12.2Энергетические спектрометры

Характерные области применения. Измерения энергетических распределений наиболее распространены в спектрометрии ионизирующих излучений – как в научных исследованиях, так и в лабораторно–производственной практике.

Вэкспериментальной ядерной физике энергетические спектрометры необходимы для проведения широкого круга измерений, связанных с фундаментальными исследованиями: определением сечения взаимодействия частиц или квантов, изучением, ядерных реакций и механизма деления, идентификацией новых элементов, возникающих в реакциях, по испускаемому ими излучению, изучением энергетических уровней ядер в процессе радиоактивных превращений и т. п. Многие исследования проводят на ускорителях заряженных частиц, что обусловливает широкий диапазон измеряемых энергий частиц и квантов. Значительная группа экспериментов выполняется на импульсных нейтронных потоках; так определяют сечения взаимодействия нейтронов с различными ядрами, рассеяние нейтронов разной энергии на различных мишенях и т. п. Таким образом, в число необходимой аппаратуры входят спектрометры энергии γ– и рентгеновского излучений (сопровождающего внутреннюю конверсию возбужденных ядерных уровней продуктов распада), спектрометры электронов (β-частиц), протонов, тяжелых заряженных частиц (в том числе α-частиц) и спектрометры нейтронов.

Висследованиях космического пространства и в работах по физике плазмы энергетические спектрометры являются основными приборами. Значительная часть экспериментов, проводимых с искусственных спутников Земли и космических кораблей, связана с измерениями радиации и, в частности, с определением; энергетического распределения потоков частиц и квантов в околоземном и межпланетном пространствах. Аппаратура, используемая в космических исследованиях, должна измерять энергию в широком диапазоне величин (от десятков электронвольт до 1000 МэВ и выше) при значительной вариации плотностей потоков. Объектом измерения служат заряженные частицы – электроны, протоны, ионы гелия и более тяжелые ионы, а также нейтральные частицы (нейтроны, молекулярные потоки) и электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, рентгеновское и γ-

168

излучения). В плазменных исследованиях измеряют энергетические распределения потоков частиц и квантов, испускаемых плазмой.

Для различных анализов во многих областях науки и техники используют радиометрические измерения по отдельным компонентам излучения: частицам или квантам, обладающим фиксированной энергией и обусловленным распадом некоторых изотопов. Подобные измерения проводят для определения содержания отдельных изотопов или их соотношения по α-, β- и γ- излучениям в диапазоне энергий до нескольких мегаэлектронвольт. Отработка методик определения изотопов в препаратах, выбор оптимальных условий измерения, оценка влияния вещественного состава препаратов на результаты определений тесно связаны с измерениями энергетических распределений излучения, испускаемого препаратами.

Энергетические спектрометры широко используют также для решения прикладных задач в лабораторно–производственной практике. Например, такая аппаратура необходима в медицинских исследованиях для определения содержания естественных и искусственных радиоактивных изотопов в теле человека и их идентификации. Подобные измерения, основанные, как правило, на спектрометрии γ-излучения, непосредственно связаны с выявлением концентрации радиоактивных веществ в организме и обеспечением радиационной безопасности. Для обеспечения радиационной безопасности необходимо также определение качества излучения и дозовых эквивалентов, выполняемое на основе измерения энергетического распределения действующих потоков излучения – заряженных частиц, нейтронов, γ-квантов и рентгеновских лучей.

Измерение энергетического распределения излучения (чаще всего γ-излучения) используют для идентификации изотопов и определения их содержания в отбираемых пробах для выявления недостатков технологических процессов на атомных предприятиях, для контроля за степенью выгорания твэлов и т. п. Наконец, часто при определении содержания определенных изотопов (особенно по β- и γ-излучениям) идентификация затрудняется наличием дополнительного тормозного излучения, возникающего при поглощении β-частиц в веществе пробы и стенках контейнера, наложением непрерывных комптоновских распределений и др.; для выделения определенного пика приходится обрабатывать спектр (часто машинным методом), для чего необходимо определить

169

энергетическое распределение излучения, испускаемого препаратом, в некотором интервале энергий.

12.3Методы построения спектрометров

Определение энергии частиц или квантов, как правило, основано на измерении функции распределения по параметру, однозначно связанному с величиной энергии. Можно выделить четыре основных метода измерения энергетических распределений:

с линейным преобразованием энергии частиц или квантов в амплитуду сигнала и определением полученного амплитудного распределения;

с измерением интервалов времени, в течение которых частицы проходят определенное расстояние (по времени пролета);

с измерением спектра удельных потерь энергии в веществе детектора (спектра линейных потерь) и по координатам, через которые проходят частицы после их отклонения в электрическом или магнитном поле.

Все эти методы основаны на процессе взаимодействия излучения с веществом детектора и на прохождении его через электрические и магнитные поля.

12.4 Спектрометры с линейным энергетическо– амплитудным преобразованием

Для реализации этого метода необходимо использовать детекторы,

вкоторых амплитуда выходного сигнала пропорциональна энергии измеряемых частиц или квантов. Помимо линейного (или квазилинейного) коэффициента преобразования энергии – амплитуда

вдетекторе необходимо обеспечить также полную передачу энергии частиц или квантов чувствительному элементу (полное поглощение энергии). Тогда распределение f(E) будет однозначно соответствовать распределению f(А). Измерительные устройства спектрометра должны обеспечить измерение амплитудного спектра сигналов с детектора и представление распределения φ(A). Для линейной связи распределений f(E) и φ(A) необходимо использовать детекторы, в которых коэффициент преобразования энергии E в амплитуду сигнала А не зависит от величины энергии (т. е. с малой,

нелинейностью коэффициента преобразования Е А). Для достижения лучшего энергетического разрешения нужно,

170

естественно, чтобы полуширина пиков амплитудного распределения сигналов на выходе детектора, обусловленных воздействием моноэнергетического излучения, была минимальной, т. е. детекторы обладали хорошим амплитудным разрешением.

Спектрометр с линейным энергетическо–амплитудным преобразованием в простейшем случае, следовательно, должен содержать пропорциональный детектор и амплитудный анализатор, в состав которого входят устройство, сортирующее сигналы с детектора по каналам в зависимости от значения их амплитуд, и устройство, измеряющее число сигналов в каждом канале (или их относительную долю) и представляющее данные о полученном амплитудном распределении (рисунок 12.2). Подобные спектрометры получили наибольшее распространение.

Для полного поглощения энергии частиц и квантов в чувствительном объеме детектора детектирующие устройства должны обладать определенными параметрами. Различие во взаимодействии с веществом заряженных частиц, нейтронов и квантов электромагнитного излучения приводит к различию в этих параметрах, а также в структурных схемах модификации спектрометров.

		Амплитудный анализатор
	Дискретный про-	Сортирующее	Измерительное
		устройство,	устройство
	порциональный
		АЦП
	детектор
	f(E)		φ(A)
		f(A)

Рисунок 12.2 – Структурная схема спектрометра с линейным энергетическо–амплитудным преобразованием

Непосредственно ионизирующее излучение–заряженные частицы (электроны, протоны, более тяжелые ионы), двигаясь в веществе, постепенно тратят свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов, расположенных вдоль траектории частиц. При полном пробеге частиц в детектирующем элементе суммарная потеря энергии на ионизацию и возбуждение атомов равна первоначальной кинетической энергии частицы. Таким образом, для линейного энергетически–амплитудного преобразование должны быть выбраны детекторы с такой толщиной и плотностью чувствительного объема,

171

которые обеспечивают полное торможение измеряемых частиц. Наибольшие значения энергий заряженных частиц, для которых этот метод приемлем, определяются разумными размерами детекторов и составляют несколько мегаэлектронвольт; минимальные значения определяются соизмеримостью потерь энергии во входном окне или защитном слое детектора с начальной энергией частиц Е.

В спектрометрах косвенно ионизирующего излучения – электромагнитного излучения и нейтронов, построенных по рассматриваемому методу, необходимо обеспечить полную передачу энергии от нейтронов или квантов, образуемым вторичным частицам, и затем полное поглощение энергии этих частиц в чувствительном объеме детектора. Кванты электромагнитного излучения теряют свою энергию не постепенно, как заряженные частицы, а в одиночных актах взаимодействия в результате независимых элементарных процессов (фотопоглощения, комптоновского рассеяния, образования пар и др.). Только при фотопоглощении практически вся энергия γ-кванта передается одному из атомных электронов вещества детектора. При комптон– эффекте моноэнергетическими γ-квантами образуются электроны с

непрерывным распределением энергии от нуля до

E	max
e

		2 E
		2
		E m c
	2
		2

,

а часть энергии Eγ уносится рассеянными квантами. Наконец, при регистрации γ-квантов с Eγ> 1,022 МэВ возможно образование пары электрон–позитрон, суммарная энергия которых отличается от значения Eγ на величину 1,022 МэВ.

Таким образом, при соизмеримых вероятностях всех указанных процессов передача энергии от γ-кванта заряженным частицам не однозначна. Распределение энергии этих частиц содержит фотопик (Ее Eγ), протяженное комптоновское распределение и парный пик. При аннигиляции позитрона с атомным электроном вещества детектора возникают два γ-кванта, каждый с энергией 0,511 МэВ. Если один из этих квантов поглощается в детектирующем элементе, возникает полупарный пик в распределении, смещенный относительно фотопика на 0,511 МэВ.

В тех случаях, когда преобладает вероятность фотопоглощения γ- квантов, имеет место однозначность соответствия между энергией Eγ и амплитудой выходного сигнала с детектора. Структурная схема такого спектрометра γ-излучения, наиболее распространенного из приборов этой группы, аналогична приведенной на рисунке 12.2. В

172

таких спектрометрах, называемых часто спектрометрами полного поглощения, необходимо выбором размеров детектора, плотности вещества, геометрией расположения препарата относительно чувствительного объема детектора обеспечить превалирующее фотопоглощение (или прямое, или комптоновское рассеяние с последующим фотопоглощением рассеянного кванта). Достигнутый эффект численно характеризуют относительной фотоэффективностью: отношением площади фотопика к суммарной площади энергетического распределения, соответствующего моноэнергетическим γ-квантам. Величина фотоэффективности зависит от энергии Eγ. Практически такие спектрометры позволяют проводить измерение энергии γ-квантов вплоть до энергии 2–3 МэВ.

Помимо спектрометров, основанных на фотопоглощении, существуют другие гамма–спектрометры, в которых усложнением структурной схемы обеспечивается однозначность между энергией Eγ и амплитудным распределением. В одном из таких устройств, спектрометре комптоновских антисовпадений, для достижения однозначного соответствия между энергетическим спектром γ- квантов и распределением амплитуд сигналов исключают из регистрации импульсы, обусловленные квантами, которые претерпели комптоновское рассеяние и покидают чувствительный объем детектора. Для этого в спектрометр помимо основного вводят дополнительный детектор, окружающий по возможности более полно основной детектор. Сигналы с обоих детекторов поступают на устройство временного отбора, пропускающее для последующего анализа только те импульсы с основного детектора, которые не сопровождаются срабатыванием дополнительного детектора, регистрирующего рассеянные кванты.

173