Гамма-спектрометр

Га́мма-спектро́метр (${\displaystyle \gamma }$-спектрометр), прибор для определения энергии ${\displaystyle \gamma }$-квантов и подсчёта их числа. Результатом его работы является график зависимости числа ${\displaystyle \gamma }$-квантов от их энергии, т. е. ${\displaystyle \gamma }$-спектр. Регистрация ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-кванта с веществом: фотоэффекта, эффекта Комптона (комптоновского рассеяния) и рождения электрон-позитронной пары. В большинстве случаев для нахождения энергии ${\displaystyle \gamma }$-кванта используют фотоэффект и образование электрон-позитронной пары. Последний процесс возможен лишь при энергиях ${\displaystyle \gamma }$-квантов, превышающих суммарную массу электрона и позитрона в энергетических единицах, т. е. 1022 кэВ. В гамма-спектрометре измеряются энергии электронов и позитронов, которым ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-излучения. Количественно она выражается либо величиной ${\displaystyle \Delta E}$, либо отношением ${\displaystyle \Delta E/E}$ (обычно выражается в процентах), где ${\displaystyle E}$ – энергия регистрируемых ${\displaystyle \gamma }$-квантов, ${\displaystyle \Delta E}$ – ширина спектральной линии (в энергетических единицах) на половине её высоты (рис. 1). Эффективность гамма-спектрометра – это доля зарегистрированных ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle NaI}$, активированный ${\displaystyle Tl}$. В 21 веке всё большее применение находят кристаллы германата висмута – ${\displaystyle Bi_{4}Ge_{3}O_{12}}$ (краткое название ${\displaystyle BGO}$) и бромида лантана, активированного трёхвалентным ${\displaystyle Ce}$ – ${\displaystyle LaBr_{3}}$(${\displaystyle Ce}$). Сравнительные характеристики этих трёх типов сцинтилляторов приведены в таблице для ${\displaystyle \gamma }$-линии 662 кэВ от источника ${\displaystyle ^{137}Cs}$, по которой тестируются и калибруются гамма-спектрометры.

Характеристика спектрометра	Сцинтилляционные			Из сверхчистого германия
	${\displaystyle NaJ(Tl)}$	${\displaystyle BGO}$	${\displaystyle LaBr_{3}(Ce)}$
Плотность, г/см3	3,67	7,13	5,29	5,33
Разрешение по энергии ${\displaystyle \Delta E/E}$ при ${\displaystyle E=}$ 662 кэВ	7 %	9 %	3 %	0,15 %
Временно́е разрешение, с	${\displaystyle 2,5\cdot 10^{-7}}$	${\displaystyle 3\cdot 10^{-7}}$	${\displaystyle 2\cdot 10^{-8}}$	${\displaystyle 10^{-7}{\text{--}}10^{-8}}$

Эффективность сцинтилляционных спектрометров зависит от их объёма и для ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-квантами сцинтиллятору, каналы анализатора калибруются по энергии с помощью стандартных радиоактивных источников с хорошо известными ${\displaystyle \gamma }$-линиями (спектральными линиями, лежащими в области ${\displaystyle \gamma }$-излучения). В числе таких источников, помимо ${\displaystyle ^{137}Cs}$ с ${\displaystyle \gamma }$-линией 662 кэВ, используется ${\displaystyle ^{60}C{\text{о}}}$, испускающий ${\displaystyle \gamma }$-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 (${\displaystyle 10^{-8}{\text{--}}10^{-9}}$ 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 ${\displaystyle \gamma }$-спектрометров широкое применение нашли полупроводниковые спектрометры на основе монокристаллов германия; это либо германий с примесью лития – ${\displaystyle Ge(Li)}$ (применялся ранее), либо сверхчистый германий – ${\displaystyle HPGe}$. Они используются в тех измерениях, где важно высокое энергетическое разрешение. В монокристалле германия создаётся область, обеднённая носителями заряда. Электроны (позитроны), генерируемые ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-кванта определённой энергии в германиевом спектрометре, значительно ниже, чем в сцинтилляционном спектрометре. Соответственно, энергетическое разрешение германиевого спектрометра намного выше (см. таблицу). Современные кристаллы ${\displaystyle HPGe}$ имеют объёмы в сотни см³ . Они работают при температуре жидкого азота (–196 ℃). На рис. 3

приведён пример ${\displaystyle \gamma }$-спектра, полученного с помощью германиевого спектрометра. Линии в спектре отвечают ${\displaystyle \gamma }$-квантам, испущенным радиоактивными ядрами изотопов европия, а также цезия и кобальта.

В области энергий ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-квантов высоких энергий используются гамма-спектрометры, основанные на регистрации излучения Вавилова – Черенкова от электронно-фотонных ливней, создаваемых ${\displaystyle \gamma }$-квантами в конверторах из тяжёлого прозрачного вещества, например свинцового стекла. Определить энергию высокоэнергичного ${\displaystyle \gamma }$-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 ${\displaystyle \gamma }$-спектрометров. Созданы и функционируют установки, содержащие сотни отдельных полупроводниковых спектрометров, перекрывающих практически все направления вылета ${\displaystyle \gamma }$-квантов из точки их рождения.