радионуклида в исследуемой системе:

 = (I₂ – I₁)/ A

Метод внутренней стандартизации сравнительно трудоемок, т.к. требует выполнения ряда дополнительных химических и измерительных операций. Важно, чтобы введение внутреннего стандарта значимо не повлияло на гашение в ЖС смеси.

Для количественного описания зависимости эффективности регистрации -излучателей от гашения в ЖС системах используют так называемые параметры гашения (ПГ). Известные к настоящему времени методы определения параметров гашения могут быть разделены на три основные группы:

а) ПГ, основанные на спектральных характеристиках измеряемого препарата.

К этой группе ПГ относятся соотношение скоростей счета в различных энергетических каналах (Sample Channel Ratio, SCR) и спектральный индекс препарата (Spectral Index of the Sample, SIS). Эта группа методов чаще всего требует априорной информации о радионуклидном составе пробы и наличия набора стандартов измеряемого радионуклида с различными уровнями гашения.

Соотношение скоростей счета в различных энергетических каналах (Sample Channel Ratio, SCR) позволяет судить о деформации спектра и, следовательно, о гашении. SCR не требует высокого разрешения с использованием многоканального анализатора - достаточно разбить спектр импульсов лишь на два окна, в которых происходит измерение.

Он является единственным параметром гашения при измерении радиоактивности высокоэнергетических -излучателей по черенковскому излучению.

Недостатками метода SCR являются ограниченный интервал гашения, т.к. спектры сильно загашенных препаратов полностью сдвигаются в низкоэнергетический канал; зависимость точности определения ПГ от выбора каналов; меньшая точность, чем в методе SIS, т.к. измерения проводятся лишь в одной части энергетического спектра.

Для определения абсолютной активности радионуклида необходимо предварительно получить кривую гашения, то есть зависимость эффективности регистрации от ПГ, с использованием стандартных препаратов определяемого радионуклида при различных уровнях гашения.

Спектральный индекс препарата (SIS) определяется средней амплитудой импульсов в аппаратурном спектре препарата и является наиболее чувствительным параметром гашения. Этот ПГ не зависит ни от активности измеряемого препарата (он не изменяется при увеличении или уменьшении активности препарата), ни от его объема, ни от эффекта стенок (искажение формы спектра в результате взаимодействия -частиц со стенками флакона), ни от плотности коктейля.

Основным недостатком SIS является ограничение, связанное с измерением препаратов с низкой активностью, однако уже при регистрируемой активности, равной 1000 имп./мин., достигается погрешность в пределах 5-7%.

б) ПГ, основанные на спектральных характеристиках внешнего стандарта

Для внешней стандартизации непосредственно под флакон с препаратом на сравнительно короткое время подводится внешний источник -излучения (обычно это ¹³³Ba, ¹³⁷Cs или ²²⁶Ra). При взаимодействии -квантов средних и высоких энергий с ЖС смесью наблюдается спектр комптоновского рассеяния - основного вида взаимодействия этих -квантов с веществом с низкими атомным номером Z. С увеличением гашения комптоновский спектр смещается в низкоэнергетическую область, и его площадь уменьшается (как и в ЖС -спектрах), что может быть использовано для определения гашения.

Все ПГ, основанные на внешней стандартизации могут использоваться только в том случае, если регистрируемая активность препарата много меньше регистрируемой активности внешнего стандарта. Важным преимуществом внешней стандартизации является высокая точность определения эффективности.

Использование соотношения скоростей счета в различных энергетических каналах спектра внешнего стандарта (External Standard Ratio, ESR), а не измеряемого радионуклида позволяет упростить выбор этих энергетических диапазонов по сравнению с методом SCR.

Для определения ESR используются два фиксированных дискриминатора, настройка которых проводится изготовителем прибора. Это позволяет сделать процесс измерения полностью автоматическим и избежать поисков оптимального режима при каждом измерении.

Положение точки перегиба в спектре внешнего стандарта (Н^#) используется в ЖС спектрометрах фирмы Beckman (в качестве стандарта используется ¹³⁷Cs). При малых объемах препарата интенсивность регистрируемого комптоновского излучения снижается, и определение Н^# становится менее воспроизводимым.

Спектральный индекс внешнего стандарта (Spectral Index of the External Standard, SIE) – весьма точный ПГ, т.к. он рассчитывается из всей совокупности зарегистрированных импульсов.

Ряд экспериментальных особенностей - так называемый эффект стенок, непостоянство объема ЖС смеси, цветовое гашение, материал флакона и пр. приводит к некоторым искажениям спектра в низкоэнергетической области. Это может вызывать неточность в определении эффективности при использовании некоторых ПГ.

Фирма Packard предложила в качестве ПГ преобразованный спектральный индекс внешнего стандарта (Transformed Spectral Index of the External Standard, tSIE), позволяющий уменьшить таких роль факторов, как, например, изменение объема препарата, цветовое гашение, плотность коктейля, эффект стенок, материал и тип флакона и т.п. Значение tSIE составляет 1000 для незагашенных препаратов и уменьшается с ростом гашения. На рисунке 4 представлены типичные кривые гашения ³H и ¹⁴С.

Рис. 5. Зависимость эффективности регистрации бета-частиц 3H, 14C и альфа-частиц 239Pu. Эффективность регистрации альфа-частиц в широком диапазоне параметра гашения tSIE равна 100%.

Описанные методы определения гашения применимы, строго говоря, только к гомогенным системам. Действительно, если, например, тритиевая вода диспергирована в ЖС смеси, с которой она не смешивается, поправка на гашение, определенная методом внешнего стандарта, относится только к органической (содержащей сцинтиллятор) фазе. В то же время для такого низкоэнергетического -излучателя, как тритий, ослабление излучения даже в мельчайших капельках воды, диспергированных в объеме сцинтиллятора, может привести к заметному снижению эффективности регистрации и реальное значение коэффициента регистрации окажется намного меньше значения, полученного методом внешней стандартизации. В случае гетерогенных систем (суспензии, осадки на фильтрах, отрезки хроматограмм и т.п.) более целесообразно говорить не об абсолютных, а, главным образом, об относительных измерениях.

Часть энергии -частиц, испущенных в непосредственной близости от стенок флакона, может быть затрачена на взаимодействие со стенками. В результате наблюдаемые амплитудные распределения (спектры импульсов) отличаются от теоретических спектров -излучения. Определенные искажения в форму спектра может вносить и -излучение, сопровождающее -распад (хотя оно регистрируется с существенно меньшей эффективностью). Однако, градуировка аппаратуры и оценка эффективности регистрации относится именно к спектрам импульсов реальных препаратов, что и позволяет выполнять количественные измерения абсолютной активности.