Аппаратурный спектр

Амплитуда сигнала детектора, как отмечалось выше, определяется поглощенной кристаллом кинетической энергией заряженных частиц, появляющихся в результате первичных процессов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. В этих процессах γ-кванты могут передать кристаллу либо всю энергию, либо только часть её, и, следовательно, даже при регистрации моноэнергетического излучения на выходе детектора формируются импульсы различной амплитуды.

При фотоэффекте вся энергия –кванта расходуется на удаление из атома, как правило, К-электрона. Возбужденный атом переходит в основное состояние, испуская кванты характеристического рентгеновского излучения E_X или оже-электроны. Процесс перестройки электронной оболочки завершаются примерно через 10^14с после поглощения первичного фотона. К этому моменту энергия исходного –кванта (сумма кинетической энергии фотоэлектрона и энергии возбуждения электронной системы атома) поглощается в локальной области кристалла, размер которой определяется или максимальным пробегом (R_max) выбитых электронов, или (при фотопоглощении низкоэнергетических γ-квантов) – проникающей способностью характеристического излучения. Например, значения R_max для высокоэнергетических электронов (500 кэВ < E_ф < 3000 кэВ) в кристаллах NaI и Ge составляют от ~ 0,8 до ~7 мм, а для электронов E_ф=100 кэВ  0,06 мм. Пробег оже-электронов во много раз меньше. В то же время для поглощения 99% потока рентгеновских квантов (E_X ≤ 28 кэВ) необходим слой вещества ~ 0,5 мм.

Таким образом, при фотопоглощении γ-кванта амплитуда импульса пропорциональна энергии Е_γ, и в аппаратурном спектре появляется максимум – пик полного поглощения энергии (ППЭ). Вылет рентгеновских квантов за пределы кристалла может привести к асимметрии пика ППЭ или к появлению дополнительного максимума. Например, для йода E_X≈28 кэВ и в аппаратурном спектре детектора с тонким кристаллом NaI(Tl) может наблюдаться «пик вылета», отвечающий энергии Е_ПВ ≈ E_γ28 кэВ.

При комптоновском взаимодействии доля энергии, которая остается у рассеянного кванта E_γ′, в каждом случае различна и относительно велика. Если рассеянные кванты вылетают за пределы кристалла, то при каждом взаимодействии детектору передается различная доля энергии первичного кванта (E_компт.=E_γE_γ′). Такие события формируют непрерывную часть спектра (комптоновский континуум), лежащую левее пика полного поглощения энергии. Граница этого распределения соответствует максимальной энергии комптон-электронов: E_γ∙[1+(511/2E_γ)]⁻¹ (кэВ).

В спектре радионуклидов, испускающих высокоэнергетические кванты, могут наблюдаться, в дополнение к пику ППЭ и комптоновскому континууму, максимумы, соответствующие вылету за пределы кристалла одного или двух аннигиляционных квантов (E_γ511 кэВ или E_γ1022 кэВ).

Необходимо отметить, что не только непосредственно фотоэффект, но и совокупность первичных процессов может привести к полному поглощению энергии кванта Е_γ в кристалле. Например, рассеянный комптоновский квант E_γ′ может поглотиться по механизму фотоэффекта. Так как перемещение комптон-электрона и фотопоглощение этого вторичного кванта в кристалле происходит практически одновременно, на выходе детектора формируется один результирующий импульс, который пропорционален энергии Е_γ и вносит вклад в пик полного поглощения энергии. Этот пик часто называют фотопиком, подчеркивая тем самым, что его появление определяется фотопоглощением как первичных, так и части вторичных квантов. Чем больше кристалл, тем выше вероятность поглощения вторичных квантов и, следовательно, больше относительная интенсивность фотопика в аппаратурном спектре.

Представленные выше механизмы взаимодействия γ-квантов с веществом являются общими для всех типов электромагнитного излучения сверхвысокой частоты, в том числе характеристического рентгеновского, аннигиляционного и тормозного. Поэтому регистрация и определение энергии, например, рентгеновских квантов основаны на тех же принципах, что и гамма-спектрометрия. В этой связи следует отметить, что радиоактивный распад может инициировать не только γ-излучение, но и характеристическое рентгеновское. Во многих случаях энергия возбуждения ядра передается непосредственно электрону, например, К-оболочки, который покидает атом (процесс внутренней конверсии). При последующей перестройке электронной системы испускаются рентгеновские кванты и электроны Оже. Подобный «внутренний фотоэффект» вызывает также распад ядра путем электронного захвата. В спектрах радионуклидов часто наблюдаются пики полного поглощения энергии «конверсионного» рентгеновского излучения (см. табл. 3.1).