Гамма-спектроскопия — это качественное исследование энергетических спектров источников гамма-излучения , например, в атомной промышленности, геохимических исследованиях и астрофизике. [1] Гамма-спектрометрия , с другой стороны, представляет собой метод, используемый для количественного измерения спектра. [2]
Большинство радиоактивных источников производят гамма-лучи различной энергии и интенсивности. Когда эти выбросы обнаруживаются и анализируются с помощью системы спектроскопии, можно получить энергетический спектр гамма-излучения.
Подробный анализ этого спектра обычно используется для определения личности и количества гамма-излучателей, присутствующих в источнике гамма-излучения, и является важным инструментом радиометрического анализа. Гамма-спектр характерен для гамма-излучающих нуклидов , содержащихся в источнике, так же как и в оптическом спектрометре оптический спектр характерен для материала, содержащегося в образце.
Гамма-лучи являются формой электромагнитного излучения с самой высокой энергией , физически они такие же, как и все другие формы (например, рентгеновские лучи , видимый свет, инфракрасное излучение, радио), но имеют (в целом) более высокую энергию фотонов из-за их более короткой длины волны. Благодаря этому энергия фотонов гамма-излучения может быть определена индивидуально, а спектрометр гамма-излучения может измерять и отображать энергии обнаруженных фотонов гамма-излучения.
Радиоактивные ядра ( радинуклиды ) обычно излучают 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 «линейчатые спектры» гамма-излучения (т.е. множество фотонов, испускаемых с дискретными энергиями ), тогда как гораздо более высокие энергии (более 1 ТэВ ) могут возникать в непрерывных спектрах, наблюдаемых в астрофизике и физике элементарных частиц. Разница между гамма-лучами и рентгеновскими лучами несколько размыта. Гамма-лучи возникают в результате переходов между уровнями ядерной энергии и являются моноэнергетическими, тогда как рентгеновские лучи либо связаны с переходами между уровнями энергии атомов ( характеристические рентгеновские лучи , которые являются моноэнергетическими), либо генерируются электрически (рентгеновская трубка, линейный ускоритель) и имеют широкий энергетический диапазон. [3]
Основными компонентами гамма-спектрометра являются энергочувствительный детектор излучения и электронные устройства, анализирующие выходные сигналы детектора, например сортировщик импульсов (т. е. многоканальный анализатор ). Дополнительные компоненты могут включать усилители сигнала, измерители скорости, стабилизаторы пикового положения и устройства обработки данных.
Детекторы гамма-спектроскопии представляют собой пассивные материалы, способные взаимодействовать с поступающими гамма-лучами. Важнейшие механизмы взаимодействия — фотоэффект , эффект Комптона и рождение пар . Посредством этих процессов энергия гамма-лучей поглощается и преобразуется в сигнал напряжения путем обнаружения разницы энергий до и после взаимодействия ( или , в сцинтилляционном счетчике , испускаемых фотонов с помощью фотоумножителя ). Напряжение вырабатываемого сигнала пропорционально энергии обнаруженного гамма-излучения. Обычные материалы детекторов включают сцинтилляционные счетчики на основе йодида натрия (NaI) и детекторы из германия высокой чистоты .
Для точного определения энергии гамма-излучения желательно наличие фотоэлектрического эффекта, поскольку он поглощает всю энергию падающего луча. Поглощение всей энергии также возможно, когда в объеме детектора реализуется серия этих механизмов взаимодействия. При комптоновском взаимодействии или образовании пар часть энергии может выйти из объема детектора, не поглощаясь. Таким образом, поглощенная энергия порождает сигнал, который ведет себя как сигнал луча с более низкой энергией. Это приводит к тому, что спектральная особенность перекрывает области с более низкой энергией. Использование детекторов большего объема уменьшает этот эффект. Более сложные методы уменьшения этого эффекта включают использование экранов комптоновского подавления и использование сегментированных детекторов с обратной связью (см.: клевер (детектор) ). [4]
Импульсы напряжения, создаваемые каждым гамма-лучом, который взаимодействует 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 изменения формы.
Дополнительная логика в MCA затем 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 собой спектральную интенсивность излучения в этом энергетическом диапазоне. Изменяя количество каналов, можно точно настроить спектральное разрешение и чувствительность . [5]
MCA может отправлять свои данные на компьютер, который хранит, отображает и далее анализирует данные. Различные пакеты программного обеспечения доступны от нескольких производителей и обычно включают в себя инструменты анализа спектра, такие как калибровка энергии (преобразование элементов разрешения в энергии), расчет площади пика и чистой площади, а также расчет разрешения. [6]
Звуковая карта USB может служить дешевым готовым потребительским АЦП — метод, впервые предложенный Мареком Доллейзером. Специализированное компьютерное программное обеспечение выполняет анализ амплитуды оцифрованного сигнала, формируя полный MCA. [7] Звуковые карты оснащены высокоскоростными АЦП с низким разрешением (до 192 кГц), что обеспечивает приемлемое качество при низкой и средней скорости счета. [8] «Спектрометр звуковой карты» получил дальнейшее развитие в любительских и профессиональных кругах. [9] [10]
Системы гамма-спектроскопии выбираются с учетом нескольких эксплуатационных характеристик. Двумя наиболее важными из них являются 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, что является очень важной характеристикой гамма-спектроскопических детекторов, а высокое разрешение позволяет спектроскописту разделить две гамма-линии, расположенные близко друг к другу. Системы гамма-спектроскопии спроектированы и настроены для получения симметричных пиков наилучшего возможного разрешения. Форма пика обычно представляет собой распределение Гаусса . В большинстве спектров горизонтальное положение пика определяется энергией гамма-лучей, а площадь пика определяется интенсивностью гамма-лучей и эффективностью детектора.
Наиболее распространенной цифрой, используемой для выражения разрешения детектора, является полная ширина на половине высоты (FWHM). Это ширина пика гамма-излучения в половине самой высокой точки распределения пика. Значения энергетического разрешения даны со ссылкой на указанные энергии гамма-излучения. Разрешение может быть выражено в абсолютных (т. е. в эВ или МэВ) или относительных величинах. Например, детектор йодида натрия (NaI) может иметь FWHM 9,15 кэВ при 122 кэВ и 82,75 кэВ при 662 кэВ. Эти значения разрешения выражаются в абсолютных величинах. Чтобы выразить энергетическое разрешение в относительных единицах, FWHM в эВ или МэВ делится на энергию гамма-лучей и обычно отображается в процентах. В предыдущем примере 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 и проходящие через детектор, будут учитываться в системе. Вероятность того, что испускаемый гамма-луч будет взаимодействовать с детектором и производить отсчет, является эффективностью детектора. Детекторы с высокой эффективностью создают спектры за меньшее время, чем детекторы с низкой эффективностью. В целом, детекторы большего размера имеют более высокую эффективность, чем детекторы меньшего размера, хотя экранирующие свойства материала детектора также являются важным фактором. Эффективность детектора измеряется путем сравнения спектра источника известной активности со скоростями счета в каждом пике и скоростями счета, ожидаемыми на основе известных интенсивностей каждого гамма-излучения.
Эффективность, как и разрешающая способность, может быть выражена в абсолютном или относительном выражении. Используются те же единицы измерения (т. е. проценты); поэтому спектроскопист должен позаботиться о том, чтобы определить, какой тип эффективности указан для детектора. Абсолютные значения эффективности представляют собой вероятность того, что гамма-лучи определенной энергии, проходящие через детектор, вступят во взаимодействие и будут обнаружены. Значения относительной 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 расстоянии 25 см). Поэтому при работе с очень большими германиевыми детекторами можно встретить значения относительной эффективности, превышающие сто процентов.
Энергия регистрируемых гамма-лучей является важным фактором эффективности детектора. Кривую эффективности можно получить путем построения графика эффективности при различных энергиях. Эту кривую затем можно использовать для определения эффективности детектора при энергиях, отличных от тех, которые использовались для получения кривой. Детекторы из германия высокой чистоты (HPGe) обычно имеют более высокую чувствительность.
В сцинтилляционных детекторах используются кристаллы, которые излучают свет при взаимодействии гамма-лучей с атомами кристаллов. Интенсивность излучаемого света обычно пропорциональна энергии, переданной в кристалл гамма-лучами; Хорошо известная ситуация, когда это соотношение не работает, - это поглощение излучения с энергией < 200 кэВ детекторами из собственного и легированного 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 образования дельта-лучей сигнал усиливается. Обычные сцинтилляторы включают легированный таллием йодид натрия (NaI (Tl)) - часто упрощенный до детекторов йодида натрия (NaI) - и германат висмута (BGO). Поскольку фотоумножители также чувствительны к окружающему свету, сцинтилляторы заключаются в светонепроницаемые покрытия.
Сцинтилляционные детекторы также могут использоваться для обнаружения альфа- и бета -излучения.
Йодид натрия, легированный таллием (NaI(Tl)) имеет два основных преимущества:
NaI(Tl) также удобен в использовании, что делает его популярным для полевых приложений, таких как идентификация неизвестных материалов в правоохранительных целях.
Рекомбинация электронов и дырок будет излучать свет, который может повторно возбудить чистые сцинтилляционные кристаллы; однако примесь таллия в NaI(Tl) обеспечивает энергетические состояния внутри запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной. После возбуждения в легированных сцинтилляционных кристаллах некоторые электроны из зоны проводимости мигрируют в состояния активатора; переходы вниз из состояний активатора не будут повторно возбуждать легированный кристалл, поэтому кристалл прозрачен для этого излучения.
Примером спектра NaI является гамма-спектр изотопа цезия .137
Cs
— см. рисунок 1 .137
Cs
излучает одну гамма-линию с энергией 662 кэВ. Показанная линия 662 кэВ на самом деле создается137 м
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 за период измерения в зависимости от номера канала. В спектре наблюдаются 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, производят импульсы в разные энергетические каналы.
Если в спектре присутствует много гамма-лучей, комптоновские распределения могут представлять проблемы для анализа. Чтобы уменьшить гамма-излучение, можно использовать экран антисовпадений — см. Комптоновское подавление . Методы уменьшения гамма-излучения особенно полезны для небольших детекторов из легированного литием германия (Ge(Li)).
Гамма-спектр, показанный на рисунке 2, соответствует изотопу кобальта.60
Ко
, с двумя гамма-лучами с энергиями 1,17 МэВ и 1,33 МэВ соответственно. ( Схему распада кобальта-60 см. в статье о схеме распада. ) Две гамма-линии видны хорошо разделенными; пик слева от канала 200, скорее всего, указывает на сильный источник фонового излучения , который не был вычтен. Пик обратного рассеяния можно увидеть возле канала 150, аналогичный второму пику на рисунке 1.
Системы 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 пиковые сдвиги десятков и более каналов. 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 за счет энергии, выделяемой фотонами гамма-излучения.
В полупроводниковых детекторах к объему детектора приложено электрическое поле. Электрон в полупроводнике фиксируется в своей валентной зоне в кристалле до тех пор, пока взаимодействие гамма-лучей не предоставит электрону достаточно энергии для перехода в зону проводимости . Электроны в зоне проводимости могут реагировать на электрическое поле детектора и, следовательно, перемещаться к положительному контакту, создающему электрическое поле. Зазор, создаваемый движущимся электроном, называется «дыркой» и заполняется соседним электроном. Такое перемешивание отверстий эффективно перемещает положительный заряд на отрицательный контакт. Прибытие электрона на положительный контакт и дырки на отрицательный контакт создает электрический сигнал, который отправляется на предусилитель, MCA, 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 .
Обычные детекторы на основе полупроводников включают германий , теллурид кадмия и теллурид кадмия-цинка .
Детекторы из германия обеспечивают значительно лучшее энергетическое разрешение по сравнению с детекторами из йодида натрия, как объяснялось в предыдущем обсуждении разрешения. Германиевые детекторы обеспечивают самое высокое разрешение, доступное сегодня. Однако недостатком является требование 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 комптоновского рассеяния (например, в материале корпуса радиоактивного источника, в защитном материале или материале, иным образом окружающем эксперимент), прежде чем попасть в материал детектора. Это приводит к пиковой структуре, которую можно увидеть на показанном выше энергетическом спектре137
Cs
(рис. 1, первый пик слева от края Комптона), так называемый пик обратного рассеяния. На детальную форму структуры пика обратного рассеяния влияют многие факторы, такие как геометрия эксперимента (геометрия источника, взаимное расположение источника, защиты и детектора) или тип окружающего материала (приводящий к различным соотношениям поперечных сечений). фото- и Комптона-эффекта).
Однако основной принцип заключается в следующем:
Пик обратного рассеяния обычно кажется широким и возникает при энергии ниже 250 кэВ. [12] [13]
При энергиях падающих фотонов E, превышающих массу покоя электрона (1,022 МэВ), более чем в два раза, может произойти образование пар . Образующийся позитрон аннигилирует с одним из окружающих электронов, обычно образуя два фотона с энергией 511 кэВ. В реальном детекторе (т.е. детекторе конечного размера) возможно, что после аннигиляции:
Приведенный выше спектр источника Am-Be показывает пример одиночного и двойного пика ускользания в реальных измерениях.
Если для идентификации образцов неизвестного состава используется гамма-спектрометр, предварительно необходимо откалибровать его энергетическую шкалу. Калибровка выполняется по пикам известного источника, например цезия-137 или кобальта-60. Поскольку номер канала пропорционален энергии, шкалу канала можно преобразовать в шкалу энергии. Если известен размер детекторного кристалла, можно также выполнить калибровку интенсивности, чтобы можно было определить не только энергии, но и интенсивности неизвестного источника — или количество определенного изотопа в источнике.
Поскольку некоторая радиоактивность присутствует повсюду (т. е. фоновое излучение ), спектр следует анализировать при отсутствии источника. Затем фоновое излучение необходимо вычесть из фактического измерения. Вокруг измерительной аппаратуры можно разместить свинцовые поглотители для уменьшения фонового излучения.
Марек работает в Сиднейском университете со студентами-физиками третьего курса и разработал PRA в качестве образовательного инструмента для своих студентов.
