Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

ческой калибровки шкалы гамма-спектрометров. В табл. 5.6 и 5.7 приведены энергии и интенсивности у-квантов, которые мо­ гут быть использованы для калибровки спектрометров.

Т а б л и ц а 5.6

Энергии и относительные интенсивности линии у-квантов 5GCo

Т а б л и ц а 5.7

Энергии и относительнее интенсивности линий у-квантов 75Se

Интересный способ калибровки шкалы гамма-спектрометра был предложен в работе [96]. Этот способ основан на использо­ вании цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), управляемо­ го ЭВМ. Достоинства метода калибровки с ЦАП: 1) можно определить полностью коэффициент преобразования в рабочем диапазоне гамма-спектрометра, даже с учетом локальных нели-

8* 227

нейностей; 2) аппаратурный спектр с ЦАП можно набирать одновременно с информацией от ППД; 3) используя ЭВМ, мож­ но воссоздать п моделировать любые спектры; 4) можно легкоперекрыть любой требуемый участок энергетического диапазона; 5) метод калибровки спектрометра с ЦАП позволяет легко пе­ рейти к анализу данных.

в том, что реальная форма сигнала, обеспечиваемая соответст­ вующими устройствами с ЦАП, не идентична форме реального1 сигнала ППД.

Отмеченные выше способы широко используют в эксперимен­ тальной практике, они позволяют определять энергию у-квантов с погрешностью в пределах КН*— 10-5. Более подробно данныепо энергиям у-квантов приведены в работах [117— 135]. Для ка­ либровки гамма-спектрометров в диапазоне от 1 до 10 МэВ в настоящее время широко используют у-излучение, сопровож­ дающее радиационный захват нейтронов и различные ядерные реакции [118, 136— 141].

Вторая задача, связанная с определением интенсивности у-линии по аппаратурному спектру, состоит в точном определе­ нии эффективности регистрации у-излучения. Зависимость эф­ фективности регистрации от энергии у-квантов можно найти при использовании либо у-источников известной активности, либо у-излучателей с каскадными переходами, относительные интенсивности которых известны. Обычно первый способ связан с большими погрешностями определения эффективности из-за трудностей воспроизведения геометрических условий при смене у-источников, погрешностей определения активности у-источни­ ков и пр. Более предпочтителен поэтому второй способ, который преимущественно нашел применение в исследовательской прак­ тике. Данные по интенсивности отдельных у-квантов каскадов приведены в табл. 5.6 и 5.7. Можно использовать также у-источ- ники естественных радиоактивных элементов, находящихся в равновесии со своими дочерними продуктами [122].

Как показала практика, для применения в тех или иных ус­ ловиях перечисленные параметры (энергетическое разрешение, эффективность, фотовклад, отношение фотопик/комптон и др.) не являются исчерпывающими для оценки применимости того или иного детектора в конкретных условиях физического экспе­ римента. Это привело к тому, что в ряде работ различные авто­

145]) авторы говорят о конкретных применениях детекторов для решения вполне определенных задач. Такое обилие дополннтель-

228

но вводимых характеристик объясняется, по-видимому, тем, что информативность спектрометров с ППД чрезвычайно высока, а само направление спектрометрии с ППД и ее прикладные направления быстро развиваются. Вероятно, только в будущем, по мере накопления опыта работы с ППД и аппаратурой, в ко­ торой они используются, можно будет обоснованно говорить о целесообразности введения новых характеристик, определяю­ щих метрологические и измерительные качества ППД. Нужно учесть также появление в недалеком будущем целой серии ППД из новых полупроводниковых материалов, возможности и свойства которых еще полностью не раскрыты.

§ 5.5. ГАММА-СПЕКТРОМЕТРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Одна из основных задач прикладной спектрометрии состоит в том, чтобы по зарегистрированному (вторичному) аппаратур­ ному спектру определить истинное (первичное) распределение у-квантов по энергиям. В этом смысле экспериментатора, без сомнения, удовлетворил бы спектрометр, отвечающий требова­ ниям идеального [68, 69]. Современная техника, к сожалению, может только в какой-то мере обеспечить приближение пара­ метров гамма-спектрометра к идеальным. Поэтому исследова­ тель всегда стремится к тому, чтобы аппаратурный спектр как можно ближе соответствовал бы истинному спектру энергий регистрируемых квантов. При этих условиях интерпретация аппаратурного отображения истинного спектра становится до­ статочно точной и простой и, кроме того, в этом случае не тре­ буется довольно трудоемких математических методов обработки результатов измерений.

Самый простой способ решения поставленной задачи состоит в использовании полупроводникового детектора, эффективность регистрации которого была бы постоянной или по крайней мере слабо изменялась в диапазоне энергий регистрируемых квантов, площадь пика полного поглощения была бы доминирующей частью аппаратурного спектра (т. е. фотовклад близок к еди­ нице) и, наконец, разрешение пика полного поглощения имело бы минимально возможное значение, определяемое в основном

к выбору оптимального ППД для условий конкретной измери­ тельной задачи. Реализация этих требований обычно дости­ гается при использовании так называемых гамма-спектрометров с улучшенной формой аппаратурной линии. Существующие спек­ трометры этого типа можно систематизировать в соответствии со схемой, приведенной на рис. 5.18. Определяющий признак, характеризующий качества спектрометра, с помощью которого достигается упрощение аппаратурного спектра, — количество ис­ пользуемых в спектрометре детекторов. Поэтому широкую но­

229

менклатуру типов спектрометров разбивают иа две группы: однодетекторные и многодетекторные. Если в одиодетекторных спектрометрах аппаратурные возможности определяются в ос­ новном только параметрами одного ППД, то в многодетектор­ ных спектрометрах — совокупностью параметров детекторов (полупроводниковых и сцинтилляционных, если используются последние): их геометрическими размерами, взаимным распо-

Рис. 5.18. Разновидности гамма-спектрометров с ППД.

ложением, а также параметрами электронной аппаратуры, обра­ батывающей сигналы используемых детекторов (амплитудновременная селекция, сложение и др.). Последующие разделы этого параграфа посвящены рассмотрению особенностей по­ строения спектрометров с улучшенной формой аппаратурной линии, их блоков детектирования, а также областей их приме­ нения.

Спектрометры полного поглощения. Хорошо известно, что на форму пиков полного поглощения в спектрах, снятых на гаммаспектрометре с ППД, мало влияет рассеянное излучение, а из­ менения энергетического разрешения не сказываются на вели­ чине площади под пиком. Следовательно, из всего спектра меньше всего подвержен искажению пик полного поглощения, происхождение которого, как отмечалось выше, связано с фото­ поглощением и процессами многократного рассеяния у-квантов в материале детектора. Благодаря этому при решении приклад­ ных задач с применением гамма-спектрометра с ППД искомые величины нередко определяют, анализируя пики полного погло­ щения. Подобный анализ чаще всего связан с определением значений энергии у-квантов по положению пиков полного погло­

230

щения и величин площадей под ними. Поэтому, чтобы выпол­ нить такой анализ пика полного поглощения, необходимо в из­ меренном у-спектре выделить его достаточно четко.

Серьезный недостаток гамма-спектрометров с германиевыми детекторами с небольшими объемами чувствительной области — сложная форма их аппаратурной линии. Это затрудняет обра­ ботку измеренных спектров для получения необходимых экспе­ риментальных данных, особенно когда регистрируемое излуче­ ние содержит несколько групп моноэнергетических квантов, среди которых имеются слабоинтенсивные линии. В таком слу­ чае пики полного поглощения слабой интенсивности могут на­ кладываться на непрерывные распределения от более жестких и интенсивных линий, что еще больше усложняет форму изме­ ренного спектра и делает почти невозможным его интерпрета­ цию без применения дорогостоящих и трудоемких машинных методов.

При больших энергиях (Еу > 2 т 0с2) в аппаратурном спектре дополнительно появляются пики вылета одного и двух анниги­ ляционных квантов, связанных с процессами образования пар в результате взаимодействия жестких у-квантов с веществом де­ тектора. Для таких энергий существенными становятся и иска­ жения вследствие утечки с поверхности кристалла электронов и тормозных квантов. Все это приводит к увеличению площади под непрерывным распределением и, следовательно, к уменьше­ нию величины фоточасти спектра. Один из путей преодоления

На рис. 5.19 приведены амплитудные распределения от моно­ хроматических у-квантов с энергией 661,6 кэВ, испускаемых при распаде радиоактивного изотопа ,37Cs. Спектры измеряли с Ge(Li) -детекторами разных объемов: кривая 1 соответствует планарному детектору с объемом примерно 6 см3, а кривая 2 — коаксиальному детектору с чувствительным объемом около 56 см3. Для сравнения амплитудные распределения отнормированы по фотопику, при этом оба детектора имели одинаковое энергети­ ческое разрешение, по величине равное 4 кэВ по у-линии 1,33 МэВ изотопа а0Со. Спектры наглядно демонстрируют эф­ фект перекачки импульсов из области непрерывного распреде­ ления в пик полного поглощения при увеличении объема де­ тектора.

Приведенные выше данные показывают, что у-кванты в диа­ пазоне энергий от 0,2 до 3,0 МэВ взаимодействуют с германием в. основном путем комптоновского эффекта.

энергии 1,5 МэВ вероятность фотопоглощения имеет значение всего лишь 0,6%, а при этом вероятность комптоновского рас­

231