12 Спектрометрия излучений

12.1Основные виды спектрометров и их характеристики

12.2Энергетические спектрометры

12.3Методы построения спектрометров

12.4Спектрометры с линейным энергетическо–амплитудным преобразованием

12.1 Основные виды спектрометров и их характеристики

К спектрометрам ионизирующих излучений относят приборы, определяющие распределение частиц или квантов излучения по одному или нескольким параметрам, например по энергиям частиц или квантов, виду излучения (масса частиц и их заряд), а также по характеристикам движения частиц или квантов в пространстве (угловая направленность, траектория и т. п.). Соответственно спектрометры разделяют на следующие подгруппы:

для измерения распределения излучений по энергиям (энергетические спектрометры);

для измерения распределения излучений по массам (массовые спектрометры частиц); для измерения распределения излучений по зарядам (зарядовые спектрометры частиц);

для измерения пространственно-временных характеристик распределения излучений (угловые спектрометры и др.).

В некоторых случаях производят измерение не по одному, а по нескольким параметрам; спектрометры для таких измерений носят название многопараметровых.

С помощью спектрометрических приборов определяют спектр, т. е. совокупность значений, которые может принимать данная физическая величина (энергия, заряд, масса и пр.). Результаты измерений представляются в виде энергетических, массовых, угловых и других распределений – зависимости относительного числа частиц или квантов в потоке или испускаемых источником излучения от величины параметра. В зависимости от возможных значений параметра спектральные распределения разделяют на дискретные и сплошные (непрерывные). Дискретные распределения характеризуются несколькими отдельными значениями параметра (энергии, массы, заряда). Если полное число зарегистрированных

163

частиц или квантов равно N0 , то доля частиц или квантов с параметром Ai,- выражается функцией f(Ai)=Ni/No, причем:

		f A 1
		i
	i 1

(12.1)

Следовательно, распределение нормировано на полное число частиц или квантов N0. В сплошном распределении имеются частицы или кванты с любым значением параметра А. Из полного числа частиц или квантов N0 можно выделить число частиц dNi с параметром, заключенным в узком интервале значений–от Ai до Ai+dA. Доля частиц, обладающих значением параметра,

заключенном в единичном интервале величин:
f A	1			dN A	(12.2)
	N			dA
		0

Причем:

f A dA 1

0

(12.3)

Функцию f(A) называют дифференциальным распределением (рисунок 12.1, а). Помимо дифференциального иногда используют интегральное распределение F(A) (рисунок 12.1,б), соответствующее доле частиц или квантов со значением параметра, превосходящим Ai,

т. е.:

F A	f A dA
A

(12.4)

Как правило, для экспериментального определения спектрального распределения весь измеряемый диапазон параметра делят на некоторое количество интервалов – каналов. Затем измеряют число частиц или квантов, регистрируемых прибором в каждом канале за определенное время, и на основании результатов измерения строят гистограмму, в которой по горизонтальной оси отложено значение параметра, а по вертикальной оси–относительное число частиц или квантов, приходящихся на каждый канал (рисунок 12.1, в).

Экспериментальное измеренное распределение φ(А) только приближенно отображает действительное спектральное распределение f(A), что обусловлено статистическими флуктуациями коэффициентов преобразования и конечным значением интервала параметра А (т. е. тем, что гладкое спектральное распределение аппроксимируется ступенчатым распределением – гистограммой).

164

а)

б)

в)

А1

А2

А3

А4

А5

Рисунок 12.1 – Непрерывное дифференциальное (а), интегральное (б) и дифференциальное в виде гистограммы (в) спектральное распределение

Наиболее важные характеристики любого спектрометра помимо его назначения, т. е. вида измеряемого излучения, параметра, по которому измеряется распределение, и диапазона изменения этого параметра – это точность определения спектрального распределения и погрешность в вычислении величины параметра, соответствующего определенным участкам (пикам) в распределении. Эти характеристики связаны, в свою очередь, с такими параметрами спектрометра, как число каналов, эффективность, линейность, относительное разрешение (разрешающая способность).

Из-за особенностей взаимодействия некоторых видов излучения с веществом детектора и флуктуацией коэффициента преобразования монохроматической группе частиц или квантов соответствует

165

изображение в спектре в виде некоторых распределений (узкого или протяженного), носящих название спектральных кривых. Функцию, характеризующую экспериментально полученное распределение монохроматических частиц или квантов, называют формой кривой. Узкие спектральные распределения называют обычно спектральными пиками. Спектральные пики характеризуют базисной шириной (шириной пика у его основания) или шириной пика на половине его высоты – полушириной пика.

Из-за конечной ширины пики с близкими значениями параметра А на спектрограмме не могут быть разделены. Способность спектрометра разделить две группы частиц или квантов, различающихся по значению параметра А, характеризуют разрешением R. Под разрешением понимают тот наименьший интервал измеряемого параметра А, при котором группы частиц или квантов еще воспринимаются раздельно. Принимая условно, что два спектральных пика можно наблюдать раздельно, если они сдвинуты на половину их ширины, в качестве параметра, характеризующего разрешение, используют величину полуширины пика. Чаще всего для численной оценки разрешения используют относительное разрешение – η, полуширину пика, отнесенную к соответствующему этому пику значению измеряемого параметра А и выраженную в процентах. Чем меньше относительное разрешение, тем более тонкие детали спектра может выделить спектрометр. Для различных видов спектрометров вводят понятия энергетического разрешения, разрешения по массе, заряду, углового разрешения и др.

Важным параметром спектрометров считается их эффективность. От эффективности спектрометра зависит время, необходимое для измерения спектра. Поскольку реально на спектрометр действует помимо измеряемого также мешающее (фоновое) излучение, при малой эффективности спектральные пики могут маскироваться фоном и точность измерений ухудшается.

Как уже отмечалось, из-за ступенчатого представления гладкого распределения в результаты измерений спектра вносятся погрешности. Полученное распределение тем ближе к истинному, чем из большего числа ступеней состоит гистограмма, т. е. чем больше число каналов спектрометра т. Если диапазон измеряемого параметра от начальной до конечной величины Ан и Ак разделен равномерно на т интервалов (каналов), то величина каждого интервала:

166

	A	А А
		к	н
			m

(12.5)

Эта величина названа шириной канала.

По результатам измерения спектра, т. е. по спектральным линиям, можно установить значение параметра А частиц или квантов. Из-за несовершенства спектрометра как измерительного прибора (погрешностей в коэффициентах преобразования) между истинным значением параметра А и полученным из эксперимента А' имеется расхождение – погрешность измерения. Связь между величинами А' и А обычно выражают измерительной характеристикой. При отсутствии систематических погрешностей связь между величинами А' и А отображалась бы прямой линией. Величину отклонения измерительной характеристики спектрометра от аппроксимирующей ее прямой называют интегральной нелинейностью. Для точного воспроизведения исходного спектра в спектрометрах с равномерным разделением интервала измерения на каналы необходимо, чтобы ширина всех каналов была одинаковой. При различной ширине каналов распределения искажаются, в них появляются ложные пики или провалы, соответствующие более широким или узким каналам. Однородность ширины каналов характеризуют дифференциальной нелинейностью – относительным отклонением ширины канала от среднего значения.

Следует иметь в виду, что в общем случае все характеристики спектрометра – разрешение, эффективность, интегральная и дифференциальная нелинейности–зависят от значения измеряемого параметра и меняются в пределах диапазона измеряемых величин. Поэтому указанные характеристики следует рассматривать как функцию значения параметра А.

Спектрометры обеспечивают качественный (т. е. определение вида излучения, энергии и т. д.) или количественный (определение соотношений между плотностями потока излучений разного вида, энергии, определение доли излучения определенного вида или энергетического диапазона в общем потоке излучения) анализ ионизирующего излучения. Качественный анализ осуществляется по положению спектральных линий на спектрограмме, размеченной с помощью предварительной градуировки в значениях измеряемого параметра А. Для количественного анализа необходимо знать эффективность диапазона измерений.

167