Введение
Количественное изучение энергетических спектров источников гамма-излучения
Гамма-спектроскопия – это качественное изучение энергетических спектров источников гамма-излучения, применяемое, например, в ядерной промышленности, геохимических исследованиях и астрофизике. Гамма-спектрометрия, в свою очередь, представляет собой метод получения количественного измерения спектра. Большинство радиоактивных источников испускают гамма-лучи различной энергии и интенсивности. При детектировании и анализе этих излучений с помощью спектроскопической системы формируется энергетический спектр гамма-излучения. Детальный анализ этого спектра обычно используется для определения состава и количества гамма-излучателей, присутствующих в источнике, и является важным инструментом радиометрического анализа. Гамма-спектр характерен для гамма-излучающих нуклидов, содержащихся в источнике, подобно тому, как оптический спектр характерен для материала, содержащегося в образце, в оптической спектрометрии.
Характеристики гамма-лучей
Гамма-лучи — это форма электромагнитного излучения с самой высокой энергией, физически идентичная всем другим формам (например, рентгеновским лучам, видимому свету, инфракрасному излучению, радиоволнам), но обычно обладающая большей энергией фотонов из-за более короткой длины волны. Благодаря этому энергию гамма-фотонов можно измерять по отдельности, а гамма-спектрометр способен измерять и отображать энергии обнаруженных гамма-фотонов. Радиоактивные ядра (радионуклиды) обычно испускают гамма-лучи в диапазоне энергий от нескольких кэВ до ~10 МэВ, что соответствует типичным энергетическим уровням в ядрах с относительно длительным временем жизни. Такие источники обычно создают гамма-лучи в виде "линейчатых спектров" (то есть множества фотонов, испускаемых на дискретных энергиях), в то время как гораздо более высокие энергии (свыше 1 ТэВ) могут наблюдаться в континуальных спектрах, регистрируемых в астрофизике и физике элементарных частиц. Граница между гамма-лучами и рентгеновскими лучами несколько размыта. Гамма-лучи всегда возникают в результате переходов между энергетическими уровнями ядер атомов и являются моноэнергетичными, тогда как рентгеновские лучи генерируются электрическим путем (рентгеновская трубка, линейный ускоритель) и имеют широкий энергетический спектр.
Компоненты гамма-спектрометра
Основными компонентами гамма-спектрометра являются энергочувствительный детектор излучения и электронные устройства, анализирующие выходные сигналы детектора, такие как импульсный сортировщик (то есть многоканальный анализатор). Дополнительные компоненты могут включать усилители сигнала, счётчики скорости, стабилизаторы положения пика и устройства обработки данных.
Детектор
Гамма-спектроскопические детекторы – это пассивные материалы, способные взаимодействовать с приходящими гамма-лучами. Наиболее важными механизмами взаимодействия являются фотоэффект, эффект Комптона и образование пар. В результате этих процессов энергия гамма-луча поглощается и преобразуется в сигнал напряжения путем регистрации разности энергий до и после взаимодействия (или, в сцинтилляционном счетчике, испускаемых фотонов с помощью фотоумножителя). Напряжение генерируемого сигнала пропорционально энергии зарегистрированного гамма-луча. Распространенные материалы для детекторов включают сцинтилляционные счетчики йодида натрия (NaI) и детекторы германия высокой чистоты. Для точного определения энергии гамма-луча желательно, чтобы происходил фотоэффект, поскольку он поглощает всю энергию падающего луча. Поглощение всей энергии также возможно, когда в объеме детектора происходит последовательность этих механизмов взаимодействия. При взаимодействии Комптона или образовании пар часть энергии может покинуть объем детектора, не будучи поглощенной. Поглощенная энергия, таким образом, создает сигнал, аналогичный сигналу от луча с меньшей энергией. Это приводит к появлению спектральной составляющей, перекрывающей области более низких энергий. Использование детекторов большего объема снижает этот эффект. К более сложным методам снижения этого эффекта относятся использование экранов подавления Комптона и применение сегментированных детекторов с функцией восстановления энергии (см. детектор типа "клевер").
Приобретение данных
Импульсы напряжения, генерируемые для каждого гамма-луча, взаимодействующего в объеме детектора, затем анализируются многоканальным анализатором (MCA). В MCA импульсообразующий усилитель принимает переходный сигнал напряжения и преобразует его в гауссову или трапециевидную форму. Из этой формы сигнал затем преобразуется в цифровую форму с помощью быстрого аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В новых системах с АЦП очень высокой частотой дискретизации аналого-цифровое преобразование может выполняться без переформирования. Дополнительная логика в MCA затем выполняет анализ высоты импульса, сортируя импульсы по их высоте в определенные интервалы или каналы. Каждый канал представляет собой определенный диапазон энергии в спектре, а количество обнаруженных сигналов для каждого канала представляет собой спектральную интенсивность излучения в этом энергетическом диапазоне. Изменяя количество каналов, можно точно настроить спектральное разрешение и чувствительность. MCA может передавать свои данные на компьютер, который хранит, отображает и дополнительно анализирует данные. Различные программные пакеты доступны от нескольких производителей и обычно включают инструменты анализа спектра, такие как калибровка по энергии (преобразование интервалов в энергии), расчет площади пика и чистой площади, а также расчет разрешения. USB звуковая карта может служить недорогим, готовым к использованию АЦП, технология, разработанная Мареком Доллеизером. Специализированное компьютерное программное обеспечение выполняет анализ высоты импульса на оцифрованной форме сигнала, формируя полноценный MCA. Звуковые карты имеют высокоскоростные, но низкоразрядные (до 192 кГц) чипы АЦП, обеспечивающие приемлемое качество при низкой и средней скорости счета. "Спектрометр на основе звуковой карты" был дополнительно усовершенствован в любительских и профессиональных кругах.
Производительность детектора
Системы гамма-спектроскопии выбираются, чтобы использовать ряд эксплуатационных характеристик. Две из наиболее важных – это разрешение и эффективность детектора.
Разрешение детектора
Гамма-лучи, зарегистрированные в спектроскопической системе, образуют пики в спектре. Эти пики также могут называться линиями по аналогии с оптической спектроскопией. Ширина пиков определяется разрешением детектора – очень важной характеристикой гамма-спектроскопических детекторов, и высокое разрешение позволяет спектроскописту разделять две гамма-линии, близко расположенные друг к другу. Гамма-спектроскопические системы разрабатываются и настраиваются для получения симметричных пиков с максимально возможным разрешением. Форма пика обычно соответствует гауссовскому распределению. В большинстве спектров горизонтальное положение пика определяется энергией гамма-луча, а площадь пика – интенсивностью гамма-луча и эффективностью детектора. Наиболее часто используемой величиной для оценки разрешения детектора является полная ширина на полувысоте максимума (FWHM). Это ширина гамма-пика на уровне половины его максимального значения. Значения разрешения приводятся для определенных энергий гамма-лучей. Разрешение может быть выражено как в абсолютных (т.е. эВ или МэВ), так и в относительных единицах. Например, детектор йодида натрия (NaI) может иметь FWHM 9,15 кэВ при 122 кэВ и 82,75 кэВ при 662 кэВ. Эти значения разрешения выражены в абсолютных величинах. Для выражения разрешения в относительных единицах FWHM в эВ или МэВ делится на энергию гамма-луча и обычно указывается в процентах. Используя приведенный пример, разрешение детектора составляет 7,5% при 122 кэВ и 12,5% при 662 кэВ. Детектор на основе германия может обеспечивать разрешение 560 эВ при 122 кэВ, что соответствует относительному разрешению 0,46%.
Эффективность детектора
Не все гамма-лучи, испускаемые источником и проходящие через детектор, будут зарегистрированы системой. Вероятность того, что испущенный гамма-луч взаимодействует с детектором и приводит к регистрации события, называется эффективностью детектора. Детекторы с высокой эффективностью позволяют получить спектры за меньшее время, чем детекторы с низкой эффективностью. Как правило, детекторы большего размера обладают более высокой эффективностью, чем детекторы меньшего размера, хотя экранирующие свойства материала детектора также играют важную роль. Эффективность детектора измеряется путем сравнения спектра от источника с известной активностью с наблюдаемыми скоростями счета в пиках и ожидаемыми скоростями счета, рассчитанными на основе известных интенсивностей каждого гамма-луча. Эффективность, как и разрешение, может быть выражена в абсолютных или относительных величинах. Используются одинаковые единицы измерения (например, проценты), поэтому спектроскописту необходимо точно определять, какой тип эффективности указан для детектора. Абсолютная эффективность представляет собой вероятность взаимодействия и регистрации гамма-луча определенной энергии, проходящего через детектор. Относительная эффективность часто используется для германиевых детекторов и сравнивает эффективность детектора при 1332 кэВ с эффективностью детектора NaI размером 3 × 3 дюйма (т.е. 1,2 × 10−3 cps/Бк на расстоянии 25 см). Следовательно, при работе с очень большими германиевыми детекторами можно встретить значения относительной эффективности, превышающие сто процентов. Энергия детектируемых гамма-лучей является важным фактором, влияющим на эффективность детектора. Зависимость эффективности от энергии может быть представлена в виде графика эффективности, построенного для различных энергий. Этот график затем можно использовать для определения эффективности детектора при энергиях, отличных от тех, которые использовались для построения графика. Детекторы германия высокой чистоты (HPGe) обычно обладают более высокой чувствительностью.
Деттекторы сцинтилляции
Сцинтилляционные детекторы используют кристаллы, которые излучают свет при взаимодействии гамма-лучей с атомами в кристаллах. Интенсивность излучаемого света обычно пропорциональна энергии, переданной кристаллу гамма-лучами; хорошо известным исключением из этого соотношения является поглощение излучения с энергией менее 200 кэВ детекторами йодида натрия как чистого, так и легированного. Механизм схож с принципом работы термолюминесцентного дозиметра. Детекторы соединены с фотоумножителями, где фотокатод преобразует свет в электроны, а затем, посредством динодов и генерации электронных лавин за счет образования дельта-электронов, происходит усиление сигнала. К распространенным сцинтилляторам относятся йодид натрия, легированный таллием (NaI(Tl)) – часто называемый просто йодидом натрия (NaI) – и германат висмута (BGO). Поскольку фотоумножители чувствительны к внешнему свету, сцинтилляторы помещаются в светонепроницаемые корпуса. Сцинтилляционные детекторы также могут использоваться для регистрации альфа- и бета-излучения.
Детекторы на полупроводниковой основе
Полупроводниковые детекторы, также называемые детекторами твердого состояния, принципиально отличаются от сцинтилляционных детекторов: они основаны на обнаружении носителей заряда (электронов и дырок), генерируемых в полупроводниках энергией, переданной гамма-квантами. В полупроводниковых детекторах к объему детектора приложено электрическое поле. Электрон в полупроводнике удерживается в валентной зоне кристалла до тех пор, пока взаимодействие с гамма-квантом не придаст ему достаточной энергии для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости реагируют на электрическое поле в детекторе и, следовательно, перемещаются к положительному контакту, создающему это поле. Образовавшаяся при перемещении электрона вакансия называется "дыркой" и заполняется соседним электроном. Этот перенос дырок фактически перемещает положительный заряд к отрицательному контакту. Прибытие электрона к положительному контакту и дырки к отрицательному контакту создает электрический сигнал, который поступает в предварительный усилитель, многоканальный анализатор (МКА) и далее в систему для анализа. Движение электронов и дырок в твердотельном детекторе очень похоже на движение ионов в чувствительном объеме газонаполненных детекторов, таких как ионизационные камеры. К распространенным полупроводниковым детекторам относятся германий, теллурид кадмия и теллурид цинка-кадмия. Германиевые детекторы обеспечивают значительно более высокое энергетическое разрешение по сравнению с детекторами на йодиде натрия, как было объяснено в предыдущем обсуждении разрешения. Германиевые детекторы демонстрируют наивысшее разрешение, доступное в настоящее время. Однако их недостатком является необходимость криогенных температур для работы, обычно достигаемых охлаждением жидким азотом.
Однократные и двойные пики выхода
Для энергий инцидентных фотонов E, превышающих удвоенную массу покоя электрона (1,022 МэВ), может происходить образование электронно-позитронной пары. Образовавшийся позитрон аннигилирует с одним из окружающих электронов, обычно порождая два фотона с энергией 511 кэВ. В реальном детекторе (то есть детекторе конечного размера) возможно, что после аннигиляции:
Оба фотона регистрируют свою энергию в детекторе. Это приводит к пику с энергией E, идентичной энергии инцидентного фотона. Один из двух фотонов покидает детектор, и только один фотон регистрирует свою энергию в детекторе, что приводит к пику с энергией E − 511 кэВ, пику одинарного вылета. Оба фотона покидают детектор, что приводит к пику с энергией E − 2 × 511 кэВ, пику двойного вылета. Приведённый выше спектр источника Am Be демонстрирует пример пиков одинарного и двойного вылета в реальном измерении.
Калибровка и фоновое излучение
Если для идентификации образцов неизвестного состава используется гамма-спектрометр, то сначала необходимо откалибровать его энергетическую шкалу. Калибровка выполняется по пикам известного источника, например, цезия-137 или кобальта-60. Поскольку номер канала пропорционален энергии, шкала каналов может быть преобразована в энергетическую шкалу. Если известен размер кристалла детектора, можно также выполнить калибровку по интенсивности, чтобы определить не только энергии, но и интенсивности неизвестного источника, или количество определенного изотопа в источнике. Поскольку некоторая радиоактивность присутствует повсеместно (то есть фоновое излучение), спектр следует анализировать в отсутствие источника. Затем фоновое излучение необходимо вычесть из фактического измерения. Для уменьшения фонового излучения вокруг измерительного аппарата можно разместить свинцовые поглотители.
Цитируемые работы
Гилмор Г., Хемингуэй Дж. Практическая гамма-спектрометрия. John Wiley & Sons, Чичестер: 1995, Knoll G. Обнаружение и измерение ионизирующего излучения. John Wiley & Sons, Inc. Нью-Йорк: 2000, Nucleonica Wiki. Генератор гамма-спектров. Просмотрено 8 октября 2008 г.