Определение энергии гамма кванта

Заряженные частицы расходует кинетическую энергию, в основном, на выбивание электронов из атомных оболочек и возбуждение атомов. В газах и жидкостях образуются электроны и ионы. В твердых телах появляются па́ры носителей заряда - свободные электроны и в узлах кристаллической решетки атомы без электрона – вакансии (“дырки”). Число образовавшихся пар носителей заряда пропорционально энергии первичных заряженных частиц, возникших вследствие поглощения гамма кванта. Измерив суммарный заряд носителей одного знака (пропорциональный числу образовавшихся пар носителей), можно сделать заключение об энергии первичной заряженной частицы и, соответственно, об энергии гамма кванта, если она полностью поглощена в детекторе.

Структура и функции спектрометра гамма излучения

Структурная схема спектрометра гамма излучения изображена на рис. 2.1.

СД

ПУ

ЛУФ

АЦП

ЭВМ

ИП

ИДД

СЧ

ГИТ

Рис. 2.1. Структурная схема спектрометра гамма излучения.

СД – спектрометрический детектор; ПУ - предварительный усилитель; ГИТ – генератор импульсов точной амплитуды и известной частоты; ЛУФ – линейный усилитель-формирователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИДД - интегрально-дифференциальный дискриминатор; СЧ - счетчик импульсов; ИП - источник питания детектора.

Сигналы, образованные собранными на электродах детектора зарядами, поступают на вход предварительного усилителя (ПУ). На выходе ПУ формируются импульсы, амплитуды которых пропорциональны заряду. Далее импульсы усиливают и формируют в линейном усилителе формирователе (ЛУФ) и подают на вход устройства, преобразующего амплитуду сигнала в цифровой код (АЦП).

ПУ предназначен для оптимального согласования выхода детектора со входом усилителя. ПУ конструируется таким образом, чтобы вносить минимальные искажения в сигнал, образованный в детекторе. Наибольшее распространение получили зарядочувствительные предварительные усилители (ЗЧПУ) (см. стр. 37).

В ЛУФ импульсы усиливаются до амплитуды в несколько вольт, что необходимо для нормальной работы АЦП, а также частично подавляются шумы, возникшие в детекторе и в ЗЧПУ (см. (2.3.3)).

АЦП преобразует амплитуды импульсов в цифровой код, удобный для их дальнейшей обработки в компьютере. Используемые в настоящее время АЦП можно разделить на 3 группы:

• Преобразователи амплитуды во время (А→t), использующие время в качестве кода. В этих преобразователях ёмкость, заряженная в начальный момент до амплитудного напряжения импульса, разряжается неизменным током. Измеренное время разряда и есть цифровой код амплитуды. Преобразователи A→t отличаются высоким мертвым временем продлевающегося типа (пропорционального амплитуде кодируемого импульса (см. стр. 21)).

• Параллельные преобразователи амплитуды в код. Упрощенно такое устройство можно представить как большое число одноканальных дифференциальных дискриминаторов с общим входом и одинаковой шириной “окна”. Уровень дискриминации каждого последующего дискриминатора больше предыдущего на ширину “окна”. Кодом амплитуды импульса будет номер дискриминатора, в “окно” которого попал импульс. Отличаются от преобразователя A→t существенно меньшим мёртвым временем не продлевающегося типа.

• Быстродействующие АЦП, способные с большой частотой преобразовывать аналоговые сигналы в коды и записывать коды в память ЭВМ (производить оцифровку импульсов). Возможна любая кодировка сигналов, например, по максимальной амплитуде или по площади импульса.

Обработка записанных в память ЭВМ кодов заключается в разбиении всего диапазона кодов (амплитуд) на некоторое (произвольное) число одинаковых интервалов (“каналов”) и определении числа импульсов, попадающих в каждый “канал” в течение времени измерений. Полученное распределение является гистограммой дифференциального амплитудного распределения импульсов, которое называют аппаратурным амплитудным спектром.

Гамма-квант может многократно взаимодействовать с детектором (многократное рассеяние, рассеяние и последующее поглощение и т.д.). Так как время образования быстрых электронов мало по сравнению с временем высвечивания сцинтиллятора или временем собирания зарядов в полупроводниковом детекторе, на выходе ЗЧПУ образуется единый импульс тока.

На рис.2.2 изображен фрагмент аппаратурного амплитудного спектра. На рисунке виден пик, образованный сигналами, возникающими при полном поглощении энергии гамма квантов в детекторе (пик полного поглощения) на пьедестале, обусловленном фоном и Комптон эффектом от гамма линий с бо́льшей энергией. Для определения числа импульсов в пике полного поглощения создают его математическую модель. Форма пика полного поглощения в сцинтилляционном детекторе близка к распределению Гаусса.

В простейшем случае математическая модель аппаратурного пика полного поглощения может быть представлена в виде суперпозиции линейной зависимости (для описания фона) и распределений Гаусса (для описания пиков полного поглощения). В соответствии с этой моделью число импульсов, зарегистрированных в К-том канале, выражается соотношением

, (2.5)

где: К_iЦ - номер канала максимума (центра) i-той линии, аппроксимированной распределением Гаусса;

С_i - амплитуда (величина максимума) i-той линии;

Δ_i ² - дисперсия i-той линии;

F и G – параметры линейной зависимости, описывающей фон.

Функция Y(K) – зависимость с пятью параметрами при обработке одной линии и с восемью параметрами при обработке двух наложенных друг на друга линий. Эта модель применена для представления амплитудного спектра в управляющей программе ACP (см стр. 59).

Рассчитанные в программе ACP параметры (2.5) использованы для определения числа импульсов, зарегистрированных в пике полного поглощения. Эта число равно площади пика S_i.

. (2.6)

Параметр Δ_i связан с ПШПВ_Ki – Полной Шириной на Половине Высоты пика полного поглощения, выраженной в “каналах “(см. рис. 2.2.)

ПШПВ_Ki = . (2.7)

ПШПВ_Ki используют для оценки энергетического разрешения спектрометра (см ( 2.9) и (2.10)).

H

4 1

H/2

2

3

H/2

А В

К_Ц ПШПВ_К К

Рис. 2.2. Образец аппаратурного спектра амплитуд, полученного с помощью спектрометра.

1- аппаратурный спектр пика полного поглощения; 2 - выделенный пик полного поглощения; 3 – линейный фон на интервале АВ; 4 – Комптоновский континуум; К – номер канала, К_Ц – номер канала центра выделенного пика полного поглощения (фотопика); ПШПВ_К – полная ширина выделенного пика полного поглощения (фотопика) на половине высоты (Н/2) в каналах.