10.Сцинтилляционные гамма- спектрометры.

В настоящее время для спектрометрии заряженных частиц, нейтронов и гамма- квантов применяют в основном спектрометры с сцинтилляционными детекторами. В качестве сцинтилляционного материала детектора используют кристаллы Na(Tl) потому что, у ник большой световыход, хорошее перекрытие спектра излучения со спектральной чувствительностью ФЭУ, короткое время высвечивания. Блок схема однокристального сцинтилляционного гамма - спектрометра приведена на рис. 7. . Основными характеристиками данного спектрометра являются: ответная функция на монохроматическое гамма-излучение (АФЛ), энергетическое разрешение и энергетическая зависимость эффективности регистрации. Ответная функция спектрометра определяется тремя процессами взаимодействия γ- квантов с веществом сцинтиллятора: комптоновское рассеяние, фотоэлектрический эффект и эффект образования электрон-позитронных пар. На рис. 8. схематически показана ответная функция однокристального сцинтилляционного гамма - спектрометра на моно-хроматическое γ- излучение - распределение числа импульсов от детектора по амплитудам (амплитудный спектр).

Рисунок 10 Ответная функция однокристального спектрометра

Крайний справа максимум в спектре, соответствующий импульсам максимальной амплитуды, называется пиком полного поглощения (ППП). Вклад в этот пик дают импульсы, возникающие в случаях, когда падающийγ - квант полностью теряет всю свою энергию в материале детектора. Слева от пика полного поглощения располагается непрерывное комптоновское распределение. Высокоэнергетическому краю комптоновского распределения соответствуют импульсы, возникающие от электронов отдачи, образующихся при комптоновском рассеянии исходных γ - квантов на 180°. Энергиям (Е=511)кэВ и (Е=1022)кэВ соответствуют пики одиночного и двойного вылета. Они появляются, когда энергия первичного γ- кванта большей 1,022Мэв он может рождать электрон-позитронные пары в материале детектора. Оставшийся позитрон, аннигилируя, испускает два γ- кванта с энергией 0,511Мэв каждый. Если только один из этих γ- квантов покидает объем детектора, то такое событие дает вклад в пик одиночного вылета, если оба γ- кванта покидают объем детектора, то получается пик двойного вылета. Пик обратного рассеяния возникает от γ- квантов, которые после их комптоновского рассеяния на 180° от подложки источника или от окружающих предметов попадает в детектор и испытывает полное поглощение. После соответствующих калибровок из амплитудного спектра Для подавления непрерывного комптоновского распределения в ответной функции сцинтилляционного γ- спектрометра и устранения дополнительных максимумов созданы специальные многокристальные сцинтилляционныеγ -

спектрометры: с защитой антисовпадениями, комптоновские и парные спектрометры. Сцинтилляционный спектрометр с защитой антисовпадениями (рис. ) состоит из основного детектора, облучаемого γ- квантами источника и окруженного по возможности со всех сторон дополнительным сцинтиллятором, который регистрирует комптоновски рассеянное γ - излучение, покинувшее основной кристалл, и вылетевшие из основного кристалла аннигиляционные γ - кванты, образовавшиеся в нем при аннигиляции позитронов от электрон-позитронных пар. Импульсы от ФЭУ основного и дополнительного детектора подаются на схему антисовпадений, которая управляет работой электронного ключа. Электронный клич открывается, если на него поступает сигнал только от основного детектора. Сигнал в этом случае обусловлен γ- квантом, полностью поглощенным в материале детектора, и дает вклад в пик полного поглощения. Если на электронный ключ поступает сигнал и от основного детектора, и от схемы антисовпадений, то электронный ключ сигнал не пропускает, так как от

основного детектора импульс обусловлен в данном случае гамма-квантом, комптоновски рассеявшимсяв детекторе-анализаторе и вылетевшем из него. Таки образом в амплитудном распределении удаляются сигналы соответствующие непрерывному комптоновскому распределению а остаются сигналы отвечающие полному поглощению γ–квантов в центральном кристалле.

Рисунок 11 Блок схема γ-спектрометра с охранным сцинтиллятором антисовпадений (а) и

его амплитудное распределение

В комптоновском сцинтилляционном γ- спектрометре (рис. ) для регистрации и измерения энергииγ - лучей от источника используются комптоновские электроны отдачи, образующиеся в кристалле основного детектора-анализатора. Сцинтилляционный кристалл детектора-дискриминатора служит для регистрации рассеянных под определенным углом и покинувших основной детектор комптоновских γ- квантов и, таким образом, для отбора электронов отдачи, рассеянных в детекторе-анализаторе на определенный угол. Выходы обоих детекторов подсоединены к схеме совпадений. При ее срабатывании электронный ключ пропускает на анализатор импульсов усиленный усилителем сигнал от основного детектора, пропорциональный энергии комптоновского электрона отдачи. При отсутствии сигнала от схемы совпадений электронный ключ заперт и на вход анализатора импульсов сигналы не поступает. С помощью такого спектрометра с кристаллами можно исследовать γ- кванты в диапазоне

энергий от 0,2 до 3Мэв. Энергетическое разрешение комптоновского γ- спектрометра хуже, чем у обычного однокристального, так как световая вспышка в детекторе-анализаторе комптоновского спектрометра меньше, чем в детекторе однокристального γ- спектрометра из-за того, что рассеянный γ- квант уносит часть энергии, а также за счет ошибок в определении угла рассеяния.

Рисунок 12 Блок схема комптоновского сцинтилляционного γ-спектрометра (а) и

его амплитудное распределение (1- полученное комптоновским спектрометром, 2-

обычным одноканальным спектрометром)

Эффективность комптоновского γ- спектрометра с двумя кристалламиNaJ(Ti) небольших размеров составляет около 0,1% т.е. приблизительно в100 раз меньше, чем эффективность однокристального спектрометра. Однакофото-вклад комптоновского спектрометра близок к 100% и поэтому визмеренных с его помощью спектрах γ- лучей практически отсутствуетнепрерывное фоновое распределение, что делает такие спектрометрыэффективными при исследовании сложных спектров.Сцинтилляционный парный γ- спектрометр имеет трисцинтилляционных кристалла: центральный и два боковых. Центральныйкристалл является кристаллом детектора-анализатора и на него направляется каллимированный пучок исследуемых γ- квантов. Боковые дополнительные кристаллы служат для регистрации аннигиляционных γ- квантов с энергией0,511Мэв, которые образуются в основном кристалле при аннигиляцииоставшихся позитронов. Если в детекторе-анализаторе исходный γ- кванттормозится полностью или испытывает в нем комптоновское рассеяние, тобоковыми детекторами нечего не регистрируется или регистрируется γ- квантлишь одним из этих детекторов. Если исходный γ- квант образует в основномдетекторе электрон-позитронную пару и если позитрон в нем аннигилирует,то образовавшаяся при аннигиляции и вылетевшая из кристалла основногодетектора пара γ- квантов с энергий 0,511Мэв может быть зарегистрированаодновременно обоими дополнительными боковыми детекторами. В этомслучае от дополнительных детекторов сигналы поступают одновременно наоба входа схемы совпадений и она вырабатывает сигнал, открывающийэлектронный ключ, который пропускает на анализатор импульсов усиленныйсигнал от детектора-анализатора, пропорциональный (Е-1,022)Мэв где Е-энергия исходных γ-квантов.

16.Обработка спектров методом пиков выполняется с помощью ЭВМ исостоит из нескольких этапов. Первый этап - сглаживание спектра - имеет своей целью уменьшение статистических выбросов в аппаратурном спектре. Оно заключается в замене отсчета в данном канале средневзвешенным значением отсчета в каналах, прилегающих к нему (включая рассматриваемый канал). Второй этап - автоматический поиск пиков - заключается в отыскании областей спектра, где находятся пики. Отыскание пиков проводится одним из методов: 1. Метод максимума. В этом методе число отсчетов в каждом канале сравнивается с числом отсчетов в соседних каналах. Считается, что пик в i-канале существует, если число отсчетов N(1) в нем больше чем в соседних с ним каналах. 2. Метод плавающего отрезка. В этом методе сравнивается число отсчетов над некоторым отрезком, соединяющим две отстоящие на заданном расстоянии точки спектра (это расстояние определяется размером стандартного пика), и возможной статистической флуктуацией этой величины. Область спектра, где выполняется соотношение s1>as2, идентифицируется как пик. Здесь a - параметр отсева, a=2-4 (подбирается экспериментально), s1 - число отсчетов над отрезком s2 - сумма отсчетов под отрезком. 3. Метод первой производной. Если аппаратурный спектр, представить как непрерывную функцию от номера канала, то по производной этой функции можно определить положение пиков. В области пика производная спектра становится сначала большой положительной величиной, а затем, меняя в некоторой точке знак, - большой отрицательной, в то время как в области вне пика величина производной вследствие общего спадающего характера спектра всюду имеет небольшое отрицательное значение. 4. Метод второй производной. Этот метод и его реализация аналогичны предыдущему методу с той разницей, что поиск пика в спектре производится по второй производной. Вторая производная фона всюду практически равна нулю, а в области пика она испытывает резкие изменения. 5. Метод сглаживания. В этом методе производится сильное сглаживание спектра, которое практически не действует на фон, но размывает пик. Затем, вычитая сглаженный спектр из исходного, получаем спектр всюду близкий к нулю, кроме областей пиков, где имеется положительный выброс, наличие которого и идентифицируется как пик. Третий этап - анализ мультиплетности пиков. Поскольку в выделенной области может находится несколько пиков, часто неразрешенных, для дальнейшего анализа важно знать их количество. При анализе мультиплетов в большинстве случаев используется экспериментальная зависимость ширины пика на половине высоты от номера канала. Четвертый этап - точное определение площади пиков и положения максимума. Существуют два способа определения этих параметров. Первый способ предусматривает предварительное вычитание фона и последующее определение параметров пика путем сложения показаний в каналах

анализатора. В этом случае параметры пика могут быть вычислены по формулам:

площадь пика

положение центра пика

где Nx- число отсчетов в канале x, их суммирование ведется по каналам, в которых расположен пик; Bx- значение фона в x-м канале, полученное путем линейной интерполяции на основе значений вне пика; B - суммарное значение фона под пиком. Второй способ заключается в аппроксимации области пика, включая фон, одной аналитической зависимостью, параметры которой (и для пика, и для фона) находятся в процессе единой процедуры подгонки. Пятый этап - определение интенсивностей и энергий пиков. Этот этап обработки заключается в переходе от вычисленных значений площади пика и положения максимума, определенных в терминах числа отсчетов и каналов соответственно к величинам, выраженным в единицах активности и энергии. Эта задача сводится к построению калибровочных кривых канал-энергия и энергия-эффективность, полученных в измерениях с изотопами, характеристики которых хорошо известны. Зная эффективность регистрации спектрометра, время измерения и вычислив площадь пика, определяем активность по формуле А=kSп/t Где k- эффективность регистрации спектрометра; Sп- площадь пика;t-время измерения.

17. сглаживание спектра - имеет своей целью уменьшение Статистических выбросов в аппаратурном спектре. Оно заключается в замене отсчета в данном канале средневзвешенным значением отсчета в каналах, прилегающих к нему (включая рассматриваемый канал).Поиск пиков - заключается в отыскании

областей спектра, где находятся пики. Отыскание пиков проводится одним из методов: 1. Метод максимума. В этом методе число отсчетов в каждом канале сравнивается с числом отсчетов в соседних каналах. Считается, что пик в i-канале существует, если число отсчетов N(1) в нем больше чем в соседних с ним каналах. 2. Метод плавающего отрезка. В этом методе сравнивается число отсчетов над некоторым отрезком, соединяющим две отстоящие на заданном расстоянии точки спектра (это расстояние определяется размером стандартного пика), и возможной статистической флуктуацией этой величины. Область спектра, где выполняется соотношение s1>as2, идентифицируется как пик. Здесь a - параметр отсева, a=2-4 (подбирается экспериментально), s1 - число отсчетов над отрезком s2 - сумма отсчетов под отрезком. 3. Метод первой производной. Если аппаратурный спектр, представить как непрерывную функцию от номера канала, то по производной этой функции можно определить положение пиков. В области пика производная спектра становится сначала большой положительной величиной, а затем, меняя в некоторой точке знак, - большой отрицательной, в то время как в области вне пика величина производной вследствие общего спадающего характера спектра всюду имеет небольшое отрицательное значение. 4. Метод второй производной. Этот метод и его реализация аналогичны предыдущему методу с той разницей, что поиск пика в спектре производится по второй производной. Вторая производная фона всюду практически равна нулю, а в области пика она испытывает резкие

изменения. 5. Метод сглаживания. В этом методе производится сильное сглаживание спектра, которое практически не действует на фон, но размывает пик. Затем, вычитая сглаженный спектр из исходного, получаем спектр всюду близкий к нулю, кроме областей пиков, где имеется положительный выброс, наличие которого и идентифицируется как пик. Анализ мультиплетности пиков - поскольку в выделенной области может находится несколько пиков, часто неразрешен-ных, для дальнейшего анализа важно знать их количество. При анализе мультиплетов в большинстве случаев используется экспериментальная зависимость ширины пика на половине высоты от номера канала.

18. Определение площади пиков и положения максимума. Существуют два способа определения этих параметров. Первый способ предусматривает предварительное вычитание фона и последующее

определение параметров пика путем сложения показаний в каналах анализатора. В этом случае параметры пика могут быть вычислены по формулам:

площадь пика

положение центра пика x;

где Nx- число отсчетов в канале x, их суммирование ведется по каналам, в которых расположен пик; Bx-значение фона в x-м канале, полученное путем линейной интерполяции на основе значений вне пика; B - суммарное значение фона под пиком. Второй способ заключается в аппроксимации области пика, включая фон, одной аналитической зависимостью, параметры которой (и для пика, и для фона) находятся в процессе единой процедуры подгонки.

19.Определение интенсивностей и энергий пиков. Этот этап обработки заключается в переходе от вычисленных значений площади пика и положения максимума, определенных в терминах числа отсчетов и каналов соответственно к величинам, выраженным в единицах активности и энергии. Эта задача сводится к построению калибровочных кривых канал-энергия и энергия-эффективность, полученных в измерениях с изотопами, характеристики которых хорошо известны. Зная эффективность регистрации спектрометра, время измерения и вычислив площадь пика, определяем активность по формуле А=kSn/t Где k- эффективность регистрации спектрометра; Sn- площадь пика;t-время измерения.

22.Многокристальные спектрометры .Для подавления непрерывного комптоновского распределения в ответной функции сцинтилляционного γ- спектрометра и устранения дополнительных максимумов созданы специальные многокристальные сцинтилляционныеγ - спектрометры: с защитой антисовпадениями, комптоновские и парные спектрометры. Сцинтилляционный спектрометр с защитой антисовпадениями (рис. ) состоит из основного детектора, облучаемого γ- квантами источника и окруженного по возможности со всех сторон дополнительным сцинтиллятором, который регистрирует комптоновски рассеянное γ - излучение, покинувшее основной кристалл, и вылетевшие из основного кристалла аннигиляционные γ - кванты, образовавшиеся в нем при аннигиляции позитронов от электронпозитронных пар. Импульсы от ФЭУ основного и дополнительного детектора подаются на схему антисовпадений, которая управляет работой электронного ключа. Электронный клич открывается, если на него поступает сигнал только от основного детектора. Сигнал в этом случае обусловлен γ- квантом, полностью поглощенным в материале детектора, и дает вклад в пик полного поглощения. Если на электронный ключ поступает сигнал и от основного детектора, и от схемы антисовпадений, то электронный ключ сигнал не пропускает, так как от основного детектора импульс обусловлен в данном случае гамма-квантом, комптоновски рассеявшимся в детекторе-анализаторе и вылетевшем из него. Таки образом в амплитудном распределении удаляются сигналы соответствующие непрерывномукомптоновскому распределению а остаются сигналы отвечающие полному поглощению γ–квантов в центральном кристалле.

Рисунок 11 Блок схема γ-спектрометра с охранным сцинтиллятором антисовпадений (а) и

его амплитудное распределение

В комптоновском сцинтилляционном γ- спектрометре (рис. ) для регистрации и измерения энергииγ - лучей от источника используются комптоновские электроны отдачи, образующиеся в кристалле основного детектора-анализатора. Сцинтилляционный кристалл детектора-дискриминатора служит для регистрации рассеянных под определенным углом и покинувших основной детектор комптоновских γ- квантов и, таким образом, для отбора электронов отдачи, рассеянных в детекторе-анализаторе на определенный угол. Выходы обоих детекторов подсоединены к схеме совпадений. При ее срабатывании электронный ключ пропускает на анализатор импульсов усиленный усилителем сигнал от основного детектора, пропорциональный энергии комптоновского электрона отдачи. При отсутствии сигнала от схемы совпадений электронный ключ заперт и на вход анализатора импульсов сигналы не поступает. С помощью такого спектрометра с кристаллами можно исследовать γ- кванты в диапазоне энергий от 0,2 до 3Мэв. Энергетическое разрешение комптоновского γ- спектрометра хуже, чем у обычного однокристального, так как световая вспышка в детекторе-анализаторе комптоновскогоспектрометра меньше, чем в детекторе однокристального γ- спектрометра из-за того, чторассеянный γ- квант уносит часть энергии, а также за счет ошибок в определении угла рассеяния.

Рисунок 12 Блок схема комптоновского сцинтилляционного γ-спектрометра (а) и

его амплитудное распределение (1- полученное комптоновским спектрометром, 2-

обычным одноканальным спектрометром)

Эффективность комптоновского γ- спектрометра с двумя кристаллами NaJ(Ti) небольших размеров составляет около 0,1% т.е. приблизительно в 100 раз меньше, чем эффективность однокристального спектрометра. Однако фото-вклад комптоновского спектрометра близок к 100% и поэтому в измеренных с его помощью спектрах γ- лучей практически отсутствует непрерывное фоновое распределение, что делает такие спектрометры эффективными при исследовании сложных спектров. Сцинтилляционный парный γ- спектрометр имеет три сцинтилляционных кристалла: центральный и два боковых. Центральный кристалл является кристаллом детектора-анализатора и на него направляется каллимированный пучок исследуемых γ- квантов. Боковые дополнительные кристаллы служат для регистрации аннигиляционных γ- квантов с энергией 0,511Мэв, которые образуются в основном кристалле при аннигиляции оставшихся позитронов. Если в детекторе-анализаторе исходный γ- квант тормозится полностью или испытывает в нем комптоновское рассеяние, то боковыми детектораминечего не регистрируется или регистрируется γ- квант лишь одним из этих детекторов. Еслиисходный γ- квант образует в основном детекторе электрон-позитронную пару и если позитрон в нем аннигилирует, то образовавшаяся при аннигиляции и вылетевшая из кристалла основного детектора пара γ- квантов с энергий 0,511Мэв может быть зарегистрирована одновременно обоими дополнительными боковыми детекторами. В этом случае от дополнительных детекторов сигналы поступают одновременно на оба входа схемы совпадений и она вырабатывает сигнал, открывающий электронный ключ, который пропускает на анализатор импульсов усиленный сигнал от детектора-анализатора, пропорциональный (Е-1,022)Мэв где Е- энергия исходных γ-квантов.