8.2 Спектрометрические измерения

Спектром называется распределение какой-либо характеристики поля ионизирующих излучений по параметру, характеризующему это поле. Наиболее часто таким параметром является энергия. Спектрометрия ионизирующих излучений является разделом экспериментальной ядерной физики, занимающимся измерением и анализом энергетических спектров ионизирующих излучений.

Радиометрические методы измерения активности применимы в том случае, если активность радиоактивного источника определяется только одним радионуклидом или нуклидами, генетически связанными между собой цепочками радиоактивного распада. Однако во многих случаях радиоактивные образцы содержат смесь радионуклидов различных видов. При этом требуется определить активность каждого нуклида или его относительное содержание. Все эти задачи, несмотря на их специфику и разнообразие, сводятся фактически к идентификации радионуклидов в объекте и определению их активности. Идентификация производится, как правило, путем определения энергии излучения из информативной части спектра, измеренного на спектрометре соответствующего типа.

Определение активности того или иного радионуклида, находящегося в образце, производится по известной чувствительности спектрометра к излучению соответствующей энергии.

Методика измерения, тип и параметры спектрометра выбираются из условий поставленной задачи, включающих выбор энергетического диапазона и измеряемого излучения, требования к точности измерения и пределу чувствительности определения отдельных радионуклидов, учета специфических особенностей измеряемой пробы и условий измерений.

Спектрометр состоит из детектора излучения и многоканального анализатора импульсов.

В качестве детекторов в спектрометрах применяются различные типы сцинтилляционных, пропорциональных газонаполненных (пропорциональные счетчики, ксеноновые гамма-камеры) и полупроводниковых детекторов (ППД).

Импульсы, возникающие при регистрации излучения на входе блока детектирования и статистически распределенные по амплитуде А, поступают на анализатор, который определяет приборный (аппаратурный) спектр излучения в цифровой или аналоговой форме. Необходимым условием определения спектра является линейность как блока детектирования, так и анализатора, т. е. линейность зависимости между энергией излучения, поглощенной в чувствительном объеме детектора, и значением А, а также между А и номером канала анализатора. Последняя зависимость, называемая энергетической шкалой анализатора, определяется градуировкой по источникам излучения с известной энергией. Истинное энергетическое распределение восстанавливается по приборному (аппаратурному) спектру анализатора.

На рис. 8.2 показано амплитудное распределение импульсов при регистрации моноэнергетического излучения с энергией Е₀ - пик полного поглощения (ППП)

N

N_max

0,5N_max ∆E

0 Е₀ Е

Аппаратурная линия состоит из двух основных компонентов: амплитудного распределения с явно выраженным максимумом и непрерывного распределения со стороны меньших энергий расположенного слева от максимума. Первый компонент соответствует полной потере энергии заряженной частицы в чувствительной области детектора. Поэтому он носит название пика полного поглощения (ППП). Второй компонент является следствием процессов, приводящих к частичной потере энергии заряженными частицами чувствительной области детектора, а также неполным сбором носителей заря детекторе. В литературе этот компонент спектра часто называют "хвостом".

При регистрации моноэнергетических заряженных частиц или косвенно ионизирующих видов излучений (гамма-кванты, нейтроны) с энергией Е₀, спектрометр регистрирует распределение числа N импульсов по энергии Е. Ширина ∆Е полученного распределения амплитуд А импульсов, измеренная на его полувысоте и выраженная в энергетических единицах, позволяет определить основную характеристику спектрометрического детектора - его энергетическое разрешение d.

Энергетическим разрешением d называют отношение ширины ∆Е распределения к энергии Е_о заряженных частиц, поглощенной в чувствительном объеме детектора:

d = ∆Е /E₀.

Физический смысл этого параметра заключается в том, что он определяет, какая минимальная разница в энергиях ΔЕ должна быть у двух моноэнергетических групп заряженных частиц или фотонов одинаковой интенсивности, чтобы спектрометр смог их различить.

Заряженные частицы представляют регистрируемое непосредственно ионизирующее излучение или образуются при взаимодействии моноэнергетических гамма-квантов или нейтронов с веществом детектора.

Причиной возникающего распределения импульсов по амплитудам при регистрации моноэнергетического излучения являются отклонения от среднего значения (флуктуации) числа носителей зарядов в импульсной ионизационной камере, пропорциональном счетчике и полупроводниковом детекторе, а также числа фотонов в сцинтилляторе. Флуктуации указанных величин возникают вследствие статистического характера взаимодействия излучения с веществом и равны корню квадратному из числа носителей зарядов в ионизационных детекторах или фотонов в сцинтилляторах.

Энергетическое разрешение детекторов улучшается с увеличением поглощенной энергии Е. Дополнительными источниками амплитудного разброса для сцинтилляционного детектора являются флуктуации числа фотоэлектронов, вылетающих с фотокатода ФЭУ, а также неполное поглощение гамма-излучения при спектрометрии последнего. Суммарное энергетическое разрешение сцинтилляционного блока детектирования БДЭГ 2-24 с кристаллом NaI(Tl) не превышает 10,5% при E_г = 0,66 МэВ.

Причинами ухудшения разрешения полупроводникового детектора являются шумы усилителя и влияние примесных центров захвата носителей заряда. Однако и с учетом этих факторов разрешение полупроводникового детектора значительно выше, чем сцинтилляционного блока детектирования (например, для литий-дрейфового германиевого детектора ДГД-11 d = 0,5% при E_г = 0,66 МэВ).

Величина d является количественной характеристикой разделения на полученном энергетическом спектре двух близко лежащих максимумов, для чего ширина канала анализатора должна быть меньше значения d в 5-10 раз.

Следовательно, при улучшении разрешения детектора возрастает число каналов анализатора, необходимое для обработки амплитудного распределения импульсов без потери спектрометрической информации.

Второй основной характеристикой спектрометра является эффективность регистрации анализируемого излучения, определяемая отношением числа зарегистрированных частиц или гамма-квантов к числу попавших в детектор.

Эффективность регистрации сцинтилляционного гамма-спектрометра при толщине кристалла NaI(Tl) более 10 см близка к 100% в широком диапазоне значений Е_г. Такие спектрометры полного поглощения используются при исследовании источников гамма-излучения малой активности (например, при контроле внутреннего облучения на установке СИЧ).

Эффективность регистрации гамма-излучения полупроводниковыми детекторами значительно ниже, поскольку толщина их чувствительной области не более 1 см.