Гамма-спектрометр

Г а ММА-спектр про метр, прилад для вимірювання спектра гамма-випромінювання . У більшості Г.-с. енергія і інтенсивність потоку - g-квантів визначаються не безпосередньо, а виміром енергії і інтенсивності потоку вторинних заряджених частинок, що виникають в результаті взаємодії g-випромінювання з речовиною. Виняток становить кристал-дифракційний Г.-с., безпосередньо вимірює довжину хвилі - g-випромінювання (див. Нижче).

Основними характеристиками Г.-с. є ефективність і роздільна здатність. Ефективність визначається вірогідністю утворення вторинної частки і вірогідністю її реєстрації. Роздільна здатність Г.-с. характеризує можливість розділення двох гамма-ліній, близьких по енергії. Мірою роздільної здатності зазвичай служить відносна ширина лінії, що отримується при вимірі монохроматичного g-випромінювання; кількісно вона визначається відношенням DE / E, де E - енергія вторинної частки, DE - ширина лінії на половині її висоти (в енергетичних одиницях) (див. Ширина спектральних ліній ).

У магнітних Г.-с. вторинні частки виникають при поглинанні g-квантів в т. н. радіаторі; їх енергія вимірюється так само, як і в магнітному бета-спектрометрі (Рис. 1).

Величина магнітного поля Н в спектрометрі і радіус r кривизни траєкторії електронів визначають енергію e електронів, що реєструються детектором. Якщо радіатор виготовлений з речовини з малим атомним номером, то вторинні електрони утворюються в основному в результаті Комптон-ефекту , Якщо радіатор виготовлений з важкого речовини (свинець, уран), а енергія g-квантів невелика, то вторинні електрони будуть виникати головним чином внаслідок фотоефекту . При енергіях hv ³ 1,02 МеВ стає можливим утворення гамма-квантами електронно-позитронного пар. На рис. 2 зображений магнітний парний Г.-с. Освіта пар відбувається в тонкому радіаторі, розташованому у вакуумній камері. Вимірювання сумарної енергії електрона і позитрона дозволяє визначити енергію - g -кванта. Магнітні Г.-с. володіють високою роздільною здатністю (зазвичай близько 1% або часткою%), проте ефективність таких Г.-с. невелика, що призводить до необхідності застосовувати джерела g-випромінювання високої активності.

В сцинтиляційних Г.-с. вторинні електрони виникають при взаємодії g-квантів з сцинтилятором (Речовиною, в якому вторинні електрони збуджують флюоресценцію). Світлова спалах перетвориться в електричний імпульс за допомогою фотоелектронного помножувача (ФЕУ, рис. 3), причому величина сигналу, створюваного ФЕУ, пропорційна енергії електрона і, отже, пов'язана з енергією g -кванта. Для вимірювання розподілі сигналів по амплітуді використовуються спеціальні електронні пристрої - амплітудні аналізатори (див. ядерна електроніка ).

Ефективність сцинтиляційного Г.-с. залежить від розмірів сцинтилятора і при не дуже великий енергії може бути близька до 100%. Однак його роздільна здатність невисока. Для g-квантів з енергією 662 кев DE / E ³ 6% і зменшується зі збільшенням енергії E приблизно як E-1/2 (докладніше див. сцинтиляційне спектрометр ).

Дія напівпровідникових Г.-с. засноване на освіту g -випромінюванням в обсязі напівпровідникового кристала (зазвичай Ge з домішкою Li) електронно-доручених пар. Виникає при цьому заряд збирається на електродах і реєструється у вигляді електричного сигналу, величина якого визначається енергією g-квантів (рис. 4). Напівпровідникові Г.-с. мають досить високою роздільною здатністю, що зумовлено малою енергією, що витрачається на освіту однієї електронно-діркової пари. Для hv = 662 кев DE / E ~ 0,5%. Ефективність напівпровідникових Г.-с. зазвичай нижче, ніж сцинтиляційних Г.-с., т. к. g-випромінювання в Ge поглинається слабкіше, ніж, наприклад, в сцинтиляційному кристалі NaJ. Крім того, розміри використовуваних напівпровідникових детекторів поки ще невеликі. До недоліків напівпровідникових Г.-с. слід віднести також необхідність їх охолодження до температур, близьких до температури рідкого азоту (докладніше див. напівпровідниковий спектрометр ).

Найвищу точність виміру енергії g-квантів забезпечують дифракційні для кристала Г.-с., в яких безпосередньо вимірюється довжина хвилі g-випромінювання. Такий Г.-с. аналогічний приладів для спостереження дифракції рентгенівських променів. Випромінювання, проходячи через кристал кварцу або кальциту, відбивається площинами кристала в залежності від його довжини хвилі під тим або іншим кутом і реєструється фотоемульсією або лічильником фотонів. Недолік таких Г.-с. - низька ефективність.

Для вимірювання спектрів g-випромінювання низьких енергії (до 100 кев) нерідко застосовуються пропорційні лічильники , Роздільна здатність яких в області низьких енергій значно вище, ніж у сцинтилляционного Г.-с. При hv> 100 кев пропорційні лічильники не використовуються через занадто малу ефективність. Вимірювання спектра g-випромінювання дуже високих енергій здійснюється за допомогою зливових детекторів, які вимірюють сумарну енергію частинок електронно-позитронного зливи, викликаного g -kвантом високої енергії. Освіта зливи зазвичай відбувається в радіаторі дуже великих розмірів (які забезпечують повне поглинання всіх вторинних частинок). Спалахи флюоресценції (або черенковского випромінювання) реєструються за допомогою ФЕУ (див. Черенковський лічильник ).

У деяких випадках для вимірювання енергії g-квантів використовується процес фоторозщеплення дейтрона. Якщо енергія g -кванта перевершує енергію зв'язку дейтрона (~ 2,23 МеВ), то може статися розщеплення дейтрона на протон і нейтрон. Вимірюючи кинетич. енергії цих частинок, можна визначити енергію падаючих g-квантів.

Літ .: Альфа-, бета- і гамма-спектроскопія, пер. з англ., під ред. К. Зігбана, в. 1, М., 1969; Методи вимірювання основних величин ядерної фізики, пер. з англ., М., 1964; Калашникова В. І., Козодаев М. С., Детектори елементарних часток, М., 1966 (Експериментальні методи ядерної фізики, ч. 1).

В. П. Парфьонова, Н. Н. Делягін.

Мал. 4. Схема напівпровідникового гамма-спектрометра.

Мал. 1. Схематичне зображення магнітного гамма-спектрометра. У магнітному полі Н, направленому перпендикулярно площині малюнка, вторинні електрони рухаються по колах, радіуси яких визначаються енергією електронів і полем Н. При зміні поля детектор реєструє електрони різних енергій. Штрихуванням показана захист зі свинцю.

Мал. 3. Схема сцинтиляційного гамма-спектрометра.

Мал. 2. Схематичне зображення парного гамма-спектрометра. В однорідному магнітному полі Н, направленому перпендикулярно площині креслення, електрони і позитрони рухаються по колах в протилежних напрямках.