Гамма-спектрометр
Га́мма-спектро́метр (-спектрометр), прибор для определения энергии -квантов и подсчёта их числа. Результатом его работы является график зависимости числа -квантов от их энергии, т. е. -спектр. Регистрация -кванта в гамма-спектрометре в большинстве случаев основана на наблюдении вторичных заряженных частиц. Как правило, это электроны или электрон-позитронные па́ры, возникающие в результате трёх главных процессов взаимодействия -кванта с веществом: фотоэффекта, эффекта Комптона (комптоновского рассеяния) и рождения электрон-позитронной пары. В большинстве случаев для нахождения энергии -кванта используют фотоэффект и образование электрон-позитронной пары. Последний процесс возможен лишь при энергиях -квантов, превышающих суммарную массу электрона и позитрона в энергетических единицах, т. е. 1022 кэВ. В гамма-спектрометре измеряются энергии электронов и позитронов, которым -квант передаёт свою энергию в детектирующем материале гамма-спектрометра.
Основные характеристики гамма-спектрометра – разрешающая способность и эффективность. Разрешающая способность гамма-спектрометра характеризует возможность разделения двух близких по энергии спектральных линий -излучения. Количественно она выражается либо величиной , либо отношением (обычно выражается в процентах), где – энергия регистрируемых -квантов, – ширина спектральной линии (в энергетических единицах) на половине её высоты (рис. 1). Эффективность гамма-спектрометра – это доля зарегистрированных -квантов от общего их числа, попавших в гамма-спектрометр.
Ещё одной важной характеристикой гамма-спектрометра является временно́е разрешение – минимальное время между последовательными попаданиями в спектрометр двух -квантов, при котором спектрометр ещё способен сформировать два различимых по времени сигнала. Временно́е разрешение определяется скоростью преобразования энергии, переданной спектрометру электроном (позитроном), в конечный сигнал.
Наиболее распространённые типы гамма-спектрометров – сцинтилляционный и полупроводниковый. Сцинтилляционный гамма-спектрометр состоит из прозрачной среды (сцинтиллятора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В сцинтилляторе под действием электронов или позитронов, создаваемых -квантами, возникает кратковременная вспышка света – сцинтилляция, конвертируемая ФЭУ в электрический импульс. Амплитуда импульса пропорциональна энергии электрона (позитрона), переданной сцинтиллятору и преобразованной в световую вспышку. Распространённым сцинтиллятором является кристалл , активированный . В 21 веке всё большее применение находят кристаллы германата висмута – (краткое название ) и бромида лантана, активированного трёхвалентным – (). Сравнительные характеристики этих трёх типов сцинтилляторов приведены в таблице для -линии 662 кэВ от источника , по которой тестируются и калибруются гамма-спектрометры.
Характеристика спектрометра | Сцинтилляционные | Из сверхчистого германия | ||
Плотность, г/см3 | 3,67 | 7,13 | 5,29 | 5,33 |
Разрешение по энергии при 662 кэВ | 7 % | 9 % | 3 % | 0,15 % |
Временно́е разрешение, с |
Эффективность сцинтилляционных спектрометров зависит от их объёма и для -квантов не слишком высокой энергии может быть близка к 100 %. Обычно сцинтилляторы имеют форму цилиндра. Принято стандартными сцинтилляторами считать кристаллы, имеющие диаметр и высоту в 3 дюйма (7,62 см). Схема сцинтилляционного спектрометра показана на рис. 2.
Величина (амплитуда) электрического сигнала, создаваемого ФЭУ, пропорциональна энергии, переданной электроном (или позитроном) сцинтиллятору, и, следовательно, зависит от энергии -кванта. Сигналы, усиленные ФЭУ, сортируются по амплитудам с помощью специального электронного устройства – многоканального амплитудного анализатора, номер канала которого однозначно связан с амплитудой сигнала.
Для получения зависимости числа зарегистрированных событий от энергии, переданной -квантами сцинтиллятору, каналы анализатора калибруются по энергии с помощью стандартных радиоактивных источников с хорошо известными -линиями (спектральными линиями, лежащими в области -излучения). В числе таких источников, помимо с -линией 662 кэВ, используется , испускающий -кванты с энергиями 1173 и 1332 кэВ.
Помимо выше приведённых неорганических кристаллов, свойством люминесценции, вызывающей сцинтилляции, обладают некоторые органические соединения. Они могут быть приготовлены в виде монокристаллов (стильбен, антрацен и др.) или жидких и твёрдых растворов ароматических соединений в растворителях. Для органических соединений характерно малое время затухания люминесценции ( с), поэтому они находят применение в измерениях, где требуется большая скорость счёта событий. В некоторых случаях в качестве сцинтилляторов могут быть использованы благородные газы и их смеси.
Помимо сцинтилляционных -спектрометров широкое применение нашли полупроводниковые спектрометры на основе монокристаллов германия; это либо германий с примесью лития – (применялся ранее), либо сверхчистый германий – . Они используются в тех измерениях, где важно высокое энергетическое разрешение. В монокристалле германия создаётся область, обеднённая носителями заряда. Электроны (позитроны), генерируемые -квантами, рождают в этой области электрон-дырочные пары, которые под действием приложенного электрического поля перемещаются к электродам, формируя импульс тока. Для образования одной пары носителей заряда в германии нужна энергия всего около 3 эВ, что по крайней мере на два порядка меньше энергии, необходимой для выбивания одного электрона с фотокатода ФЭУ. Поэтому статистический разброс по амплитуде выходного сигнала, полученного от -кванта определённой энергии в германиевом спектрометре, значительно ниже, чем в сцинтилляционном спектрометре. Соответственно, энергетическое разрешение германиевого спектрометра намного выше (см. таблицу). Современные кристаллы имеют объёмы в сотни см3. Они работают при температуре жидкого азота (–196 ℃). На рис. 3
приведён пример -спектра, полученного с помощью германиевого спектрометра. Линии в спектре отвечают -квантам, испущенным радиоактивными ядрами изотопов европия, а также цезия и кобальта.
В области энергий -квантов порядка 100 кэВ иногда применяются газовые пропорциональные счётчики, наполненные аргоном или криптоном. По разрешающей способности они уступают полупроводниковым спектрометрам, но существенно превосходят сцинтилляционные. При регистрации -квантов низкой энергии применяются также кристалл-дифракционные гамма-спектрометры. Эти приборы отличаются особенно высокой точностью измерения энергии и по принципу действия аналогичны рентгеновским спектрометрам.
Особую группу образуют магнитные гамма-спектрометры. Их работа основана на измерении энергии комптоновских электронов или электрон-позитронных пар, создаваемых -квантами в тонком слое вещества (конверторе). Они имеют высокое энергетическое разрешение, но низкую эффективность регистрации из-за необходимости использования тонких конверторов. На рис. 4 показана схема парного магнитного спектрометра. Метод совпадений позволяет отбирать события одновременного появления электрона и позитрона.
Для спектрометрии -квантов высоких энергий используются гамма-спектрометры, основанные на регистрации излучения Вавилова – Черенкова от электронно-фотонных ливней, создаваемых -квантами в конверторах из тяжёлого прозрачного вещества, например свинцового стекла. Определить энергию высокоэнергичного -кванта можно также в пузырьковой камере, наблюдая за треками, создаваемыми возникающей электрон-позитронной парой в магнитном поле.
Для сложных физических экспериментов создаются и используются детекторы, являющиеся комбинацией отдельных -спектрометров. Созданы и функционируют установки, содержащие сотни отдельных полупроводниковых спектрометров, перекрывающих практически все направления вылета -квантов из точки их рождения.