3. Спектрометрия ионизирующих излучений.

Спектрометрия ионизирующих излучений - это область физики и техники, разрабатывающая теорию и методы измерения энергетических спектров ионизирующих излучений. Под энергетическим спектром понимается распределение по энергии ионизирующих частиц или γ-квантов. Важнейшей прикладной задачей, решаемой методами спектрометрии, является измерение активности каждого нуклида и его относительного содержания в пробах, включающих смесь радионуклидов различных видов. Именно такая задача возникает при контроле объектов окружающей среды и пищевых продуктов на радиоактивную загрязненность.

Приборы для регистрации и измерения энергетического спектра ионизирующих излучений называют спектрометрами. Спектрометры ионизирующих излучений классифицируются по виду излучения (альфа-, бета-, гамма-спектрометры), по принципу их действия (сцинтилляционные, полупроводниковые и т.п.) и по конструктивным особенностям.

Существует несколько методов измерений энергетических спектров ионизирующих излучений, основанных на разных принципах регистрации. В прикладной спектрометрии широкое распространение получил сцинтиляционный метод. Он основан на измерении и анализе световых вспышек (сцинтилляций), возникающих в определенных веществах (сцинтилляторах) под воздействием ионизирующего излучения. Чаще всего используются кристаллы галоидов щелочных металлов NаI, СsI, LiI, в которые добавлено небольшое количество (около 0,1 %) активатора (обычно Ti).

Сцинтилляционный счетчик (рис.7) представляет собой совокупность сцинтилляционного кристалла с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). ФЭУ позволяет преобразовывать слабые световые вспышки от осциллятора в достаточно большие электрические импульсы. ФЭУ состоит из фотокатода, нескольких (до 15  20) электродов (динодов) и анода, заключенных в цилиндрический вакуумный стеклянный баллон. Напряжение на каждом диноде на 50..100 В выше, чем у предыдущего.

Под действием ионизирующего излучения в сцинтилляторе образуются свободные электроны, которые затем, поглощаясь веществом сцинтиллятора, вызывает ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. При переходе возбужденных атомов и молекул в основное состояние испускаются фотоны, кванты света с  ~ 400 нм. При этом наблюдаются слабые вспышки света. Свет через световод падает на фотокатод ФЭУ. Из фотокатода выбиваются фотоэлектроны. С помощью фокусирующего электрода фотоэлектроны попадают на первый динод, из которого они выбивают в результате вторичной эмиссии дополнительные электроны. На последующих динодах происходит дальнейшее увеличение потока электронов. С последнего динода электроны попадают на анод, связанный с устройством усиления и регистрации тока. Каждому электрону, поглощенному в сцинтилляторе соответствует импульс напряжения на нагрузочном сопротивлении в анодной цепи ФЭУ.

Рис.7. Схема устройства и принцип работы фотоэлектронного умножителя: 1-10 - электроды(диноды); А - анод; ФК - фотокатод; ФД - фокусирующая диафрагма.

Рассмотрим далее принцип действия простейшего γ-спектрометра, детектор которого содержит один сцинтилляционный кристалл. Такой спектрометр называется однокристальным сцинтилляционнымм γ-спектрометром. Его блок-схема изображена на рис. 8.

Рис.8. Блок-схема однокристального сцинтилляционного γ-спектрометра: С - сцинтиллятор; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель; ИП - источник питания; У - усилитель; АА - амплитудный анализатор; ПС - пересчетное устройство; КП - катодный повторитель.

Катодный повторитель передает импульсы с ФЭУ на усилитель импульсов. Усиленные импульсы анализируются по амплитуде амплитудным анализатором, и распределение импульсов по амплитудам регистрируется пересчетным устройством.

Вид γ-спектра исследуемой пробы зависит от того, какой процесс имеет место при взаимодействии γ-излучения с веществом сцинтиллятора (фотоэффект, Комптон-эффект или эффект образования электронно-позитронных пар). Для γ-квантов, испускаемых радионуклидами, наиболее вероятными процессами взаимодействия являются фотоэффект и комптон-эффект. Остановимся на них подробнее.

Если γ-квант поглощается сцинтиллятором в результате фотоэффекта, то практически вся его энергия передается возникающему электрону: Е_γЕ_е. Этот фотоэлектрон, как правило, полностью тормозится в веществе сцинтиллятора. Его энергия Е_е расходуется на возбуждение кристалла, в конечном итоге на образование фотонов, которые регистрируются ФЭУ. В свое очередь образовавшиеся фотоны создают в анодной цепи ФЭУ импульс напряжения, величина которого пропорциональна начальной энергии электрона Е_е, а значит и энергии γ-кванта Е_γ. Таким образом, в случае для определения Е_γ необходимо изморить амплитуду импульса напряжения в анодной цепи ФЭУ.

В идеальном детекторе амплитуды импульсов, соответствующих регистрации моноэнергетического γ-излучения, будут одинаковы (см. рис.3). В реальном детекторе все описанные выше процессы носят статистический характер, поэтому число электронов, попадающих на анод ФЭУ подвержено флуктуации. Как следствие, даже при регистрации моноэнергетического γ-излучения возникают импульсы напряжения с неодинаковой амплитудой (см. рис.4). Их совокупность образует некоторое амплитудное распределение (обычно гауссовской формы). Это распределение получило название пика полного поглощения (ППП).

При комптоновском рассеянии γ-излучения веществом сцинтиллятора в нем образуются электроны, энергия которых изменяется в широких пределах от нуля до максимального значения.

,

где - энергия покоя электрона.

Соответственно, и распределение выходных импульсов при регистрации моноэнергетического γ-излучения даже идеальным детектором будет непрерывным (рис. 9). Лишь край комптоновского распределения выходных импульсов, определяемый величиной E_e, _max, однозначно связан с энергией падающих γ-квантов. Поэтому для определения энергии γ-квантов наиболее удобно использовать ППП, который отделен от края комптоновского распределения энергетическим интервалом .

Рис.9. Амплитудное распределение выходных импульсов идеального детектора. Первый пик соответствует фотоэффекту, непрерывное распределение - комптоновскому рассеянию.

Для измерения амплитудного распределения выходных импульсов сцинтилляционного детектора в γ-спектрометре применяется анализатор импульсов (рис. 2). При этом шкала амплитуд разбивается на равномерные интервалы, называемые каналами. Ширина канала является характеристикой используемого анализатора. Измеряется количество импульсов в каждом канале. Типичный вид результатов измерений распределения импульсов по каналам представлен на рис. 10. Это распределение для реального спектрометра носит название аппаратурной линии.

Из рис. 10 видно, что аппаратурная линия состоит из двух компонентов: явно выраженного максимума и непрерывного распределения слева от него, Максимум представляет собой ППП. Он обусловлен полным поглощением энергии γ-излучения веществом сцинтиллятора за счет фотоэффекта и многократного комптоновского рассеяния с последующим фотопоглощением. Распределение импульсов, находящееся слева от ППП, обусловлено главным образом регистрацией комптоновских электронов, образующихся при взаимодействии γ-излучения с веществом сцинтиллятора.

Рис.10. Аппаратурная линия γ-спектрометра моноэнергетического γ-излучения. Справа - пик полного поглощения (ППП).

В общем случае аппаратурная линия имеет довольно сложную форму. При одновременной регистрации нескольких групп моноэнергетического γ-излучения (это соответствует исследованию пробы содержащей смесь радионуклидов) аппаратурная линия будет представлять собой суперпозицию аппаратурных линий каждой группы. Расшифровка такого спектра позволяет судить о радиоизотопном составе исследуемой пробы и об активности каждого радионуклида в ней.

Наиболее информативной частью спектра являются ППП. Энергия, соответствующая ППП, достаточно точно определяется по градуировочным графикам зависимости амплитуды импульсов от энергии γ-квантов. Примерный вид градуировочного графика для сцинтилляционного γ-спектрометра приведен на рис. 11. Градуировку спектрометра производят с помощью изотопов, энергия γ-квантов которых хорошо известна (¹³⁷Cs, ⁶⁰Co и др.).

Рис.11. Градуировочный график γ-спектрометра. (Распад ⁶⁰Co сопровождается γ-излучением с двумя значениями энергии).

Содержание γ-излучающих изотопов в пробе устанавливается идентифицированием ППП, т.е. определением радионуклидов, за счет каких формируется каждый пик. Для этого используются сведения о спектре γ-излучения радионуклидов. Активность радионуклидов в анализируемой пробе определяется по площади ППП или по числу импульсов в нем.