Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

пазоне тепловых н промежуточных энергий и составляет при­ мерно 20 бари. В области меньших энергии оно возрастает, в области больших — падает.

На рис. 7.1 приведена зависимость сечения рассматриваемых реакций от энергии регистрируемых нейтронов. Выбор мате­ риала радиатора во многом также определяет динамический диапазон спектрометра нейтронов. Например, используя реак­ цию 3Не(/г,р)Т, можно осуществлять спектрометрирование по­ токов нейтронов без учета вклада ядер отдачи, начиная с теп­

го вещества по тем или иным причинам иногда нет возможно­ сти. Так, 10В для детектирования нейтронов применяют и в виде порошка аморфного бора и в виде газообразных соединений ВЁз, 3Не — в виде газа, ®Ы — в виде слоев 6LiF и слоев метал­ лического лития (реже, чем 6LiF, из-за химической активности),

307

конвертора отсутствовали изотопы, иа которых возможны по­ бочные ядерные реакции с выделением вторичных заряженных частиц, сравнимых по энергии с энергией частиц основной реак­ ции. Поэтому наилучший материал для конверторов — вещества

•с минимальным количеством посторонних примесей.

Состояние вещества, его толщина и плотность также влия­ ют па измерительные параметры спектрометров. С одной сто­ роны, увеличение плотности и толщины конвертора приводит к повышению эффективности и чувствительности блока детек­ тирования, с другой стороны, вследствие увеличения поглощен­ ной энергии вторичных заряженных частиц в веществе конвер­ тора ухудшается энергетическое разрешение спектрометра. Поэтому в зависимости от типа выбранного вещества, его агре­ гатного состояния и плотности в каждом конкретном случае можно найти оптимальную толщину, когда при необходимом разрешении будет обеспечиваться достаточная эффективность спектрометра.

При построении спектрометров па основе 6Li конвертор обычно создают вакуумным напылением на чувствительную поверхность окна одного из детекторов слоя 6LiF толщиной 100— 150 мкг/см2 при зазоре между детекторами от 1 до 50мкм. При этом в зависимости от выбора толщины конвертора меня­ ется как разрешение, так и чувствительность спектрометра. Б работе [4] сравнивались параметры спектрометра при двух толщинах конвертора из 6LiF. При уменьшении толщины ра­ диатора от 1 до 0,5 мкм полуширина пика аппаратурной кривой спектрометра уменьшилась от 400 до 200 кэВ при одновремен­ ном уменьшении чувствительности вдвое. Спектрометры на ос­ нове 3Не обычно имеют герметичные камеры, в которых распо­ ложены два ППД с обращенными друг к другу чувствительны­ ми поверхностями. Между окнами детекторов оставляют зазор глубиной 0,5—0,8 мм, заполненный 3Не под давлением от еди­ ниц до десятка атмосфер. Блоки детектирования спектрометров иа основе 10В в зависимости от агрегатного состояния конверто­ ра имеют конструкции, аналогичные описанным выше.

В простейших случаях в блоках детектирования спектромет­ ров, основанных на протонах отдачи, конвертором служит тон­ кий слой водородсодержащего вещества. Слой иногда наносят на чувствительную поверхность детектора методом испарения в вакууме; в некоторых случаях слой представляет собой тон­ кую пленку, укрепленную непосредственно иа всей чувствитель­ ной поверхности детектора или на ее части. При нанесении конвертора на часть чувствительной поверхности детектора его используют в режиме компенсационного счета. При этом кон­ структивно обеспечивают идентичность обеих частей детектора

3 0 8

и возможность независимого получения с них сигналов. Де­ тектор работает как два идентичных независимых детектора и при облучении нейтронами спектр импульсов с одного, на ко­ торый нанесен конвертор, дает информацию об энергетическом спектре нейтронов и фоне, второй — лишь распределение им­ пульсов от фона. Вычитая одно распределение из другого, мож­ но существенно понизить влияние фона, особенно при спектро­ метрии потоков быстрых нейтронов, и тем самым улучшить аппаратурную кривую, приблизить ее к истинному распределе­ нию протонов и упростить тем самым расшифровку и интерпре­ тацию результатов измерения [5].

Для улучшения аппаратурной кривой и обеспечения более высокого энергетического разрешения в некоторых случаях применяют и более сложные конструкции блоков детектирова­ ния. Это может быть телескопический блок детектирования с соответствующей коллимацией протонов отдачи, регистрируе­ мых ППД [6, 7], либо с конвертором, имеющим специально выбранную конфигурацию [7, 8]. Например, в работе [8] ис­ пользовали бочкообразный полиэтиленовый конвертор, распола­ гаемый на половине расстояния между источником и детектором и имеющий форму, которая обеспечивает постоянство угла меж­ ду направлением движения нейтрона и протоном отдачи, попа­ дающим па чувствительную поверхность детектора.

Отбор вторичных заряженных частиц, регистрируемых по­ лупроводниковым детектором, имеет большое значение и для спектрометров нейтронов других типов, которые основаны на преобразовании энергии нейтронов в энергию заряженных ча­ стиц. При регистрации тепловых нейтронов энергия, выделяю­ щаяся в результате ядерной реакции, однозначно распределя­ ется между образующимися вторичными заряженными частица­ ми. Типичные аппаратурные спектры распределения энергии между частицами приведены на рис. 7.2 для блоков детектиро­ вания с конвертором из 6Li и на рис. 7.3 — с конвертором из 3Не. При этом полуширина пика а-частиц из-за большего зна­ чения удельных энергетических потерь всегда шире полушири­ ны пика тритонов.

При регистрации быстрых нейтронов полная энергия реак­ ции распределяется между частицами более сложно, приводя к сплошному спектру, суммарная энергия одновременно испу­

детектирования с радиатором из 6Ы была введена коллимация вторичных заряженных частиц.

Введение коллиматоров позволило снизить в спектрометре нейтронного излучения одного типа полуширину пика а-частиц

энергетическое разрешение спектрометра для тепловых иейтро-

309

нов было улучшено приблизительно на 30%, при этом чувст­ вительность спектрометра понизилась до 85% начальногозначения.

Форма аппаратурной кривой, описывающей энергетический спектр нейтронов, даже при оптимальном выборе материала и формы конвертора, введении коллимации вторичных заря­ женных частиц имеет относи­ тельно сложный характер. По­ этому при регистрации моиоэнергетпческой группы нейтро­ нов аппаратурный спектр име­ ет вид непрерывного распреде­ ления с характерными пиками.

Например, для спектрометра с конвертором из 61Л аппаратур­ ный спектр тепловых нейтро­ нов имеет вид непрерывного распределения с тремя явно выраженными пиками, из ко­ торых один соответствует пол­ ной энергии реакции, второй — энергии тритонов п третий — энергии а-частиц (рис. 7.4).

Для упрощения аппаратур­ ных кривых в спектрометрах используют не одни, а несколь­ ко детекторов, а в электрон­ ную схему анализа н регист­ рации амплитудных распреде­ лений приходится вводить уст­ ройство амплитудного и вре­

менного отбора, а иногда и формирователь импульсов, При введении этих устройств заметно уменьшается вклад в аппаратурный спектр непре- рывного распределения и пиков от отдельных частиц, максимально сохраняется пик полной энергии и поэтому увелпчивается его относительный вклад в общее распределение. В некоторых случаях оправдано даже введение в спектрометрдополнительных детекторов с малой толщиной чувствительного слоя, которые, измеряя удельные энергетические потери частиц dE/dx, позволяют с помощью соответствующих электронных устройств повысить избирательность регистрации вторичных заряженных частиц. Это заметно усложняет блоки детектиро­ вания и электронное оборудование спектрометров, понижает их эффективность и чувствительность, ио упрощает аппаратур­ ные спектры и их интерпретацию и понижает влияние фона и побочных ядериых реакций.

310

Вклад побочных ядерных реакций в аппаратурные спектры особенно заметен, как уже отмечалось выше, при спектрометрнровании потоков быстрых нейтронов. Если пренебречь реакция­ ми, которые могут происходить в конструктивных материалах блока детектирования и конвертора, то и тогда вклад вторичных заряженных частиц, возникающих в результате побочных реак­ ций в материале детекторов, при спектрометрировании потоков

Рис. 7.3. Спектр заряженных частиц, образую­ щихся в реакции 3Не(л, р) Т при облучении теп­ ловыми нейтронами.

быстрых нейтронов остается весьма существенным. Наибольшее распространение в нейтронных спектрометрах в настоящее вре­ мя получили кремниевые детекторы, содержащие 92% изотопа 2?Si. Наиболее вероятные реакции со сравнительно большими значениями сечений в области энергий нейтронов до 10— 15МэВ

для (п, р ). В результате реакций возникают заряженные части­ цы с соответствующим распределением энергии и 25Mg и 28А1 как в основном, так и в возбужденном состоянии [10]. Данные о ядерных реакциях, происходящих в кремнии под действием быстрых нейтронов, приведены в табл. 7.2.

Типичный спектр, возникающий при взаимодействии нейтро­ нов с энергией 11 МэВ в кремниевом поверхностно-барьерном

.детекторе, приведен на рнс. 7.5.

3 1 L