Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

I

У е (Ti) — /е (/-„)

Величину эффективности регистрации при любых других значе­ ниях расстояния источник — детектор теперь можно определять по формуле (5.22). Применение этого метода будет обеспечивать достоверность результатов, когда величина г превышает, по крайней мере в 10 раз, линейные размеры источника или чув­ ствительной области ППД.

Необходимо учитывать при этом, что средний пробег у-кван- тов в веществе с ростом энергии увеличивается, поэтому вели­ чина /эф также будет расти с увеличением энергии у-квантов. (Этот метод был применен при измерении периода полураспада 62Zn [104].) Для определения места расположения детектора в криостате и конфигурации его чувствительной области в послед­ нее время используют сканирование блока детектирования тон­ ким коллимированным пучком у-квантов различных энергий. При использовании жестких у-квантов экспериментатор имеет возможность определить конфигурацию чувствительной области по результатам сканирования в нескольких плоскостях. При использовании потока мягких у-квантов можно выявить особен­ ности расположения «мертвых» слоев ППД и различных дета­ лей (рассеивателей и поглотителей) под колпаком криостата. Данные о положении ППД в криостате можно получить из ре­ зультатов анализа полярной зависимости эффективности (анизо­ тропии).

Сопоставление характеров изменения сечений процессов взаимодействия у-квантов с германием (см. рис. 5.1), эффектив­ ности регистрации и фотовклада (см. рис. 5.12, 5.15) указывает

пиках однократной и двукратной утечки. Некоторые неудобства использования информации о пике однократной утечки отмеча­ лись в предшествующем параграфе. Более удобно использовать пик двукратной утечки, поскольку по интенсивности он в не­ сколько раз превосходит пик однократной утечки. На рис. 5.16 приведены относительные эффективности регистрации у-квантов, полученные по пику полного поглощения и по пику двукратной утечки [3]. Следует отметить, что падение эффективности по пику

221

двойной утечки при энергиях у-квантов свыше ~ 7 МэВ обуслов­ лено вылетом из пределов чувствительной области электрона и позитрона, а также потерями их энергии на тормозное излуче­ ние. При уменьшении объема чувствительной области детектора уменьшится абсолютная величина эффективности регистрации по пику двойной утечки и сместится в область меньших энергий положение максимума кривой, отображающей зависимость эф­ фективности от энергии, а также увеличится наклон правой ча­ сти этой кривой.

Рис. 5.16. Относительная эффективность регист­ рации коаксиального германиевого ППД в зави­ симости от энергии гамма-квантов по пику пол­ ного поглощения (/) и пику двойной утечки (2).

В последние годы изготовители германиевых ППД нашли технологические приемы, которые привели к тому, что современ­ ные детекторы при меньшем объеме чувствительной области обладают эффективностью регистрации, не уступающей эффек­ тивности детекторов ранних годов изготовления, имеющих боль­ шие объемы чувствительной области (на 20—30%)- Эти приемы для коаксиальных детекторов сводятся к следующим: исполь­ зуют монокристаллы германия большого диаметра (40—60 мм), толщину мертвых слоев ППД сводят к минимуму, детекторы изготовляют с удаленным р-«пальцем». Эти приемы привели к тому, что изготовителям стало невыгодно характеризовать де­ текторы объемом чувствительной области. В результате дли­ тельных поисков и споров изготовители и потребители пришли к соглашению, что можно оценивать эффективность ППД, срав­ нивая ее. с эффективностью достаточно широко распространен­ ного среди экспериментаторов детектора. Выбор пал на сцинтилляционный детектор Nal(Tl) размером 76,2x76,2 мм (при облу-

222

чеиии его у-квантами, испускаемыми изотопом G0Co). Измерения проводят при расстоянии источник-— детектор (любого типа), равном 25 см, а относительную эффективность е0тп выражают следующим образом:

у-квантов с энергией 1332,5 кэВ для ППД и Nal(Tl) соответст­ венно.

В настоящее время подготавливается публикация МЭК, ко­ торая рекомендует использовать .следующее соотношение для расчета:

В настоящее время некоторые фирмы (например, «Филипс», Нидерланды) изготавливают детекторы с относительной эффек­ тивностью до 26%- При этом энергетическое разрешение ППД по сравниваемой у-линии составляет 2,1 кэВ, а отношение пик/комптон достигает 48.

К фундаментальным измерительным характеристикам ППД, характеризующим вероятность появления выходного сигнала, который соответствует пику полного поглощения, относится чув­ ствительность детектора 5, ее определяют по формуле

у-квантов.

В этом случае чувствительность ППД будет характеризовать площадь входного окна детектора, обладающего 100%-ной эф­ фективностью. Обычно измерения проводят при расстоянии источник — центр крышки криостата 25 см.

На рис. 5.17 приведены эмпирические зависимости чувстви­ тельности отечественных ППД типов ДГД, ДГДК, ДГДПК и ДГДКК от объема чувствительной области для у-квантов 60Со с энергией 1332,5 кэВ и 137 Cs с энергией 661,60 кэВ *. Получен­ ные эмпирические зависимости можно использовать для опре­ деления объема чувствительной области ППД при условии, что толщина чувствительной области лежит в пределах 3—8 мм.

223

был эвристическим, а подбор необходимых коэффициентов осу­ ществлялся методом наименьших нелинейных квадратов. Ре­ зультирующую формулу получили в виде

V = (20 •5 661,6 — 33 •S t3 3 2 ,5 )/ 1 7 ,

где V— объем чувствительной области, см3; 5 — чувствитель­ ность детектора, мм2.

Учитывая широкое применение гамма-спектрометров с ППД,

в технике физического эксперимента. Однако на практике неред­ ко случается, что имеющийся у экспериментатора детектор не имеет соответствующего аналога. Поэтому были предприняты поиски полуэмпирических зависимостей эффективности регист­ рации в пике полного поглощения от энергии у-кванта [111— 115].

224

В энергетическом диапазоне от 200 до 1500 кэВ получили следующую зависимость:

В результате выполненных исследований на большом количе­ стве детекторов обнаружили, что у многих испытанных детек­ торов наблюдается падение эффективности регистрации во вре­ мени [116]. Этому явлению пока еще не найдено приемлемого объяснения, однако фирмы, выпускающие детекторы, утверж­ дают, что в технологию производства детекторов внесены изме­ нения для стабилизации эффективности регистрации во времени.

При спектрометрических измерениях экспериментатор неред­ ко встает перед необходимостью определения истинного спектра у-квантов по его аппаратурному отображению (аппаратурный спектр). Другими словами, нужно определить энергию падаю­ щих у-квантов и их интенсивность посредством информации, связанной с аппаратурным пиком. Эту задачу условно можно разбить на две.

Первая задача: по положению пика определить наиболее вероятную энергию у-кванта. Способы определения положения пика в каналах анализатора были рассмотрены выше. Поэтому можно считать, что нужно определить энергию зарегистрирован­ ного у-кванта по положению пика. Однако большинство реаль­ ных измерительных систем спектрометров не имеет абсолютно линейного коэффициента преобразования энергии у-кванта в вы­ ходной сигнал. Поэтому необходимо найти точное соотношение между энергией у-кванта и каждым каналом анализатора, в ко­ тором зарегистрирован аппаратурный спектр. В действительно­ сти измерительные системы — спектрометры характеризуются величиной интегральной нелинейности, которая является мерой отклонения от линейного закона преобразования энергии у-кваш та в выходной сигнал.

Для определения истинного коэффициента преобразования спектрометра используют метод многих источников. Его сущ­ ность состоит в том, что спектрометр регистрирует набор моноэиергетмческих у-квантов известной энергии либо одновременно, либо в некоторой последовательности. Затем строят зависимость положения максимумов пиков от энергии соответствующих у-квантов. Через полученные экспериментально точки проводят кривую, параметры которой подбирают методом наименьших нелинейных квадратов. Эта кривая выражает зависимость коэф­ фициента преобразования спектрометра от энергии и позволяет по положению пика определить соответствующую ему энергию8

у-кванта. Погрешность определения энергии у-кванта будет за­ висеть от количества калибровочных у-линий вблизи опреде­ ляемой.

Для энергетической калибровки гамма-спектрометров очень удобен следующий способ. Он обусловлен использованием ра­ диоизотопного источника, который имеет каскадный переход (Р+, у). В качестве детектора наиболее целесообразно использо­ вать ППД с колодцем, в который помещают указанный источ­

Из-за того, что у-квант, испускаемый радиоизотопным источни­ ком, коррелирован во времени с позитроном, на аппаратурном спектре будут пики, соответствующие энергиям Еу, £\> + 511 кэВ и £\,+ 1022 кэВ. Если энергия у-кванта Еу превышает порог эффекта образования пары электрон — позитрон, то на аппара­ турном спектре будут зарегистрированы пики однократной и двукратной утечки, т. е. Еу—511 кэВ и Еу — 1022 кэВ.

При этом нужно учитывать, что если пики однократной или двукратной утечки будут расположены между пиками, соответ­ ствующими регистрации одного и двух аннигиляционных у-кван- тов, энергия первых может быть определена с очень высокой точностью. Обусловлено это тем, что энергия т0с2 определена

внастоящее время с погрешностью, не превышающей 2 эВ.

Втабл. 5.5 приведены энергии у-квантов, испускаемых неко­

торыми изотопами, которые можно использовать для энергети-

226