Способы определения гамма излучения

Виды радиоактивных излучений

Навигация по статье:

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют — ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация. К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация — это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация — это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение — это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение — это излучение энергии.

Альфа излучение

• излучаются: два протона и два нейтрона
• проникающая способность: низкая
• облучение от источника: до 10 см
• скорость излучения: 20 000 км/с
• ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение — это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

• излучаются: нейтроны
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: километры
• скорость излучения: 40 000 км/с
• ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение — это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

• излучаются: электроны или позитроны
• проникающая способность: средняя
• облучение от источника: до 20 м
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения — это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность:высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

характеристика	Вид радиации
	Альфа излучение	Нейтронное излучение	Бета излучение	Гамма излучение	Рентгеновское излучение
излучаются	два протона и два нейтрона	нейтроны	электроны или позитроны	энергия в виде фотонов	энергия в виде фотонов
проникающая способность	низкая	высокая	средняя	высокая	высокая
облучение от источника	до 10 см	километры	до 20 м	сотни метров	сотни метров
скорость излучения	20 000 км/с	40 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега	30 000	от 3000 до 5000	от 40 до 150	от 3 до 5	от 3 до 5
биологическое действие радиации	высокое	высокое	среднее	низкое	низкое

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергий	Весовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение)	1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение)	1
Нейтроны с энергией 20 МэВ (нейтронное излучение)	5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи)	5
Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение)	20

Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео: Виды радиации

Источник

7 Методы регистрации гамма-излучения

7. Методы регистрации гамма-излучения. Исследование энергетического состава -излучения позволяет определить целый ряд важных для теории характеристик ядер, таких, как положение энергетических уровней возбужденных состояний ядер, энергия связи нуклонов, средняя плотность возбужденных состояний и т.д. Энергетический состав -излучения необходимо знать и во многих задачах ядерной техники, например, для определения тепловыделения в экранах реакторов, для расчета дозы проникающего излучения. Анализ спектрального состава -излучения оказывает существенную помощь и в геологической разведке, и в радиационной медицине. В последнее время гамма-спектрометрия получает применение и в астрономии.

Оценка энергетического состава -квантов по функциям пропускания. В условиях «хорошей» геометрии ослабление моноэнергетического пучка -квантов каким-либо материалом можно записать в следующем виде:

,

где n₀ – количество регистрируемых квантов при t = 0; п(t) – количество регистрируемых квантов после их прохождения через материал толщиной t. Отношение п(t)/n₀ = Т(t) называют функцией пропускания.

В логарифмическом масштабе функция пропускания – прямая линия, тангенс угла наклона которой равен коэффициенту ослабления -квантов , зависящему от энергии -квантов. Эта зависимость для различных материалов известна с точностью около 1…2%. Таким образом, измерив функцию пропускания, можно определить и по известной зависимости (E) определить энергию -квантов.

Измерение по продуктам фотоядерных реакций. Энергию -квантов можно определить по энергии заряженных частиц, образующихся при фотоядерных реакциях. Наиболее удобной для практического использования является реакция фоторасщепления дейтона.

Сцинтилляционный метод. Гамма-спектрометры имеют большую эффективность и находят применение в тех случаях, когда нет высоких требований к энергетическому разрешению. В области энергий γ-квантов 100 кэв…10 Мэв энергетическое разрешение этих приборов лежит в пределах 12…4%. В однокристальных сцинтилляционных спектрометрах функция отклика G(Е, V) имеет довольно слож­ный вид, и поэтому не всегда надежно удается определить спектр γ-квантов по измеренным амплитудным распределениям. Главным образом по этой причине разработано много различных многокристальных спектрометров, в которых получают функцию отклика G(E,V), близкую к идеальной. Правда, эффективность многокристальных спектрометров обычно меньше эффективности однокристальных.

Многокристальные сцинтилляционные гамма-спектрометры используют в основном потому, что в них удается получить функцию отклика, по своей форме близкой к распределению Гаусса. Правда, эффективность многокристальных спектрометров оказывается много меньше, чем эффективность однокристальных. Однако успех многих исследований определяется не столько эффективностью спектрометра, сколько качеством функции отклика.

Комптоновские сцинтилляционные гамма-спектрометры. Блок-схема сцинтилляционного комптоновского спектрометра показана на рис. 1.

Рекомендуемые файлы

Блок-схема комптоновского спектрометра

(а) — комптоновский спектрометр; (б) — спектрометр со сложением импульсов; (в) — функция отклика комптоновского спектрометра (пунктир) и спек­трометра со сложением импульсов (сплошная линия) (в). СС — схема совпадений; Σ —схема сложения амплитуд импульсов; ЛВ — линейные ворота; А — анализатор.

Коллимированный пучок γ-квантов направляется на кристалл (его называют центральным), в котором может проис­ходить комптоновское рассеяние γ-квантов. Импульсы с централь­ного сцинтилляционного счетчика поступают на анализатор амплитуд импульсов только в том случае, если рассеянный в цен­тральном кристалле γ-квант регистрируется во втором (боковом) кристалле. Такой отбор событий осуществляется с помощью схемы совпадений и линейных ворот, которые пропускают импульс на анализатор, если схема совпадения вырабатывает импульс. Таким образом, на анализ попадают импульсы, образующиеся при рассеянии γ-квантов в центральном кристалле под определенным углом. Амплитуда выбранных таким способом импульсов про­порциональна энергии электронов отдачи

.

Схема расположения кристаллов и их размеры определяют основ­ные параметры спектрометра — эффективность и энергетическое разрешение. Эффективность спектрометра пропорциональна вероятности рассеяния -кванта в центральном кристалле в направлении бокового кристалла. Центральный кристалл выгодно выбирать с малым радиусом и большой высотой, а боковой кристалл — в виде коль­ца. Чем ближе расположены кристаллы, тем больше эффективность. Энергетическое разрешение комптоновского спектрометра зависит не только от свойств центрального сцинтилляционного счетчика, но и от величины угла . Действительно, чем меньше выбран угол , тем меньшую энергию будут иметь элек­троны в центральном кристалле при рассеянии -квантов в напра­влении бокового и тем хуже будет энергетическое разрешение. Рост телесного угла увеличивает интервал углов вблизи , под которыми рассеянные фотоны могут попадать в боковой кристалл, и, следовательно, также ухудшает энерге­тическое разрешение. Таким образом, увеличение эффективности спектрометра может ухудшать энергетическое разрешение.

наилучшие харак­теристики спектрометра будут при выборе углов , близких к 180°, что позволит при заданном энергетическом разрешении иметь максимальный телесный угол. Величину телесного угла имеет смысл выбирать такой, чтобы неопределенность в направлении рассеянного γ-кванта ± не влияла на величину ΔЕ_е/Е_е, определяемую свой­ствами сцинтилляционного счетчика.

Комптоновский гамма-спектрометр с одним боковым кристал­лом имеет эффективность около десятой доли процента. Эффективность его можно увеличить, если использовать несколько боковых кристал­лов. Функция отклика комптоновского спектрометра показана на рис. 1в пунктиром.

Существенно большей эффективностью и лучшим энергети­ческим разрешением обладают комптоновские спектрометры со сло­жением импульсов. Блок-схема такого спектрометра и располо­жение кристаллов показаны на рис. 1, б. В этом случае на анали­затор импульсов направляется сумма импульсов с центрального и одного из боковых кристаллов при условии их совпадения во времени. Амплитуда импульса в центральном сцинтилляционном счетчике пропорциональна (Е — Е’), где Е и Е’ — энергия падающего на кристалл и рассеянного в нем γ-кванта. Если рас­сеянный γ-квант поглотится в боковом кристалле, то импульс с бокового сцинтилляционного счетчика пропорционален Е’. Тогда амплитуда суммарного импульса пропорциональна энергии γ-кванта Е, если коэффициенты пропорциональности, которые связывают амплитуду импульса и энергию, поглощенную в кри­сталле во всех сцинтилляционных счетчиках, одинаковы. Так, что независимо от угла рассеяния γ-кванта в центральном кри­сталле, на анализ будут поступать импульсы с амплитудой, про­порциональной Е. Это позволяет располагать боковые кристаллы близко к центральному и достичь больших значений эффективности. Конечно, не каждый рассеянный в цен­тральном кристалле γ-квант будет поглощен в боковом кристалле. Поэтому в амплитудном распределении G(Е, V) имеется кроме пика полного поглощения непрерывный континуум, площадь под которым тем меньше, чем больше размеры боковых кристал­лов. На рис. 1в (сплошная линия) показано амплитудное распределение импульсов для γ-квантов изотопа 65 Zn, измеренное на спектрометре со сложением импульсов.

В комптоновском спектрометре со сложением импульсов удается получить энергетическое разре­шение лучше, чем энергетическое разрешение отдельного сцин­тилляционного счетчика при энергии Е.

Сцинтилляционные парные гамма-спектрометры. Блок-схема и расположение кристаллов парного спектрометра показаны на рис. 2. Коллимированный пучок γ-квантов попадает в цен­тральный кристалл, где в результате эффекта образования пар возникают электрон, позитрон и два фотона с энергией по 0,511 Мэв и углом между направлениями их движения 180°.

Блок-схема парного сцинтилляционного спектро­метра и

его функция отклика для γ -квантов источника 24 Na

С помощью схемы тройных совпадений и линейных ворот с цен­трального сцинтилляционного счетчика отбираются такие им­пульсы, которые сопровождаются импульсами с двух боковых счетчиков.

Эффективность парного спектрометра будет определяться вероятностью образования пар в центральном кристалле, вероятностью прохождения аннигиляционного излучения через цен­тральный кристалл без взаимодействия и вероятностью регистра­ции аннигиляционных квантов в боковых кристаллах.

Наилучшие условия работы парного спектрометра достигаются в тех случаях, когда исследуемое излучение хорошо коллимировано и не попадает на боковые кристаллы. При этом фон, обус­ловленный случайными совпадениями, оказывается невелик. Размеры центрального и боковых кристаллов выбирают, прини­мая во внимание следующие соображения. Чтобы получить боль­шую эффективность, центральный кристалл выгодно делать доста­точно длинным. С одной стороны, это увеличивает эффективность спектрометра, с другой — уменьшает вероятность ухода элек­тронов и позитронов из кристалла. Напомним, что электроны и позитроны, возникающие при эффекте образования пар, имеют направления, близкие к направлению пучка γ-квантов.

Диаметр центрального кристалла для получения наибольшей эффективности необходимо выбирать как можно меньше, посколь­ку вероятность ухода аннигиляционных квантов из центрального кристалла тем больше, чем меньше его диаметр. Но для спектро­метра более важной характеристикой является его светосила, поэтому диаметр кристалла имеет смысл выбирать из условия получения ее максимальной величины. Светосила парного спек­трометра пропорциональна диаметру коллиматора, т. е. сечению пучка γ-квантов, попадающих на центральный кристалл, и эффек­тивности спектрометра. Оптимальный диаметр центрального кристалла около 30 мм. Однако обычно диаметр центрального кристалла выбирают несколько большего размера (до 40…50 мм) для лучших условий собирания света. Размеры боковых кристаллов парного спектрометра, с одной стороны, выгодно выбирать как можно большими, чтобы увеличить эффек­тивность спектрометра, но, с другой стороны, чем больше раз­меры боковых кристаллов, тем больше регистрируется в них γ-квантов фона, естественной радиоактивности и космического излучения. высоту бокового кристалла нет смысла делать больше 4…5 см. Диаметр бокового кристалла обычно выбирают равным или несколько большим высоты цен­трального кристалла.

Эффективность парного спектрометра с центральным кристал­лом диаметром 50 и высотой 100 мм и боковыми кристаллами диа­метром 100 и высотой 50 мм достигает нескольких процентов при энергии γ-квантов 10 Мэв. В зависимости от энергии γ-квантов эффективность спектрометра ведет себя практически так же, как и сечение образования пар.

Энергетическое разрешение парного спектрометра определяется качеством сцинтилляционного (центрального) счетчика. С помощью парного спектрометра можно разделять достаточно близкие по энергиям γ-кванты, если их энергии немного больше 2m₀с 2 . В парном сцинтилляционном спектрометре в каналах боковых сцинтилляционных счетчиков обычно ставят одноканальные диф­ференциальные анализаторы для выбора импульсов, амплитуды которых соответствуют γ-квантам с энергией 0,2…0,6 Мэв. Это позволяет уменьшить фон случайных совпадений, фон, обусло­вленный многократным рассеянием γ-квантов в трех кристаллах, и наконец, снизить чувствительность парного спектрометра к ней­тронам. На рис. 2 показано амплитудное распределение импульсов, измеренное с помощью парного спектрометра (фон случайных совпадений вычтен) для источника γ-квантов 24 Na (γ-кванты с энергиями 1,38 и 2,76 Мэв). Видно, что имеется непре­рывное распределение импульсов, площадь которого составляет от полной около 10 %. Это непрерывное распределение обусло­влено в основном тем, что пробеги электронов и позитронов не всегда укладываются в центральном кристалле. Утечки электро­нов и позитронов происходят главным образом через ближний к фотоумножителю торец кристалла.

Сцинтилляционные гамма-спектрометры с защитой антисов­падениями. Такие гамма-спектрометры являются наиболее совре­менными и эффективными сцинтилляционными спектрометрами. Блок-схема такого спектрометра и расположение кристаллов пока­заны на рис. 3.

Блок-схема сцинтилляционного гамма-спек­трометра

с защитой антисовпадениями

Спектр ампли­туд импульсов γ-квантов с энергией 7,38 Мэв без антисовпадений и с антисовпадениями (пунктир). АС—схема антисовпадений.

Коллимированный пучок γ-квантов попадает в центральный кристалл, импульсы с которого направляются на амплитудный анализатор при условии отсутствия импульсов с боковых кристаллов. Если бы боковые кристаллы регистриро­вали все рассеянные γ-кванты, выходящие из центрального кри­сталла, то аппаратурная форма линии такого спектрометра пред­ставляла бы собой пик полного поглощения. Как видно из рисунка, добиться 100 %-ной вероятности регистрации рассеян­ных γ-квантов практически невозможно. Но боковые кристаллы значительно снижают непрерывное комптоновское распределение. На рис. 3 показаны аппаратурные формы линий спектро­метра с включенным управлением антисовпадениями и без него. Эффективность спектрометра определяется эффективным фото­вкладом, а энергетическое разрешение — качеством центрального сцинтилляционного счетчика. Один из таких спектрометров с очень хорошими параметрами описан ниже. Центральный кристалл спектрометра диаметром 60 и длиной 150 мм располагается в цилиндрическом отверстии большого кристалла диаметром 200 и длиной 300 мм. На небольшом расстоянии от центрального кристалла расположен третий кристалл диаметром 125 и толщи­ной 100 мм. Третий кристалл также включен на антисовпадения с центральным кристаллом. Этот кристалл необходим для реги­страции γ-квантов, рассеянных на малые углы в центральном кристалле, и для регистрации тормозного излучения, рождае­мого электронами и позитронами в центральном кристалле. Для описанного спектрометра энергетическое разрешение составляло 8,3 % при энергии γ-квантов 0,66 Мэв. Эффективность спектро­метра изменяется от 100 % при энергии γ-квантов в несколько сот килоэлектронвольт до 4 % при энергии γ-квантов 10 Мэв. В спектрометрах с защитой антисовпадениями размеры боковых кристаллов не могут быть очень большими, поскольку загрузка фоновыми импульсами растет пропорционально объему кри­сталлов.

Магнитные гамма-спектрометры. По сути дела любой γ-спектрометр можно использовать для измерения энергии γ-квантов по электронам отдачи, если в месте располо­жения γ-источника поместить радиатор и направить на него пучок γ-квантов. В результате взаимодействия фотонов с электронами из радиатора будут вылетать электроны, энергия которых связана с энергией γ-квантов. Исследуя спектр таких электронов, можно определить спектр γ-квантов. При таких измерениях возникает целый ряд требований к формированию пучка γ-квантов, толщине радиатора и его составу, защите спектрометра и т.д. Эти требования и определяют светосилу и энергетическое разрешение магнитного гамма-спектрометра. Известно много различных магнитных спектрометров, которые можно разделить на три большие группы:

3) парные спектрометры.

Наилучшими свойствами обладают комптоновские спектрометры.

Комптоновские магнитные спектрометры. Энергетическое разрешение комптоновского спектрометра, обусловленное геометрией прибора, можно записать в первом приближении по аналогии с магнитным β-спектрометром.Энергетическое разрешение будет зависеть и от толщины радиатора. Действительно, электроны могут быть образованы γ-квантами на различных расстояниях от поверхности радиатора, и поэтому электроны, проходя различные пути в конверторе, теряют различную энергию. Относительные флуктуации энергии электронов, обусловленные потерями энергии в радиаторе, растут с уменьшением энергии. При хороших энергетических разрешениях радиатор должен быть очень тонким.

Парный магнитный спектрометр. Коллимированный пучок γ-квантов попадает на радиатор с большим атомным номером (часто используют золото), где сечение образования электрон-позитронных пар велико. Радиатор помещен в однородное магнитное поле. Электрон и позитрон, возникающие в результате эффекта образования пар, в магнитном поле отклоняются в противоположных направлениях и регистрируются счетчиками. Для анализа по энергиям используют обычно полукруговую фокусировку, т.е. счетчики расположены в одной плоскости с радиатором. При эффекте образования пар энергии электронов и позитронов распределены практически равновероятно.

Лекция «5. Вибрация» также может быть Вам полезна.

Полупроводниковая гамма-спектрометрия. В настоящее время наиболее перспективными полупроводниковыми спектрометрами для γ-квантов являются Ge(Li)-спектрометры, чувствительные объемы которых уже достигают нескольких сотен кубических сантиметров. Энергетическое разрешение в лучших спектрометрах составляет примерно 2…5 кэВ в области энергий до 3 Мэв. Эффективность полупроводниковых спектрометров определяется чувствительным объемом детектора.

Основной недостаток полупроводниковых спектрометров – это сложная форма амплитудного распределения при регистрации моноэнергетического излучения. В связи с этим для улучшения формы линии используют Ge(Li)-спектрометр, работающий в совпадении или антисовпадении с кристаллами NaJ(Tl) больших объемов. Коаксиальный Ge(Li)-спектрометр объемом 30 см 3 (площадь 7,5 см 2 ) помещается внутрь цилиндрических кристаллов NaJ(Tl), Детектор работает при температуре 77 °К, рабочее напряжение 900 в, емкость 42 пф. Энер­гетическое разрешение спектрометра по пику полного поглощения (или парному пику) составляет около 0,5 % при энергии γ-квантов 1 Мэв (ширина пика примерно 5 кэв) и около 0,2 % при энергии γ-квантов 7 Мэв. При энергиях γ-квантов выше 2 Мэв оказывается выгодным режим работы парного спектрометра (совпадения импульса с Ge(Li)-спектрометра с двумя импульсами с кристаллов NaJ(Tl), обусловленных аннигиляционным излучением). В этом случае функция отклика близка к идеальной.

В заключение сравним характеристики различных спектрометров.

Наибольшей эффективностью обладают сцинтилляционные спектрометры. К ним близки по эффективности полупроводниковые спектрометры. В этих приборах нет необходимости в значительном удалении источников от детекторов. С учетом необходимой коллимации излучения в спектрометрах совпадений и антисовпадений можно определить их светосилу. Для коллимации пучка γ-квантов в этих случаях обычно достаточны коллиматоры с углом 1,0…2,5°. Светосила сцинтилляционных и полупроводниковых спектрометров на несколько порядков выше светосилы магнитных и кристалл-дифракционных спектрометров.

В области низких энергий γ-квантов с точки зрения энергетического разрешения наилучшими являются кристалл-дифракционные спектрометры. Причем чем ниже энергия γ-квантов, тем очевиднее их преимущества. В области энергий выше нескольких сот киловольт в широком диапазоне энергии преимущества на стороне полупроводниковых спектрометров.

Магнитные гамма-спектрометры, значительно уступая полупроводниковым в светосиле, имеют и преимущества: возможность абсолютных измерений энергии γ-квантов и лучшая функция отклика.

Источник