Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

сеяния достигает своего максимального значения — 98,4%- Исхо­ дя из сказанного, на первый взгляд может показаться, что в у-спектре, измеренном на Ge(Li)-детекторе при поглощении в нем у-квантов с энергией 1,5 МэВ, пик полного поглощения по площади будет составлять малую долю площади под всем спек­ тром. Однако благодаря высокой плотности германия (5,35 г/см3) имеется большая вероятность «перекачки» рассеянного нзлуче-

Рис. 5.19. Отнормированиые по пику полного поглощения

ния под пик полного поглощения в результате многократных комптоновских взаимодействий. В работе [4] рассчитана эффек­ тивность такой «перекачки» для германиевого планарного де­ тектора с толщиной чувствительной области 8 мм и установлено, что для энергий у-квантов свыше 600 кэВ она составляет 80% площади пика полного поглощения. Анализ таблицы показывает, что при энергиях у-квантов 1,5 МэВ для йодистого натрия ве­ роятность рассеяния хоть и значительно превосходит вероят­ ность фотопоглощения (в 25—30 раз), однако такой же «пере­ качки» под пик полного поглощения, как для германиевых детекторов, можно достичь лишь при использовании монокри­ сталлов Nal(Tl) значительно больших размеров (0100X 100 мм

232

и больше). Это объясняется относительно низкой плотностью монокристалла Nal(Tl) (3,667 г/см3).

Выше энергии 1,5 МэВ процессы комптоновского рассеяния и образования пар имеют доминирующее значение и являются практически основными видами взаимодействия. При еще боль­ ших энергиях у-квантов процесс образования пар становится превалирующим, поэтому при работе в такой энергетической об­ ласти крайне желательно использовать Ge(Li)-детекторы боль-

2753,92-2тдс г

L

Рис. 5.20. Жесткая часть у-спектра изотопа 24Na, из­ меренная с помощью Ge (Li)-детектора с объемом около 6 см3.

шого объема, способствующие подавлению пиков вылета при энергиях (Еу— 1,02) МэВ и (Еу —0,511) МэВ. С увеличением объема детектора вероятность вылета двух квантов из него рез­ ко падает. Что касается вероятности вылета одного кванта, то для детекторов большого объема она сравнима с вероятностью вылета двух квантов и растет с увеличением энергии первичных квантов. Следовательно, подавление пиков вылета и увеличение вероятности многократных комптоновских взаимодействий при использовании детекторов больших объемов значительно увели­ чивает вклад полезной информации в пик полного поглощения

изаметно упрощает аппаратурную линию.

Вкачестве иллюстрации эффектов утечки аннигиляционных квантов из детекторов различных объемов на рис. 5.20 и 5.21 представлены у-спектры изотопа 24Na. Для у-линии с энергией 2753,92 кэВ сечение образования пар имеет заметную величину, поэтому в измеренных спектрах эффекты утечки выявлены четко. Сравнение спектров показывает, что в случае детектора с объ­ емом около 56 см3 (см. рис. 5.21) пики вылета аннигиляционных

233

квантов значительно подавлены по сравнению с детектором, имеющим чувствительный объем примерно 6 см3 (см. рис. 5.20).

Увеличение объема чувствительной области германиевого детектора хотя и способствует эффективной перекачке информа­ ции в пик полного поглощения, но накладывает определенные ограничения на его основные характеристики. Дело в том, что с увеличением объема детектора растет и его емкость, что вы­ зывает большие затруднения в получении оптимального энерге­ тического разрешения системы детектор — спектрометрический тракт. К тому же получение необходимой чистоты слитка гер-

2753,32кэВ

Рис. 5.21. Жесткая часть успектра изотопа 24Na, измеренная с помощью Ge (Li)-детектора с объ­ емом примерно 56 см3.

мания большого объема представляет собой определенные тех­ нологические трудности.

При разработке и практическом создании гамма-спектромет­ ра с германиевым детектором большого объема следует исхо­ дить из следующих необходимых условий, позволяющих реали­ зовать достоинства спектрометров такого типа: I) должна быть выбрана оптимальная геометрия измерения; 2) должны быть обеспечены все меры для получения наилучшего энергетического разрешения; 3) большая часть многократных рассеяний у-кван- тов должна происходить внутри активной области детектора.

Первое из этих условий по возможности удовлетворяется применением подходящих криостатов и коллиматоров специаль­ ной формы [59, 146, 147]. Применение коллиматоров существен­ но уменьшает влияние краевых эффектов на форму измеряемого спектра, однако их использование не всегда возможно, например, в случае источника со слабой активностью или весьма сильной

активностью.

Второе условие определяется индивидуальными качествами используемых детекторов и всего спектрометрического тракта. Основные факторы, влияющие на энергетическое разрешение си­ стемы детектор — спектрометрический тракт, следующие: сбор

234

заряда в детекторе; шумы детектора и спектрометрического тракта; статистический характер исследуемых сигналов и неста­ бильность спектрометрического тракта. Поэтому применение де­

ных сигналов, систем стабилизации спектра во время длитель­ ных измерений [154] в сочетании с прецизионными многока­ нальными анализаторами [155] — главные меры для получения высокого энергетического разрешения при относительно высоких загрузках и сравнительно длительных измерениях у-спектров.

Третье условие помимо увеличения объема детектора обес­ печивается использованием устройств дискриминации импульсов по форме. Авторы работ [75, 156— 160] показали, что вклад в комптоновское распределение в ППД большого объема обуслов­ лен не только рассеянием у-кваитов в чувствительной области детектора и в окружающих материалах, но и в результате взаи­ модействий в нечувствительной области самого ППД.

Носители заряда, возникающие вблизи п- и p-областей, име­ ют большое время сбора (до нескольких микросекунд) из-за слабого электрического поля и поэтому они имеют большую вероятность рекомбинации и захвата ловушками. Из-за воздействия формирующих цепей усилительного тракта ампли­ туды таких импульсов оказываются заниженными. В результате может увеличиться число импульсов как в области непрерывного распределения спектра, так и в хвосте (низкоэнергетической ча­ сти) пика полного поглощения. Таким образом, импульсы с мед­ ленным временем нарастания ухудшают энергетическое и вре­ менное разрешение ППД и уменьшают его фоточасть. Исполь­ зование в подобных случаях дополнительно устройства дискри­ минации импульсов по форме позволяет значительно улучшить энергетическое и временное разрешение спектрометра и упро­ стить форму аппаратурной линии.

Подавая импульсы с выхода предусилителя на вход анализа­ тора и управляя импульсами с выхода устройства дискримина­ ции по форме, можно достичь значительного улучшения формы аппаратурной линии (рис. 5.22 и 5.23). « .

Устройство дискриминации импульсов по форме в работе [157] было опробовано в гамма-спектрометре с германиевыми детекторами планарного и коаксиального типов. Оказалось, что для планарного детектора площадью 2,7x2,05 см2, толщиной чувствительной области 10,5 мм, толщиной мертвого слоя 0,3 мм с одной и 0,2 мм с другой стороны число импульсов с медлен­ ным временем нарастания составляет 26%, в то время как для коаксиального детектора объемом 20 см3 оно достигает 40% комптоновского распределения от радиоактивного источни­ ка 60Со.

235

Авторы работы [156] устройство дискриминации импульсов по форме использовали при регистрации жестких у-квантов. Ди­

держки).

форме 100:1, что позволяло одновременно измерять у-кванты, энергии которых различались на два порядка. На рис. 5.24 показано два у-спектра от захвата нейтронов природным строн­ цием. Верхний спектр получен

ложенные импульсы, а также импульсы с медленным временем нарастания обнаруживаются по сдвигу этого момента.

Если нет возможности при измерениях использовать устрой­ ства дискриминации импульсов по форме того или другого типа,

236

то особое внимание должно быть уделено при изготовлении детекторов уменьшению объема некомпенсированной области, т. е. повышению коэффициента использования материала. При соблюдении таких требований количество импульсов с медлен­ ным временем нарастания будет значительно уменьшено, а их максимальное число будет определяться только лишь случаями вылета электронов в некомпенсированную область. Отметим, что устройства дискриминации импульсов по форме могут быть использованы не только в однодетекторных спектрометрах, но и в спектрометрах со многими детекторами самого различного назначения.

Спектрометры с защитным сцинтиллятором на антисовпаде­ ниях. Использовать гамма-спектрометры с диффузионно-дрейфо­ вым германиевым детектором большого объема чувствительной области для решения прикладных задач во многих случаях не представляется возможным по целому ряду причин (высокая стоимость детектора, неудовлетворительное энергетическое раз­ решение и т. д.). Этих трудностей можно избежать, если для регистрации распределений у-квантов использовать гамма-спек­ трометр с защитным сцинтиллятором на антисовпадениях. Ра­ бота такого спектрометра основана на следующем. Как отмеча­ лось выше, непрерывное распределение в у-спектре, полученном на спектрометре с Ge(Li)-детектором небольшого объема, обус­ ловлено неполной потерей энергии первичного у-кванта в чув­ ствительном объеме детектора. Рассеянный у-квант или анниги­ ляционное излучение, образованные в результате процессов комптоновского взаимодействия и образования пар, покидают детектор, унося с собой часть энергии первичного кванта.

Если ППД окружить сцинтиллятором достаточных размеров, который называют защитным, и подать после усиления и фор­ мирования их сигналы на схему антисовпаденнй, то можно до­ стичь значительного уменьшения интенсивности непрерывного комптоновского распределения. Комптоновское взаимодействие, создающее импульс в ППД, должно при этом сопровождаться регистрацией рассеянного у-кванта в защитном сцинтилляторе. Схема антисовпаденнй не блокирует последующий тракт реги­ страции аппаратурного спектра в тех случаях, когда на ее вход поступают импульсы только от Ge (Li)-детектора, что имеет ме­ сто при полной потере энергии в нем первичного кванта. В ре­ зультате этого моноэнергетическому излучению в измеренном спектре будет соответствовать единственный пик полного погло­ щения с небольшим непрерывным распределением в нпзкоэнергетнческой области спектра. Величина остаточного непрерыв­ ного распределения при этом определяется геометрией, разме­ рами и конструкцией ППД и защитного сцинтиллятора.

Таким образом, гамма-спектрометр с защитным сцинтилля­ тором, включенным с анализирующим Ge (Li)-детектором в схе­ му антисовпаденнй, представляет собой измерительную систе­

238