Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

В ядерной спектрометрии

Регистрация a-частиц. Полупроводниковые детекторы a -частиц имеют большие преимущества перед сцинтилляционными кристаллами и ионизационными камерами, обычно применявшимся для регистрации a -частиц. Детекторы имеют более высокую разрешающую способность, достигающую 10…12 кэВ при Е_a = 2 МэВ. Лишь магнитные спектрометры обладают лучшей разрешающей способностью, однако эти приборы очень дороги, громоздки и имеют малую светосилу. Реальная разрешающая способность детекторов далека от статистически предельной (4 кэВ при Е_a = 6 МэВ, F = 0,15 для Si).Одной из причин такого отставания является существования окна, в котором a-частицы теряют часть своей энергии. Этот эффект заметен даже для тонких (30 мкг/см²) окон. Кроме того, на разрешающую способность влияет рекомбинация носителей, которая особенно существенна ввиду большой плотности ионизации, создаваемой a -частицами. Альфа – пики в ядерных реакциях дополнительно уширены за счёт кинематических эффектов, однако путём соответствующей математической обработки это явление может быть учтено.

Благодаря малому времени нарастания импульса a -детекторы часто используются в схемах a-g- совпадений. Этому также благоприятствуют высокая эффективность детекторов и большой телесный угол. Высокое энергетическое разрешение a- детекторов даёт возможность выделить спектр g - лучей, совпадающих только с одной группой a-частиц.

Регистрация электронов. Для регистрации электронов чаще используют поверхностно- барьерные и диффузные детекторы, этих типов имеют меньшую толщину мёртвого слоя по сравнению с дрейфовыми детекторами. Лишь для регистрации электронов с большой энергией выгоднее использовать дрейфовые детекторы в связи с тем, что толщина их чувствительного слоя больше. Например, для полной регистрации электронов с энергией 1 МэВ толщина чувствительного слоя в кремниевом детекторе должна быть не менее 1,5 мм. В диффузном детекторе такую толщину создать трудно, в то время как в Si(Li)- детекторе можно довести чувствительный слой до 1 см. В спектрометрии электронов предпочитают использовать детекторы, изготовленные на основе кремния (Z =14), так как для германиевых детекторов (Z =32) велик коэффициент обратного рассеяния. Для получения высокого энергетического разрешения детекторы необходимо охлаждать.

Несмотря на то что детекторы для регистрации электронов используется сравнительно давно, их влияние на b -спектрометрию до сих пор было невелико. Это объясняется тем, что существующие магнитные b - спектрометры имеют более высокое разрешение и дают более чистые спектры: в них нет фона от комптоновских электронов g - лучей. Однако полупроводниковые детекторы электронов гораздо дешевле и проще в эксплуатации, чем магнитные спектрометры, а достигнутая разрешающая способность детекторов (1…3 кэВ при Е_е = 630 кэВ) во многих случаях достаточна для изучения спектров электронов. Следует также отметить, что детекторы позволяют одновременно регистрировать весь спектр электронов, имеют большую светосилу (благодаря большому телесному углу), могут использоваться в опытах по излучению е-g- совпадений и угловых корреляций. Эффективность полупроводниковых детекторов (отношение числа зарегистрированных электронов к числу электронов, попавших на детектор в единицу времени) в отличие от магнитных спектрометров может зависеть от энергии электронов. Если чувствительный слой детектора недостаточно толст для полного поглощения электронов с данной энергией, то некоторые из них не будут зарегистрированы. Необходимо учитывать также поглощение электронов в мёртвом слое детектора и эффект обратного рассеяния электронов от поверхности детектора. Коэффициент обратного рассеяния почти не зависит от энергии электронов(~ 25 % в широком диапазоне энергий), но зависит от геометрии опыта.

g - Спектрометрия. Появление g- спектрометров с Ge(Li)- детекторами коренным образом повлияло на g - лучей, полученные с помощью Ge(Li)- детекторов, показали какие большие достоинства имеет новый метод регистрации g - лучей. Схема регистрации g-лучей полупроводниковым спектрометром показана на рис. 3.

Рис. 3

Падающие g -лучи непосредственно не образуют электронно-дырочные пары, они могут взаимодействовать с атомами кристалла с образованием фотоэлектронов или передавать энергию электронам кристалла в процессе комптоновского рассеяния. Вторичные электроны могут создавать электронно-дырочные пары, которые собираются электростатическим полем. Соответствующие электрические импульсы регистрируются радиотехнической аппаратурой. Амплитудное распределение импульсов, возникающих при регистрации g -излучения ¹³⁷Cs с энергией 662 кэВ Ge(Li)-детектором показано на рис. 4.

Рис. 4

Наблюдается характерный узкий пик, соответствующий поглощению g -лучей. При меньших энергиях наблюдается сплошной спектр импульсов, соответствующих частичному поглощению g -лучей. Эта часть спектра обусловлена комптоновски рассеянными лучами. Максимальная энергия, которая может быть передана электрону в одном акте комптоновского рассеяния, равна

Е_е(max)=E_g /[1+(m₀c²)/2 E_g ]. (7)

Эта энергия соответствует комптоновскому краю, показанному на рис. 11 стрелкой. Имеется определённая вероятность того, что комптоновски рассеянный g -квант снова будет взаимодействовать с атомами кристалла и может быть зарегистрирован. Эта вероятность зависит от размера кристалла. Отношение площадки пика полного поглощения к площади комптоновского распределения увеличивается с увеличением размеров кристалла. Площадь пика полного поглощения, который является наиболее характерной чертой спектра, в основном определяется сечением фотоэффекта. На рис. 5 показана зависимость сечения взаимодействия g -квантов с кремниевыми (-) и германиевыми кристаллами (….) от энергии g -квантов (1 – фотоэффект, 2 – комптон-эффект, 3 – образование пар).

s (отн. ед)

10 2

0,1

50 100 500 1000 5000 Е_g, кэВ

Рис. 5. Сечения взаимодействия гамма-квантов с кремнием и германием

Вероятность фотоэффекта в Ge примерно в (Z₁/Z₂) ⁵ =(32/14)⁵»40 раз больше, чем в Si, поэтому для изготовления g -детекторов следует использовать германий. Очевидно, что материалы с ещё большим Z являются более предпочтительными. В качестве таких материалов предлагаются CdTe, HgI₂ и InSb, однако широкого распространения эти кристаллы пока не получили.

g -Лучи с энергией более 2 m₀c ² (1,022 МэВ) могут поглощаться в веществе с образованием пар электрон-позитрон. Сечение этого процесса быстро возрастает с энергией и при энергии 1,5 МэВ в германии оно становится равным сечению фотоэффекта. При энергии более 2 МэВ вклад образования пар в пик полного поглощения становится преобладающим. Процесс образования пар сопровождается появлением в спектре так называемых пиков вылета. Происхождение этих пиков схематично показано на рис. 6.

Рис. 6. Образование пиков вылета

При аннигиляции позитрона возникают два g -кванта, каждый с энергией m₀c ²=511,0 кэВ. Если оба аннигиляционных g -кванта не зарегистрируются кристаллом, то получается пик при энергии Е_g- 2 m₀c ². Для небольших кристаллов это наиболее вероятный процесс. Возможен случай, когда только один из аннигиляционных g -квантов покинет кристалл. Это сопровождается появлением пика при энергии Е_g- m₀c ². Возможно также поглощение обоих g -квантов. Таким образом, взаимодействие каждого жёсткогокванта сопровождаетсяпоявлением в спектре трёх пиков, смещённых друг относительно друга на 511,0 кэВ. Пример такого спектра показан на рис. 7.

Рис. 7. Пики вылета для гамма-лучей 2614 кэВ ²⁰⁸Tl

Пики вылетачасто используются для калибровки g-спектрометров по энергии. Основными факторами, влияющими на энергетическое разрешение, являются:

1. статистические флуктуации в процессах образования пар электрон-дырка и собирания их на электродах;

2. токи утечки детектора;

3. шумы предусилителей.

При энергии g -квантов менее 100 кэВ наибольший вклад в ширину линии вносят токи утечки и шумы предусилителя, при больших энергиях более существенными становятся статистические флуктуации, которые дают преобладающий вклад при Е_g ³ 2 МэВ. Если считать фактор Фано для германия равным F =0,16, то ожидаемая полуширина g -линии с энергией 1 МэВ равна 1,8 кэВ.

Отставание реально достигнутого разрешения от предельно возможного объясняется эффектом неполного сбора заряда в больших кристаллах из-за их неоднородности. Этот эффект уменьшается при повышении напряжения на детекторе, однако при больших напряжениях становится заметными токи утечки.

Использование полупроводниковых детекторов в g -спектроскопии позволило существенно повысить точность измерения энергии g -лучей, что весьма важно для установления энергетических уровней атомных ядер. Точность определения энергии gлучей зависит:

1. от точности определения максимума линии;

2. от точности калибровки g -спектрометра;

3. от дрейфа усиления во всём тракте;

4. от линейности анализирующей системы.

Точность в определении положения линии зависит от числа набранных импульсов и от знания формы линии. Использование ЭВМ даёт возможность определения максимума линии с погрешностью ~ 1 % от её полуширины, что составляет ~ 10 эВ при Е_g =500 кэВ. Современные радиотехнические устройства обеспечивают линейность передачи в широком диапазоне энергий. Небольшие отклонения от линейности обычно не превышают

~ 0,3% в пределах 100…2000 кэВ и не оказывают существенного влияния на точность измерений, так как g- спектрометр может быть прокалиброван по многим линиям с хорошо известной энергией. Зависимость положения линии в спектре от энергии апроксимируется полиномом, обычно 3…6 степени.

При изучении спектров g - лучей важно определять не только значения энергий линий, но их интенсивность. Интенсивность наблюдаемых в спектре линий зависит от эффективности спектрометра, которая определяется свойствами детектора и телесным углом.

Чаще всего интенсивность определяется по пику полного поглощения. При низких энергиях (Е_g = 200 кэВ) большая часть пика полного поглощения вызывается фотоэффектом. При небольших энергиях заметен вклад от комптоновского рассеяния. Разница между кривыми возникает за счет комптоновски рассеянных g -лучей. Для больших кристаллов вклад от многократного рассеяния ещё больше. Этот вклад можно рассчитать статическим методом (метод Монте-Карло). В настоящее время чувствительный объём получен в Ge(Li)- детекторах коаксиального типа более 250 см³. Эффективность таких детекторов близка к эффективности сцинтилляционных кристаллов средних размеров. Ограничение объёма чувствительного слоя связано с качеством имеющихся заготовок германия.