Гамма-спектроскопия — это качественное исследование энергетических спектров источников гамма-излучения , например, в ядерной промышленности, геохимических исследованиях и астрофизике. [1] Гамма-спектрометрия , с другой стороны, — это метод, используемый для получения количественных измерений спектра. [2]
Большинство радиоактивных источников производят гамма-лучи, которые имеют различные энергии и интенсивности. Когда эти выбросы обнаруживаются и анализируются с помощью спектроскопической системы, может быть получен энергетический спектр гамма-лучей.
Подробный анализ этого спектра обычно используется для определения идентичности и количества гамма-излучателей, присутствующих в гамма-источнике, и является важным инструментом в радиометрическом анализе. Гамма-спектр характерен для гамма-излучающих нуклидов , содержащихся в источнике, так же как в оптическом спектрометре оптический спектр характерен для материала, содержащегося в образце.
Гамма-лучи являются наиболее высокоэнергетической формой электромагнитного излучения , будучи физически такими же, как все другие формы (например, рентгеновские лучи , видимый свет, инфракрасное излучение, радио), но имея (в целом) более высокую энергию фотонов из-за их более короткой длины волны. Благодаря этому энергия гамма-фотонов может быть разделена индивидуально, и гамма-спектрометр может измерять и отображать энергии обнаруженных гамма-фотонов.
Радиоактивные ядра ( радионуклиды ) обычно испускают гамма-лучи в диапазоне энергий от нескольких кэВ до ~10 МэВ , что соответствует типичным уровням энергии в ядрах с достаточно длительным временем жизни. Такие источники обычно производят гамма-лучи «линейчатого спектра» (т. е. множество фотонов, испускаемых с дискретными энергиями ), тогда как гораздо более высокие энергии (более 1 ТэВ ) могут встречаться в континуальных спектрах, наблюдаемых в астрофизике и физике элементарных частиц. Разница между гамма-лучами и рентгеновскими лучами несколько размыта. Гамма-лучи возникают из-за переходов между уровнями ядерной энергии и являются моноэнергетическими, тогда как рентгеновские лучи либо связаны с переходами между уровнями атомной энергии ( характеристические рентгеновские лучи , которые являются моноэнергетическими), либо генерируются электрически (рентгеновская трубка, линейный ускоритель) и имеют широкий диапазон энергий. [3]
Основными компонентами гамма-спектрометра являются чувствительный к энергии детектор излучения и электронные устройства, анализирующие выходные сигналы детектора, такие как сортировщик импульсов (т. е. многоканальный анализатор ). Дополнительные компоненты могут включать усилители сигнала, измерители скорости, стабилизаторы положения пика и устройства обработки данных.
Детекторы гамма-спектроскопии — это пассивные материалы, способные взаимодействовать с входящими гамма-лучами. Наиболее важными механизмами взаимодействия являются фотоэлектрический эффект , эффект Комптона и образование пар . Благодаря этим процессам энергия гамма-излучения поглощается и преобразуется в сигнал напряжения путем обнаружения разницы энергии до и после взаимодействия [ требуется ссылка ] (или, в сцинтилляционном счетчике , испускаемых фотонов с использованием фотоумножителя ) . Напряжение полученного сигнала пропорционально энергии обнаруженного гамма-излучения. Обычные материалы детектора включают сцинтилляционные счетчики на основе иодида натрия (NaI) и детекторы из высокочистого германия .
Для точного определения энергии гамма-излучения выгодно, если происходит фотоэлектрический эффект, поскольку он поглощает всю энергию падающего луча. Поглощение всей энергии также возможно, когда серия этих механизмов взаимодействия происходит в пределах объема детектора. При комптоновском взаимодействии или образовании пар часть энергии может выйти из объема детектора, не будучи поглощенной. Таким образом, поглощенная энергия приводит к появлению сигнала, который ведет себя как сигнал от луча с более низкой энергией. Это приводит к спектральной характеристике, перекрывающей области с более низкой энергией. Использование больших объемов детектора уменьшает этот эффект. Более сложные методы уменьшения этого эффекта включают использование комптоновских экранов подавления и использование сегментированных детекторов с обратной связью (см.: клевер (детектор) ). [4]
Импульсы напряжения, полученные для каждого гамма-луча, взаимодействующего в объеме детектора, затем анализируются многоканальным анализатором (MCA). В MCA усилитель формирования импульсов принимает сигнал переходного напряжения и преобразует его в гауссову или трапециевидную форму. Из этой формы сигнал затем преобразуется в цифровую форму с помощью быстрого аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В новых системах с АЦП с очень высокой частотой дискретизации аналого-цифровое преобразование может выполняться без преобразования.
Затем дополнительная логика в MCA выполняет анализ высоты импульса , сортируя импульсы по их высоте в определенные ячейки или каналы . Каждый канал представляет определенный диапазон энергии в спектре, количество обнаруженных сигналов для каждого канала представляет спектральную интенсивность излучения в этом диапазоне энергии. Изменяя количество каналов, можно точно настроить спектральное разрешение и чувствительность . [5]
MCA может отправлять свои данные на компьютер, который сохраняет, отображает и далее анализирует данные. Различные программные пакеты доступны от нескольких производителей и, как правило, включают инструменты анализа спектра, такие как калибровка энергии (преобразование бинов в энергии), расчет пиковой площади и чистой площади, а также расчет разрешения. [6]
Звуковая карта USB может служить дешевым, готовым к использованию АЦП , метод, впервые предложенный Мареком Доллейзером. Специализированное компьютерное программное обеспечение выполняет анализ амплитуды импульсов на оцифрованной форме сигнала, формируя полный МКА. [7] Звуковые карты имеют высокоскоростные, но с низким разрешением (до 192 кГц) чипы АЦП, что позволяет получить приемлемое качество для низкой и средней скорости счета. [8] «Спектрометр звуковой карты» был далее усовершенствован в любительских и профессиональных кругах. [9] [10]
Системы гамма-спектроскопии выбираются с целью использования нескольких характеристик производительности. Две из наиболее важных включают разрешение детектора и эффективность детектора.
Гамма-лучи, обнаруженные в спектроскопической системе, создают пики в спектре. Эти пики также можно назвать линиями по аналогии с оптической спектроскопией. Ширина пиков определяется разрешением детектора, очень важной характеристикой гамма-спектроскопических детекторов, а высокое разрешение позволяет спектроскописту разделить две гамма-линии, которые находятся близко друг к другу. Системы гамма-спектроскопии спроектированы и настроены для получения симметричных пиков с наилучшим возможным разрешением. Форма пика обычно представляет собой гауссово распределение . В большинстве спектров горизонтальное положение пика определяется энергией гамма-излучения, а площадь пика определяется интенсивностью гамма-излучения и эффективностью детектора.
Наиболее распространенной цифрой, используемой для выражения разрешения детектора, является полная ширина на половине максимума (FWHM). Это ширина пика гамма-излучения на половине самой высокой точки распределения пиков. Цифры энергетического разрешения приведены относительно указанных энергий гамма-излучения. Разрешение может быть выражено в абсолютных (т. е. эВ или МэВ) или относительных величинах. Например, детектор на основе иодида натрия (NaI) может иметь FWHM 9,15 кэВ при 122 кэВ и 82,75 кэВ при 662 кэВ. Эти значения разрешения выражены в абсолютных величинах. Чтобы выразить энергетическое разрешение в относительных величинах, FWHM в эВ или МэВ делится на энергию гамма-излучения и обычно отображается в процентах. Используя предыдущий пример, разрешение детектора составляет 7,5% при 122 кэВ и 12,5% при 662 кэВ. Типичное разрешение коаксиального германиевого детектора составляет около 2 кэВ при 1332 кэВ, что дает относительное разрешение 0,15%.
Не все гамма-лучи, испускаемые источником, проходящие через детектор, произведут отсчет в системе. Вероятность того, что испускаемый гамма-луч вступит во взаимодействие с детектором и произведет отсчет, является эффективностью детектора . Высокоэффективные детекторы производят спектры за меньшее время, чем детекторы с низкой эффективностью. В целом, более крупные детекторы имеют более высокую эффективность, чем более мелкие детекторы, хотя защитные свойства материала детектора также являются важными факторами. Эффективность детектора измеряется путем сравнения спектра от источника известной активности со скоростями счета в каждом пике и со скоростями счета, ожидаемыми из известных интенсивностей каждого гамма-луча.
Эффективность, как и разрешение, может быть выражена в абсолютных или относительных единицах. Используются одни и те же единицы (т. е. проценты); поэтому спектроскопист должен позаботиться о том, чтобы определить, какой вид эффективности дается для детектора. Абсолютные значения эффективности представляют собой вероятность того, что гамма-луч определенной энергии, проходящий через детектор, будет взаимодействовать и будет обнаружен. Относительные значения эффективности часто используются для германиевых детекторов и сравнивают эффективность детектора при 1332 кэВ с эффективностью детектора NaI размером 3 дюйма × 3 дюйма (т. е. 1,2×10−3 сП с / Бк на 25 см). Поэтому при работе с очень большими германиевыми детекторами можно столкнуться со значениями относительной эффективности, превышающими сто процентов.
Энергия регистрируемых гамма-лучей является важным фактором эффективности детектора. Кривую эффективности можно получить, построив график эффективности при различных энергиях. Затем эту кривую можно использовать для определения эффективности детектора при энергиях, отличных от тех, которые использовались для получения кривой. Детекторы из высокочистого германия (HPGe) обычно имеют более высокую чувствительность.
Сцинтилляционные детекторы используют кристаллы, которые излучают свет, когда гамма-лучи взаимодействуют с атомами в кристаллах. Интенсивность производимого света обычно пропорциональна энергии, вложенной в кристалл гамма-лучами; хорошо известная ситуация, когда это соотношение нарушается, — это поглощение излучения < 200 кэВ собственными и легированными детекторами на основе йодида натрия. Механизм аналогичен механизму термолюминесцентного дозиметра . Детекторы соединены с фотоумножителями ; фотокатод преобразует свет в электроны; а затем с помощью динодов для генерации электронных каскадов посредством производства дельта-лучей сигнал усиливается. Обычные сцинтилляторы включают в себя легированный таллием йодид натрия (NaI(Tl)) — часто упрощенно до детекторов на основе йодида натрия (NaI) — и германат висмута (BGO). Поскольку фотоумножители также чувствительны к окружающему свету, сцинтилляторы заключены в светонепроницаемые оболочки.
Сцинтилляционные детекторы также могут использоваться для обнаружения альфа- и бета -излучения.
Легированный таллием иодид натрия (NaI(Tl)) имеет два основных преимущества:
NaI(Tl) также удобен в использовании, что делает его популярным для полевых применений, таких как идентификация неизвестных материалов в целях обеспечения соблюдения законов.
Рекомбинация электронов и дырок будет испускать свет, который может повторно возбуждать чистые сцинтилляционные кристаллы; однако легирующая примесь таллия в NaI(Tl) обеспечивает энергетические состояния в пределах запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной. После возбуждения в легированных сцинтилляционных кристаллах некоторые электроны в зоне проводимости будут мигрировать в активаторные состояния; нисходящие переходы из активаторных состояний не будут повторно возбуждать легированный кристалл, поэтому кристалл прозрачен для этого излучения.
Примером спектра NaI является гамма-спектр изотопа цезия137
Cs
— см. рисунок 1 .137
Cs
испускает одну гамма-линию 662 кэВ. Показанная линия 662 кэВ на самом деле производится137м
Ба
, продукт распада137
Cs
, который находится в вековом равновесии с137
Cs
.
Спектр на рисунке 1 был измерен с использованием кристалла NaI на фотоумножителе, усилителе и многоканальном анализаторе. На рисунке показано количество отсчетов в течение периода измерения в зависимости от номера канала. Спектр показывает следующие пики (слева направо):
Распределение Комптона представляет собой непрерывное распределение, которое присутствует до канала 150 на рисунке 1. Распределение возникает из-за того, что первичные гамма-лучи подвергаются комптоновскому рассеянию внутри кристалла: в зависимости от угла рассеяния комптоновские электроны имеют разные энергии и, следовательно, создают импульсы в разных энергетических каналах.
Если в спектре присутствует много гамма-лучей, распределения Комптона могут представлять трудности для анализа. Для уменьшения гамма-лучей можно использовать антисовпадающий экран — см. подавление Комптона . Методы уменьшения гамма-лучей особенно полезны для небольших детекторов на основе германия (Ge(Li)), легированного литием .
Гамма-спектр, показанный на рисунке 2, принадлежит изотопу кобальта.60
Ко
, с двумя гамма-лучами с 1,17 МэВ и 1,33 МэВ соответственно. ( Схему распада кобальта-60 см. в статье. ) Две гамма-линии хорошо разделены; пик слева от канала 200, скорее всего, указывает на сильный источник фонового излучения , который не был вычтен. Пик обратного рассеяния можно увидеть около канала 150, аналогично второму пику на рисунке 1.
Системы на основе йодида натрия, как и все сцинтилляционные системы, чувствительны к изменениям температуры. Изменения рабочей температуры, вызванные изменениями температуры окружающей среды, сместят спектр по горизонтальной оси. Обычно наблюдаются сдвиги пиков на десятки каналов и более. Такие сдвиги можно предотвратить, используя стабилизаторы спектра.
Из-за низкого разрешения детекторов на основе NaI они не подходят для идентификации сложных смесей материалов, генерирующих гамма-излучение. Сценарии, требующие такого анализа, требуют детекторов с более высоким разрешением.
Полупроводниковые детекторы , также называемые твердотельными детекторами, принципиально отличаются от сцинтилляционных детекторов: они основаны на обнаружении носителей заряда (электронов и дырок), генерируемых в полупроводниках под действием энергии, выделяемой гамма-фотонами.
В полупроводниковых детекторах электрическое поле прикладывается к объему детектора. Электрон в полупроводнике фиксируется в своей валентной зоне в кристалле до тех пор, пока взаимодействие гамма-излучения не предоставит электрону достаточно энергии для перемещения в зону проводимости . Электроны в зоне проводимости могут реагировать на электрическое поле в детекторе и, следовательно, перемещаться к положительному контакту, который создает электрическое поле. Зазор, созданный движущимся электроном, называется «дыркой» и заполняется соседним электроном. Эта перетасовка дырок эффективно перемещает положительный заряд к отрицательному контакту. Прибытие электрона на положительный контакт и дырки на отрицательный контакт создает электрический сигнал, который отправляется на предусилитель, МКА, и далее через систему для анализа. Движение электронов и дырок в твердотельном детекторе очень похоже на движение ионов внутри чувствительного объема газонаполненных детекторов, таких как ионизационные камеры .
Распространенные полупроводниковые детекторы включают германий , теллурид кадмия и теллурид кадмия-цинка .
Германиевые детекторы обеспечивают значительно улучшенное энергетическое разрешение по сравнению с детекторами на основе иодида натрия, как объяснялось в предыдущем обсуждении разрешения. Германиевые детекторы обеспечивают самое высокое разрешение, доступное сегодня. Однако недостатком является необходимость криогенных температур для работы германиевых детекторов, обычно путем охлаждения жидким азотом .
В реальной установке детектора некоторые фотоны могут и будут подвергаться одному или потенциально нескольким процессам рассеяния Комптона (например, в материале корпуса радиоактивного источника, в защитном материале или материале, иным образом окружающем эксперимент) перед тем, как попасть в материал детектора. Это приводит к пиковой структуре, которую можно увидеть в показанном выше энергетическом спектре137
Cs
(Рисунок 1, первый пик слева от края Комптона), так называемый пик обратного рассеяния. Детальная форма структуры пика обратного рассеяния зависит от многих факторов, таких как геометрия эксперимента (геометрия источника, относительное положение источника, экранирования и детектора) или тип окружающего материала (приводя к различным соотношениям сечений фото- и комптон-эффекта).
Однако основной принцип заключается в следующем:
Пик обратного рассеяния обычно выглядит широким и возникает при энергии ниже 250 кэВ. [12] [13]
Для энергий падающих фотонов E, превышающих массу покоя электрона более чем в два раза (1,022 МэВ), может произойти образование пар . Образовавшийся позитрон аннигилирует с одним из окружающих электронов, обычно производя два фотона с энергией 511 кэВ. В реальном детекторе (т.е. детекторе конечного размера) возможно, что после аннигиляции:
Приведенный выше спектр источника Am-Be демонстрирует пример одиночного и двойного пика выхода в реальном измерении.
Если гамма-спектрометр используется для идентификации образцов неизвестного состава, его энергетическая шкала должна быть сначала откалибрована. Калибровка выполняется с использованием пиков известного источника, например цезия-137 или кобальта-60. Поскольку номер канала пропорционален энергии, шкалу канала затем можно преобразовать в энергетическую шкалу. Если известен размер кристалла детектора, можно также выполнить калибровку интенсивности, так что можно определить не только энергии, но и интенсивности неизвестного источника — или количество определенного изотопа в источнике.
Поскольку некоторая радиоактивность присутствует везде (т. е. фоновое излучение ), спектр следует анализировать, когда источник отсутствует. Затем фоновое излучение следует вычесть из фактического измерения. Свинцовые поглотители можно разместить вокруг измерительного прибора, чтобы уменьшить фоновое излучение.
Марек работает в Сиднейском университете со студентами-физиками третьего курса и разработал PRA как образовательный инструмент для своих студентов.
