Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

у-квантов, а для энергий выше, примерно 400 кэВ им можнопренебречь. Следовательно, в области энергии у-квантов ниже400 кэВ нежелательно проводить измерения в режиме комптоновского спектрометра как в связи с нелинейностью амплитуд­

активности. Радиоактивный источник в0Со, с помощью которого-

(1,6%) для у-линий 1332,5 кэВ. Что касается отношения макси­ мума пика полного поглощения к высоте непрерывного распре­ деления, то для него получено значение около 16.

Комптоновский спектрометр совпадений, описанный в рабо­ те [180], в основном аналогичен рассмотренному выше спектро­ метру с той лишь разницей, что в нем использовали детектор с р—/г-переходом, изготовленный из высокоомного кремния, чтопозволило отказаться от его охлаждения и работать при ком­ натной температуре. Авторы работы [180] получили энергетиче­ ское разрешение с источником 137Cs, равное 3,2%■ Этого удалосьдостичь, так как использовали электронное оборудование с высо­ кой стабильностью и малыми уровнями собственных шумов. Получено отношение максимума комптоновского пика полногопоглощения к высоте непрерывного распределения, равное 28, что указывает на высокие спектрометрические качества прибора наряду с хорошим энергетическим разрешением.

Комптоновские спектрометры совпадений усовершенствова­ ли, увеличивая количество у-квантов, улавливаемых управ­ ляющим блоком детектирования и рассеянных в анализирую­ щем детекторе, т. е. увеличивая эффективность спектрометра. С этой целью авторы работ [168, 181, 182] в комптоновских спектрометрах совпадений в качестве управляющего детектора использовали пластмассовые сцинтилляторы или кристаллы Nal(Tl) кольцеобразной формы. Применяя в качестве анализи­ рующего детектора поверхностно-барьерный кремниевый детек­ тор, а в управляющем канале кольцеобразный пластмассовый сцинтиллятор, авторы работы [181] добились энергетического разрешения 14 кэВ по у-линии изотопа I37Cs при относительно высокой эффективности регистрации. В работах [168, 182] вме­ сто кольцеобразного пластмассового сцинтиллятора в управля­ ющем канале использовали кристаллы Nal(Tl) аналогичной формы, что еще больше увеличило эффективность спектромет­ ра и позволило успешно решать задачи, связанные с определе-

250

наем степени выгорания твэлов и идентификацией изотопов в сложных смесях.

Рассмотренные выше комптоновские спектрометры совпаде­

тивностью по сравнению со спектрометрами первого типа (см.

рис. 5.29, а ).

Самая высокая эффективность регистрации была достигнута в спектрометрах третьего типа (рис. 5.29, в), описанных в рабо­ тах [183, 184]. Эти спектрометры отличались от ранее известных тем, что в них не было коллиматора и исследуемый образец по­ мещался между блоками детектирования.

В работе [183] указывается, что охлаждение анализирующего кремниевого детектора сухим льдом приводит практически к тем же затруднениям, что и при работе с германиевыми детектора­ ми, требующими применения жидкого азота. Однако в боль­ шинстве случаев использовать жидкий азот или сухой лед для охлаждения детекторов нет возможности. Иногда в комптоновских спектрометрах можно использовать детекторы, не требую­ щие глубокого охлаждения при их эксплуатации. Для охлаж­ дения детекторов в подобных случаях можно применять ком­ пактные термоэлектрические холодильники, использование кото­ рых существенно упрощает конструкцию спектрометра, а обес­ печиваемая ими температура позволяет получить вполне удов­

пактные полупроводниковые холодильники на основе термоэлек­ трического эффекта (эффект Пельтье) для охлаждения кремние­ вых и германиевых детекторов.

В работе [185] рассмотрены некоторые вопросы изготовления Si (Li)-детекторов с толщиной чувствительной области до 10 мм, с предложением использовать их в комптоновских спектромет­ рах. Исследованы основные параметры термоэлектрического холодильника и определены оптимальные условия работы Si (Li)-детекторов при охлаждении последних посредством хо­ лодильников. В итоге проведенного исследования достигнуто вполне удовлетворительное энергетическое разрешение Si (Li)-де­

эксплуатационные достоинства (компактность, удобство обслу­ живания, малый расход энергии и воды и т. п.) и может найти применение при решении многих задач прикладной спектромет­ рии, в частности, с помощью комптоновских спектрометров сов­ падений, в которых будет реализована указанная комбинация.

В работе [46] исследовались спектрометрические характери­ стики Ge(Li)-детекторов при температурах более высоких, чем температуры, которые достигаются при помощи жидкого азота,

251

и рассматривалась возможность охлаждения детекторов с ис­ пользованием термоэлектрической батареи до температуры,, обеспечивающей удовлетворительные значения этих характери­ стик. Проведенные эксперименты показали, что при охлажде­ нии детекторов с объемом около 0,5 см3 до температуры прибли­ зительно 205 К с помощью термоэлектрической батареи их спек­ трометрические характеристики остаются неизменными. Сущест­ вует опасность ухудшения этих характеристик при прекращении подачи электроэнергии или проточной воды на батарею. Однако авторы работы [46] показали, что временное прекращение пита­ ния батареи не приводит к необратимой порче детектора. При отогреве детектора до комнатной температуры, например из-за выключения батареи, и содержании его при такой температурё- в течение нескольких дней в детекторе происходит обратный процесс раскомпеисации чувствительного объема. Если в это' время в камере детектора поддерживается высокий вакуум (около 10-5 мм рт. ст.), а преципитацией лития можно прене­ бречь, то с помощью операции чистового выравнивания спектро­ метрические свойства детектора полностью восстанавливаются без дополнительного травления.

Результаты рассматриваемой работы свидетельствуют о воз­ можности создания для спектрометрии у-излучеиия блока де­ тектирования нового типа, разрешающая способность по энер­ гиям которого при его охлаждении до 180 К на порядок лучшесцинтилляционного. Использование упомянутого блока детекти­ рования, свободного от необходимости использования жидкогоазота, существенно расширит область применения ППД из гер­ мания и кремния п может явиться основой для создания новых видов приборов для атомной промышленности, транспортных ядерно-энергетических установок, полевых геологоразведочных лабораторий и других областей техники и промышленности, в которых используется у-излучение. Так как с помощью термо­ электрических батарей наиболее эффективно можно охлаждатьППД малых объемов, то их с успехом можно использовать в комптоновских спектрометрах совпадений, в которых анализи­

рующем канале использовался кремниевый детектор. В работе- [184] для этих же целей применили Ge (Li)-детектор планарноготипа с объемом чувствительной области около 6 см3. Структур­ ная схема спектрометра приведена на рис. 5.32. Она представ­ ляет собой обычную схему быстро-медленных совпадений. В управляющем канале использован блок детектирования с кри­ сталлом Nal(Tl) 0 4 0 x 40 мм, конструктивно выполненный в- виде сцинтиблока. Он располагался вплотную к крышке крио­ стата с Ge (Li)-детектором. Расстояние от поверхности Ge(Li)-fle- тектора до крышки криостата— 10 мм. Таким образом, телесный угол, ограниченный управляющим кристаллом, имел максималь­

252

но возможную величину для криостата выбранного типа, при этом исследуемый образец помещали непосредственно на крыш­ ке криостата.

Таким образом, свойства конкретных спектрометров совпа­ дений с использованием в них Ge(Li)- и Si (Li)-детекторов в ка­ честве анализирующих позволяют сделать вывод, что они имеют

Рис. 5.32. Структурная схема комптоиовского спектрометра совпаде­ нии:

•/73 — линия задержки; А П - анализатор импульсов.

простую форму аппаратурной линии и характеризуются относи­ тельно хорошим энергетическим разрешением. К недостаткам таких спектрометров можно отнести низкую эффективность ре­ гистрации (10-9— 10-5) и ухудшение энергетического разрешения за счет конечного телесного угла и допплеровского уширения. Однако указанные недостатки можно свести к минимуму, ис­ пользуя два ППД в режиме суммирования с совпадениями. Свойства и основные характеристики таких спектрометров бу­ дут рассмотрены более подробно к последующих разделах.

Трехдетекторные парные спектрометры. Решение большинст­ ва прикладных задач связано с измерением спектров жесткого у-излучения {jEv> 1 МэВ). Необходимость в подобных измере­ ниях возникает также при изучении ядерных уровней посредст­ вом ядерных реакций, как правило, сопровождающихся испу­ сканием жестких у-кваитов. К таким реакциям относятся реак­ ции типа (/г, у), (р , у) и т. д. Использование однодетекторных спектрометров при изучении спектров жестких у-квантов, как известно, приводит к значительному усложнению формы аппа­ ратурного спектра, особенно при использовании детекторов ма­ лых размеров. Поэтому при энергии у-квантов выше порога образования пар ( £ V>1,02 МэВ) для подавления непрерывногокомптоновского распределения и увеличения чувствительности спектрометра к у-квантам высокой энергии часто используют трехдетекторный парный Спектрометр.

Для измерения у-спектров с помощью трехдетекторного пар­ ного спектрометра в анализирующем канале можно использо­ вать германиевые и кремниевые детекторы. Так как сечение процесса образования пар пропорционально Z2, то из-за высо­ кого порядкового номера (Z = 32) предпочтение следует отдать-

253-

германиевым детекторам. К тому же в области энергий у-кван- тов, в которой работают парные спектрометры, сечение процесса образования пар сравнимо или больше (при дальнейшем уве­ личении энергии) сечения комптоновского рассеяния, вследствие чего пики вылета двух аннигиляционных квантов в измеренных

объемом чувствительной области около 6 см3, отношение высоты пика полного поглощения с энергией 2753,92 кэВ — 2 т0с2 к вы­ соте уровня непрерывного распределения равно 7. Если в изме­

увеличению эффективности парного спектрометра.

Линейный коэффициент образования пар в рассматриваемой области энергий для кремния примерно в 4 раза меньше, чем для германия, а сечение комптоновского рассеяния меньше всего в 2 раза. Вследствие этого отношение высоты парного пика к уровню комптоновского распределения при использовании Si (Li)-детектора аналогичных размеров и формы будет вдвое меньше, а эффективность парного спектрометра упадет в 4 раза. Следовательно, в экспериментах, в которых эффективность пар­ ного спектрометра не играет решающей роли, в качестве анали­ зирующего детектора можно использовать дешевый и удобный в обращении Si (Li)-детектор.

Основу системы блоков детектирования парного спектромет­ ра составляют три блока детектирования—-центральный с Ge(Li)- или Si (Li)-детекторами, называемый анализирующим, и два боковых с детекторами Nal(Tl), называемые управляю­ щими. Коллимированное у-излучение, направленное на централь­ ный детектор, помимо фото- и комптоновских электронов обра­ зует пару, причем образование пары сопровождается аннигиля­ цией позитрона и испусканием в противоположных направле­ ниях двух аннигиляционных квантов, которые затем регистри­ руются боковыми детекторами, так что образование пар опре­ деляют по наличию тройных совпадений от всех блоков детектирования. В результате настройки каналов боковых де­ текторов на пики аннигиляционного излучения и анализа рас­ пределения импульсов в центральном Ge (Li)-детекторе в совпа­ дении с импульсами от боковых детекторов удается практически полностью подавить непрерывное распределение.

Трехдетекторные парные спектрометры с использованием в них в качестве анализирующего Ge (Li)-детектора небольших размеров характеризуются высоким энергетическим разреше­ нием. Основной их недостаток — сравнительно низкая эффектив­ ность, определяемая телесными углами, вероятностью образова­ ния пар в ППД и вероятностью регистрации аннигиляционных квантов в боковых детекторах. Следовательно, для достижения

254

относительно большой эффективности анализирующий детектор должен быть по возможности длиннее, чтобы обеспечить боль­ шую вероятность регистрации падающих па него квантов, и иметь малые поперечные размеры для уменьшения поглощения аннигиляционных квантов. В то же время боковые кристаллы должны регистрировать максимально возможное количество аннигиляционных квантов, вылетающих из анализирующего Ge(Li)-детектора. Значение эффективности парных спектромет­ ров с использованием анализирующего и управляющего детек­ торов оптимальных размеров составляет 10-4— 10-7.

Один из первых парных спектрометров с Ge(Li) -детектором

анализирующем канале, для повышения эффективности регист­ рации в управляющих каналах применяли кристаллы Nal(Tl) больших размеров со сквозным отверстием [170— 173] или опти­ чески независимыми половинами, имеющими вдоль диаметра торца полуцилиндрические выемки [169, 174, 175]. Подобные парные спектрометры характеризуются весьма высокой эффек­ тивностью благодаря применению в них Ge (Li)-детекторов до­ статочно больших объемов и кристаллов Nal(Tl) специальной формы. В работе [169] описан трехдетекторный парный спектро­ метр, обладающий эффективностью, на несколько порядков пре­ вышающей эффективность классического парного спектромет­ ра [186].

Для парных спектрометров, в которых используют большие кристаллы Nal(Tl), характерна их универсальность. Они могут работать как спектрометры с защитным сцинтиллятором на антисовпадениях и как трехдетекторные парные спектрометры. Это очень важно, например, при изучении (п, у)-реакций, в ко­ торых происходит образование у-нзлучения в широком диапа­ зоне энергий (от нескольких десятков килоэлектронвольт до десятков мегаэлектронвольт).

В некоторых работах были сделаны попытки использовать устройства дискриминации импульсов по форме для дополни­ тельного уменьшения в измеренных парных спектрах непрерыв­ ного распределения. В работе [157] при использовании в трех­ детекторном парном спектрометре устройства дискриминации импульсов по форме удалось снизить в спектре изотопа 24Na оставшееся непрерывное распределение на 50% при ослаблении пика двойного вылета всего на 14%. При более высоких энер­ гиях улучшение должно быть более значительным, так как элек­ троны и позитроны имеют большие пробеги в германии и поэто­ му имеется большая вероятность их взаимодействия в некомпен­ сированной области детектора, приводящего к образованию достаточного количества импульсов с медленными компонента­ ми нарастания.

255