Кіріспе
Гамма сәулелері көздерінің энергия спектрлерін сандық зерттеу
Гамма сәулелері спектроскопиясы – гамма сәулелері көздерінің энергия спектрлерін сапалық тұрғыдан зерттеу, мысалы, ядролық өнеркәсіпте, геохимиялық зерттеулерде және астрофизикада қолданылады. Ал гамма-сәулелік спектрометрия – сандық спектр өлшеуін алуға арналған әдіс. Көптеген радиоактивті көздер әртүрлі энергия мен қарқындылығы бар гамма сәулелерін шығарады. Бұл сәулелерді спектроскопиялық жүйемен анықтап, талдау арқылы гамма сәулелерінің энергия спектрін жасауға болады. Бұл спектрді егжей-тегжейлі талдау, әдетте, гамма сәулелерін шығаратын көздегі гамма-шығарушылардың табиғатын және мөлшерін анықтау үшін қолданылады және радиометриялық анализде маңызды құрал болып табылады. Гамма спектрі – гамма сәулелерін шығаратын нуклидтерге тән, дәл сияқты оптикалық спектрометрдегі оптикалық спектр – сынамадағы материалдың сипаттамасы.
Гамма сәулелерінің сипаттамалары
Гамма сәулелері – электромагниттік сәулеленудің ең жоғары энергиялы түрі, физикалық тұрғыдан барлық басқа түрлерімен (мысалы, рентген сәулелері, көрінетін жарық, инфрақызыл, радио) бірдей, бірақ олардың толқын ұзындығы қысқа болғандықтан (әдетте) фотондарының энергиясы жоғары. Осы себепті гамма-сәулелік фотондардың энергиясын жеке-жеке анықтауға болады, ал гамма-сәулелік спектрометр анықталған гамма-сәулелік фотондардың энергиясын өлшеуге және көрсетуге мүмкіндік береді. Радиоактивті ядролар (радионуклидтер) көбінесе бірнеше кэВ-тан ~10 МэВ-қа дейінгі энергия диапазонында гамма сәулелерін шығарады, бұл ұзақ өмір сүретін ядролардың энергетикалық деңгейлеріне сәйкес келеді. Мұндай көздер әдетте гамма сәулелерінің "сызықтық спектрлерін" (яғни дискретті энергияда эмиссияланатын көптеген фотондарды) тудырады, ал астрофизика мен элементарлық бөлшектер физикасында байқалатын үздіксіз спектрлерде 1 ТэВ-тан жоғары энергиялар кездесуі мүмкін. Гамма сәулелері мен рентген сәулелері арасындағы шекара шартты. Гамма сәулелері әрқашан атомдардың ядролық энергетикалық деңгейлерінің өзгеруінен пайда болады және моноэнергетикалық болып табылады, ал рентген сәулелері электрлік әдіспен (рентген түтігі, сызықтық үдеткіш) туындайды және кең энергетикалық диапазонына ие.
Гамма спектрометрдің құрамдас бөліктері
Гамма спектрометрдің негізгі компоненттері – энергияға сезімтал сәулелену детекторы және детектордың шығу сигналдарын талдайтын электрондық құрылғылар, мысалы, импульсті сұрыптаушы (яғни көп арналы анализатор). Қосымша компоненттерге сигнал күшейткіштер, есептегіштер, шың позициясын тұрақтандырғыштар және деректерді өңдеу құрылғылары жатуы мүмкін.
Детектор
Гамма-спектроскопиялық детекторлар – кіріс гамма-сәулелерімен өзара әрекеттесетін пассивті материалдар. Ең маңызды өзара әрекеттесу механизмдері – фотоэлектрлік эффект, Комптон эффектісі және жұптардың пайда болуы. Осы процестер арқылы гамма-сәулесінің энергиясы сіңіріліп, өзара әрекеттесуге дейін және кейін энергия айырмашылығын анықтау арқылы (немесе сцинтилляциялық санаушыда фотокөбейтілгішті пайдалану арқылы шығарылған фотондарды анықтау арқылы) кернеу сигналына түрлендіріледі. Шығарылған сигналдың кернеуі анықталған гамма-сәулесінің энергиясына пропорционал. Көбінесе қолданылатын детектор материалдары – натрий йодиді (NaI) сцинтилляциялық санаушылар және жоғары тазалықтағы германий детекторлары. Гамма-сәулесінің энергиясын дәл анықтау үшін фотоэлектрлік эффект орын алса, тиімді, себебі ол түскен сәуленің барлық энергиясын сіңіреді. Детектор көлемінде осы өзара әрекеттесу механизмдерінің тізбегі орын алса, барлық энергияны сіңіру де мүмкін. Комптондық өзара әрекеттесу немесе жұптардың пайда болуы кезінде энергияның бір бөлігі детектор көлемінен сіңірілмей шығуы мүмкін. Сөйтіп, сіңірілген энергия төмен энергиялы сәуледен шыққан сигналға ұқсас сигнал тудырады. Бұл төменгі энергиялы аймақтармен қабаттасатын спектрлік ерекшелікке алып келеді. Детектор көлемін үлкейту бұл әсерді азайтады. Бұл әсерді азайтудың күрделі әдістеріне – Комптондық сөндіру экрандары мен қосымша сигналды қайтару мүмкіндігі бар сегменттелген детекторларды қолдану жатады (қараңыз: клевер (детектор)).
Деректерді жинау
Детектор көлемінде өзара әрекеттесетін әрбір гамма сәулесі үшін туындаған кернеу импульстері көп арналы анализатормен (MCA) талданады. MCA-да импульсті қалыптастыру күшейткіші өткінші кернеу сигналын қабылдап, оны Гаусс немесе трапеция тәрізді пішінге келтіреді. Осы пішіннен сигнал жылдам аналогты-цифрлық түрлендіргіш (ADC) арқылы цифрлық формаға түрлендіріледі. Өте жоғары дискретизация жылдамдығына ие жаңа жүйелерде ADC-ны қайта пішіндеусіз аналогты-цифрлық түрлендіруді жүзеге асыру мүмкін. MCA-дағы қосымша логика импульстің биіктігін талдауды жүргізеді, импульстерді олардың биіктігіне сәйкес белгілі бір интервалдарға немесе арналарға жіктейді. Әрбір арна спектрдегі энергияның белгілі бір диапазонын көрсетеді, ал әрбір арна үшін анықталған сигналдар саны осы энергия диапазонындағы сәулеленудің спектрлік қарқындылығын көрсетеді. Арналар санын өзгерту арқылы спектрлік ажыратымдылық пен сезімталдықты дәлдеуге болады. MCA өз деректерін компьютерге жібере алады, ол деректерді сақтайды, көрсетеді және одан әрі талдайды. Көптеген өндірушілерден түрлі бағдарламалық пакеттер қолжетімді, және олар әдетте энергия калибрлеу (интервалдарды энергияға түрлендіру), шыңның және таза ауданының есептелуі, сондай-ақ ажыратымдылықты есептеу сияқты спектрлік талдау құралдарын қамтиды. USB дыбыс картасы Marek Dolleiser ұсынған, қолжетімді және арзан ADC ретінде қолданылуы мүмкін. Арнайы компьютерлік бағдарламалық қамтамасыз ету цифрланған толқын формасында импульстің биіктігін талдап, толыққанды MCA құрайды. Дыбыс карталары жоғары жылдамдыққа ие, бірақ төмен ажыратымдылыққа (192 кГц-ға дейін) ие ADC чиптерін қамтиды, бұл төменнен орташа санау жылдамдығы үшін лайықты сапаға мүмкіндік береді. "Дыбыс картасы спектрометрі" әуесқойлар және кәсіби ортада одан әрі жетілдірілді.
Детektorдың жұмыс істеу қабілеті
Гамма спектроскопиясы жүйелері бірнеше артықшылықтарға ие болу үшін таңдалады. Ең маңызды екеуі – детектордың ажыратымдылығы және детектордың тиімділігі.
Детектордың ажыратылуы
Спектроскопиялық жүйеде тіркелген гамма сәулелері спектрде шыңдарды құрайды. Бұл шыңдар оптикалық спектроскопиядағы сызықтармен салыстырылатындықтан, сызықтар деп те аталуы мүмкін. Шыңдардың ені детектордың ажыратымдылығымен анықталады, бұл гамма-спектроскопиялық детекторлардың маңызды сипаттамасы, ал жоғары ажыратымдылық спектроскопистке өте жақын екі гамма сызығын ажыратуға мүмкіндік береді. Гамма-спектроскопия жүйелері ең жақсы мүмкін ажыратымдылықпен симметриялы шыңдарды жасау үшін жобаланып және реттеледі. Шыңның пішіні әдетте Гаусс таралымы болып келеді. Көптеген спектрлерде шыңның көлденең орны гамма сәулесінің энергиясымен, ал шыңның ауданы гамма сәулесінің қарқындылығымен және детектордың тиімділігімен анықталады. Детектордың ажыратымдылығын көрсету үшін ең көп қолданылатын шама – жартылай максималды ен (FWHM). Бұл шыңның үлестіріліміндегі ең жоғары нүктенің жартысына сәйкес келетін гамма сәулесі шыңының ені. Ажыратымдылық көрсеткіштері белгілі гамма сәулесі энергияларына қатысты беріледі. Ажыратымдылық абсолютті (яғни, эВ немесе МэВ) немесе салыстырмалы түрде көрсетілуі мүмкін. Мысалы, натрий йодиді (NaI) детектордың FWHM-і 122 кэВ-та 9,15 кэВ, ал 662 кэВ-та 82,75 кэВ болуы мүмкін. Бұл ажыратымдылық мәндері абсолютті шамада берілген. Ажыратымдылықты салыстырмалы түрде көрсету үшін FWHM (эВ немесе МэВ) гамма сәулесінің энергиясына бөлінеді және әдетте проценттерде көрсетіледі. Аталған мысалға сүйенсек, детектордың ажыратымдылығы 122 кэВ-та 7,5%, ал 662 кэВ-та 12,5% құрайды. Германий детектор 122 кэВ-та 560 эВ ажыратымдылықты бере алады, бұл 0,46% салыстырмалы ажыратымдылыққа тең.
Детектордың тиімділігі
Детектордан өтетін гамма сәулелерінің бәрі жүйеде санауды тудырмайды. Шығарылған гамма сәулесінің детектормен әрекеттесіп, санауды тудыру ықтималдығы – детектордың тиімділігі. Жоғары тиімділіктегі детекторлар төмен тиімділіктегі детекторларға қарағанда аз уақытта спектрлерді жасайды. Жалпы алғанда, үлкен детекторлардың тиімділігі кішірек детекторларға қарағанда жоғары, бірақ детектор материалының қорғау қасиеттері де маңызды факторлар болып табылады. Детектордың тиімділігі белгілі активтілік көзінен алынған спектрді, әрбір шыңдағы санау жылдамдықтарын және әрбір гамма сәулесінің белгілі қарқындылығынан күтілетін санау жылдамдықтарымен салыстыру арқылы өлшенеді. Тиімділік, ажыратымдылық сияқты, абсолютті немесе салыстырмалы түрде көрсетілуі мүмкін. Бірдей өлшем бірліктері қолданылады (яғни проценттер); сондықтан спектроскопист детектордың қандай тиімділік туралы мәлімет беріліп жатқанын анықтауға көңіл болуы керек. Абсолютті тиімділік мәндері детектордан өтетін белгілі бір энергиядағы гамма сәулесінің әрекеттесуі мен анықталуының ықтималдығын көрсетеді. Салыстырмалы тиімділік мәндері көбінесе германий детекторлары үшін қолданылады және 1332 кэВ энергиядағы детектордың тиімділігін 3 дюйм × 3 дюйм NaI детектордың тиімділігімен салыстырады (яғни 25 см қашықтықта 1,2 × 10−3 импульс/секундқа Бк). Сондықтан өте үлкен германий детекторларымен жұмыс істегенде жүз проценттен жоғары салыстырмалы тиімділік мәндері кездесуі мүмкін. Анықталатын гамма сәулелерінің энергиясы детектордың тиімділігіне әсер ететін маңызды фактор. Тиімділік қисығын әртүрлі энергиядағы тиімділікті сызу арқылы алуға болады. Бұл қисықты, қисық алу үшін қолданылған энергиялардан өзге энергияларда детектордың тиімділігін анықтау үшін пайдалануға болады. Жоғары тазалықтағы германий (HPGe) детекторлары әдетте жоғары сезімталдыққа ие.
Сцинтилляциялық детекторлар
Сцинтилляциялық детекторлар гамма сәулелері кристалдардағы атомдармен әрекеттескенде жарық шығаратын кристалдарды қолданады. Шығарылатын жарықтың қарқындылығы, әдетте, гамма сәулесімен кристалға жеткен энергияға пропорционалды; бұл қатынастың бұзылуының белгілі бір жағдайы – ішкі және қоспаланған натрий йодидті детекторлардың < 200 кэВ сәулесін сіңіруі. Механизмі термолюминесценттік дозиметрдің жұмыс принципіне ұқсас. Детекторлар фотокөбейтілгіштерге қосылады; фотокатод жарықты электрондарға түрлендіреді; содан кейін динодтарды пайдалану арқылы дельта сәулелерін тудырып, электрондық каскадтар жасалып, сигнал күшейтіледі. Көбінесе қолданылатын сцинтилляторларға таллиймен қоспаланған натрий йодид (NaI(Tl)) – көбінесе натрий йодид (NaI) детекторлары деп аталатын – және висмут германаты (BGO) жатады. Фотокөбейтілгіштер сыртқы жарыққа да сезімтал болғандықтан, сцинтилляторлар жарық өткізбейтін қаптамалармен қапталады. Сцинтилляциялық детекторларды альфа және бета сәулесін анықтау үшін де пайдалануға болады.
Жартылай өткізгіштік детекторлар
Жартылай өткізгіш детекторлар, сондай-ақ қатты күйдегі детекторлар деп аталады, сцинтилляциялық детекторлардан түбірлі өзгеше: олар гамма-сәулелік фотондармен жиналған энергияның нәтижесінде жартылай өткізгіште пайда болатын заряд тасымалдаушыларды (электрондар мен тесіктерді) анықтауға негізделген. Жартылай өткізгіш детекторларда детектор көлеміне электр өрісі қолданылады. Жартылай өткізгіштегі электрон, гамма-сәулесінің әрекеттесуі оған өткізгіштік белдеуге өтуге жеткілікті энергия бергенше кристаллдағы валенттік белдеуде бекітіледі. Өткізгіштік белдеудегі электрондар детектордағы электр өрісіне сезімтал және осылайша электр өрісін тудыратын оң контактіге қозғалады. Электронның қозғалуынан босаған орын "тесік" деп аталады және оны жақын орналасқан электрон толтырады. Тесіктердің орын ауыстыруы оң зарядты теріс контактіге жылжытады. Электронның оң контактіге және тесіктің теріс контактіге жеткені электр сигналын тудырады, ол алдын ала күшейткішке, көп арналы анализаторға (МКА) және талдау үшін жүйе арқылы жіберіледі. Қатты күйдегі детектордағы электрондар мен тесіктердің қозғалысы, иондау камералары сияқты газға толы детекторлардың сезімтал көлеміндегі иондардың қозғалысына өте ұқсас. Көбінесе қолданылатын жартылай өткізгіш детекторларға германий, кадмий теллуриді және кадмий-мырыш теллуриді жатады. Германий детекторлары, бұрын талқыланғандай, натрий йодиді детекторларымен салыстырғанда энергияны айқындау мүмкіндігін едәуір жақсартады. Германий детекторлары қазіргі таңда қол жетімді ең жоғары ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. Дегенмен, кемшілігі – германий детекторларын жұмыс істеу үшін криогендік температура талап етіледі, әдетте сұйық азотпен салқындату арқылы.
Бір рет және екі рет құтылу шыңдары
Электрондардың тыныш массасының екі еселенгенінен (1,022 МэВ) жоғары энергиялы фотондар үшін жұп түзілуі мүмкін. Соның салдарынан пайда болған позитрон, айналасындағы электрондардың біреуімен жойылғанда, әдетте 511 кэВ энергиясы бар екі фотон тудырады. Нақты детекторда (яғни, шекті мөлшері бар детекторда) жойылғаннан кейін:
Екі фотон да өз энергиясын детекторда қалдырады. Бұл, түскен фотон энергиясына тең E биігіне әкеледі. Екі фотонның біреуі детектордан шығып кетеді және тек біреуі энергиясын детекторда қалдырады, нәтижесінде E - 511 кэВ биігі пайда болады, бұл – жалғыз қашу биігі. Екі фотон да детектордан шығып кетеді, нәтижесінде E - 2 × 511 кэВ биігі пайда болады, бұл – қос қашу биігі. Жоғарыда көрсетілген Am Be көзінің спектрі нақты өлшеуде жалғыз және қос қашу биіктерінің мысалын көрсетеді.
Калибрлеу және фондық сәулелену
Егер гамма-спектрометр белгісіз құрамдағы үлгілерді анықтау үшін қолданылса, оның энергия шкаласын бірінші кезекте калибрлеу қажет. Калибрлеу цезий-137 немесе кобальт-60 сияқты белгілі көздің максимумдарын пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Канал нөмірі энергияға пропорционалды болғандықтан, канал шкаласын энергия шкаласына түрлендіруге болады. Егер детектор кристаллының мөлшері белгілі болса, интенсивтілікті калибрлеуді де жүргізуге болады, сонда тек энергияны ғана емес, сонымен қатар белгісіз көздің интенсивтілігін немесе көздегі белгілі бір изотоптың мөлшерін анықтау мүмкін болады. Радиоактивтілік кейбір деңгейде барлық жерде болатындықтан (яғни, фондық сәулелену), спектрді ешқандай көз болмағанда талдау керек. Содан кейін нақты өлшемнен фондық сәулеленуді кесіп тастау қажет. Фондық сәулеленуді азайту үшін өлшеу аппаратының айналасына қорғасыннан жасалған абсорберлерді орналастыруға болады.
Пайдаланылған әдебиеттер
Гилмор Г, Хемингуэй Дж. Практикалық гамма сәулелік спектрометрия. John Wiley & Sons, Чичестер: 1995, Кнолл Г, Радиацияны анықтау және өлшеу. John Wiley & Sons, Inc. NY: 2000, Nucleonica Wiki. Гамма спектрі генераторы. 2008 жылғы 8 қазанда қарастырылды.