к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Гамма-спектрометр

Гамма-спектрометр - прибор для измерения энергии 1119921-441.jpg-квантов и интенсивности 1119921-442.jpg-излучения. Регистрация и измерение энергии 1119921-443.jpg-квантов в большинстве случаев связаны с наблюдением электронов или электрон-позитронных пар, возникающих при взаимодействии гамма-излучения с веществом в процессах комптоновского рассеяния, фотоэлектрич. поглощения и образования пар. Различия в зависимостях эффективных сечений этих процессов от энергии 1119921-444.jpg-квантов, а также от ат. номеров Z элементов, входящих в состав вещества детектора, обусловливают выбор наиб. эффективного для данной области энергии 1119921-445.jpg-квантов метода их регистрации и определения энергии. Основной частью гамма-спектрометра является детектор 1119921-446.jpg-квантов. В некоторых детекторах функция регистрации фотонов совмещена со спектрометрич. функцией, т. е. они сами могут служить гамма-спектрометрами. Сюда относятся сцинтилляц. и полупроводниковые детекторы, пропорц. счётчики, ионизац. камеры. В других, более сложных гамма-спектрометрах эти функции разделены. К таким приборам относятся кристалл-дифракционные гамма-спектрометры, магн. спектрометры, а также применяемые для спектрометрии 1119921-447.jpg-квантов высокой энергии пузырьковые камеры.

Основные характеристики гамма-спектрометров

Основные характеристики гамма-спектрометров - это разрешающая способность и эффективность. Под разрешающей способностью обычно понимается величина 1119921-448.jpg , где 1119921-449.jpg - энергия регистрируемых моноэнергетичных 1119921-450.jpg-квантов, а 1119921-451.jpg - ширина измеренной данным гамма-спектрометра. 1119921-452.jpg-линии на половине её высоты. Иногда в литературе в качестве меры разрешающей способности указывают просто абс. величину 1119921-453.jpg Эффективностью гамма-спектрометра называется выраженная в % доля, к-рую составляют зарегистрированные прибором 1119921-454.jpg-кванты данной энергии от общего числа 1119921-455.jpg-квантов, попадающих в детектор гамма-спектрометра. Для одного и того же гамма-спектрометра эффективность обычно сильно зависит от энергии 1119921-456.jpg -квантов. Иногда гамма-спектрометр характеризуют светосилой, под которой понимается отношение числа зарегистрированных за определённое время 1119921-457.jpg-квантов к общему их числу, испущенному источником за то же время.

Ниже порога рождения пар (1,022 МэВ) регистрация 1119921-458.jpg -квантов ведётся по комптоновским и фотоэлектронам. В области совсем малых энергий (десятки кэВ) осн. роль играет фотоэффект. При высоких энергиях гл. процессом взаимодействия 1119921-460.jpg-лучей с рабочим веществом детектора является образование пар.

1119921-459.jpg

Рис. 3. Волновая картина поля в иглообразном кристалле в условиях эффекта Бормана; излучение с боковых граней мало.


Сцинтилляционный гамма-спектрометр

Сцинтилляционный гамма-спектрометр представляет собой комбинацию фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и сцинтиллятора, в к-ром под действием электронов, создаваемых 1119921-461.jpg-лучами, образуется кратковрем. вспышка света - сцинтилляция, преобразуемая в ФЭУ в электрич. сигнал; амплитуда сигнала импульса пропорциональна энергии электрона (см. Сцинтилляционный детектор). Амплитудный анализатор позволяет получить амплитудный спектр импульсов. Для спектрометрии 1119921-462.jpg-квантов с энергией до неск. МэВ чаще всего применяются сцинтилляторы из NaI, активированного Tl. Это вещество отличается достаточно большой плотностью (3,67 г/см3) и сравнительно высоким ср. ат. номером, что обеспечивает высокую эффективность регистрации1119921-465.jpg-квантов. Разрешающая способность сцинтилляц. гамма-спектрометра 1119921-466.jpg ~4-5% при 1119921-467.jpg1,3 МэВ и изменяется с энергией приблизительно как 1119921-468.jpg.

1119921-463.jpg

Рис. 1. Амплитудный спектр импульсов от сцинтилляционного гамма-спектрометра с кристаллом NaI(Tl) диаметром и высотой ~76 мм, облучаемого 1119921-464.jpg-квантами с энергией 1,92 МэВ.


В спектре, полученном с помощью сцинтилляц. гамма-спектрометра, можно видеть т. н. пик полного поглощения (рис. 1). В него дают вклады все процессы, в результате к-рых энергия 1119921-469.jpg-кванта целиком поглощается в кристалле: фотоэлектрич. поглощение, к-рому сопутствует поглощение испущенных рентг. квантов (см. Фотоэффект); образование пар, сопровождающееся поглощением обоих 1119921-470.jpg-квантов, возникающих при аннигиляции пары позитрон-электрон; комптоновское рассеяние с поглощением рассеянного кванта (см. Комптона эффект). Во всех этих случаях должны поглощаться также все рентг. кванты, связанные со всеми процессами фотоэлектрич. поглощения. Энергия, соответствующая пику полного поглощения, и есть энергия 1119921-471.jpg-кванта.

В спектре видны также пики, соответствующие процессам образования пар в сцинтилляторе, сопровождающимся вылетом из него одного (2) или двух (3) аннигиляц. 1119921-472.jpg-квантов. Комптоновское рассеяние 1119921-473.jpg-лучей в сцинтилляторе приводит к возникновению сплошного спектра, заканчивающегося со стороны высоких энергий характерным уступом (4), соответствующим верх. границе энергетич. распределения комптоновских электронов. Пики 5 и 6 связаны с аннигиляц. квантами и излучением, рассеянным окружающими предметами. Иногда в сцинтилляц. гамма-спектрометре можно увидеть т. н. пики вылета, соответствующие фотоэлектронам и одноврем. вылету из кристалла рентг. квантов К-серии, следующих за фотопоглощением 1119921-474.jpg-квантов. Соотношение интенсивностей всех перечисленных пиков зависит от энергии 1119921-475.jpg-квантов, а также от размеров и формы сцинтиллятора.

Полупроводниковый гамма-спектрометр

Всё сказанное выше о форме спектра импульсов сцинтилляц. гамма-спектрометров относится и к др. видам гамма-спектрометров, среди к-рых важную роль играют полупроводниковые гамма-спектрометры. В монокристалле полупроводника создаётся область, обеднённая осн. носителями заряда. Под действием электронов, образуемых 1119921-476.jpg -квантами, в этой области возникают электронно-

дырочные пары. С помощью приложенного электрич. поля электроны и дырки выводятся из обеднённой области. Возникающий в результате этого электрич. импульс усиливается и регистрируется амплитудным анализатором. При этом амплитуда импульса, пропорциональная энергии электрона и энергии 1119921-477.jpg-кванта, определяется по пику полного поглощения (см. Полупроводниковый детектор).

Поскольку на образование одной пары носителей заряда требуется, по крайней мере, в 100 раз меньше энергии (2,8 эВ в кристалле Ge), чем затрачивается в сцинтилляц. счётчике на получение одного фотоэлектрона с фотокатода ФЭУ, то разрешающая способность полупроводникового гамма-спектрометра оказывается гораздо более высокой, чем у сцинтилляц. гамма-спектрометров. Для спектрометрии 1119921-478.jpg-квантов с энергией порядка неск. МэВ в осн. применяются работающие при температуре жидкого азота германиевые детекторы двух типов: детекторы, в к-рых обеднённая область создана внедрением ионов Li в кристалл Ge с проводимостью р-типа, и детекторы из сверхчистого Ge. Полупроводниковые гамма-спектрометры дают возможность получить 1119921-479.jpg1,7-2 кэВ при E= 1,33 МэВ. В области малых энергий 1119921-480.jpg-квантов применяются небольшие по объёму детекторы из сверхчистого Ge и Ge, в к-ром обеднённая область создана предварительным интенсивным 1119921-481.jpg-облучением (т. н. радиац. детекторы), а также детекторы из Si с внедрённым Li. При энергиях 1119921-482.jpg-квантов ~6 кэВ в таких гамма-спектрометров достигнуты ширины линий 1119921-483.jpg~150- 200 эВ, а при 1119921-484.jpg~60 кэВ 1119921-485.jpg~350-400 эВ.

1119921-486.jpg

Рис. 2. Амплитудный спектр импульсов от полупроводникового 1119921-487.jpg -спектрометра с коаксиальным Се(Li)-детектором (рабочий объём 38 см3), облучаемого 1119921-488.jpg-квантами радионуклида 134Cs. По оси ординат - число отсчётов на канал анализатора; цифры над пиками указывают энергии 1119921-489.jpg-квантов в кэВ.

По эффективности полупроводниковые гамма-спектрометры значительно уступают сцинтилляционным с кристаллами NaI (Tl). Германиевые детекторы объёмом ~30 см3 имеют эффективность регистрации g~квантов с энергией 1,33 МэВ, определённую по площади пика полного поглощения, порядка 2-3% (рис. 2). Больший объём кристалла даёт большую эффективность (существуют германиевые детекторы с рабочим объёмом 100-120 см3 и более).

Другие гамма-спектрометры для малых энергий 1119921-490.jpg- квантов. В области энергий 1119921-491.jpg-квантов 1119921-492.jpg~100 кэВ иногда применяются газовые пропорциональные счётчики, наполненные Ar или Kr. По разрешающей способности они уступают полупроводниковым гамма-спектрометрам, но существенно превосходят сцинтилляц. гамма-спектрометры.

Mагн. гамма-спектрометры, основанные на измерении энергии комптоновских электронов или электронно-позитронных пар, создаваемых 1119921-493.jpg-квантами в тонком радиаторе, игравшие важную роль в прошлом, применяются редко, их вытесняют полупроводниковые гамма-спектрометры, не уступающие им по разрешающей способности, но значительно превосходящие их по эффективности. Однако магнитные спектрометры сохранили своё значение в качестве спектрометров электронов внутр. конверсии 1119921-494.jpg -лучей (см. Конверсия внутренняя, Бета-спектрометр) и др. экспериментах. Лучшие приборы этого типа имеют разрешающую способность 0,03% при светосиле 0,05% [1].

Кристалл-дифракц. гамма-спектрометры применяются в осн. при низких энергиях 1119921-495.jpg-квантов. Эти приборы отличаются особенно высокой точностью измерения энергии и по принципу действия аналогичны рентг. спектрометрам (см. Спектральная аппаратура рентгеновская). С целью повышения светосилы в нек-рых из них применяют изогнутые кристаллы, позволяющие дифрагировавшим 1119921-496.jpg-лучам собираться в фокусе спектрометра, куда помещается детектор. На рис. 3 показана схема спектрометра с изогнутым кристаллом. Аппаратурные ширины линий у подобного рода гамма-спектрометры составляют примерно 20 эВ при энергиях 1119921-499.jpg-квантов в неск. сотен кэВ. Абс. же значения энергии в максимуме определяются с очень малой относит. погрешностью порядка 10-7-10-6 [2]. Получить такую высокую точность оказалось возможным благодаря тщательному предварительному измерению межплоскостного расстояния для монокристалла. Недостатком кристалл-дифракц. спектрометров является их малая светосила (1119921-500.jpg0,1% для спектрометров с изогнутым кристаллом).

1119921-497.jpg

Рис. 3. Схема дифракционного гамма-спектрометра с изогнутым кристаллом: 1 - источник 1119921-498.jpg-квантов; 2,4 - щелевые коллиматоры; 3 - упругоизогнутый кристалл кварца; 5 - детектор.


Гамма-спектрометры для 1119921-501.jpg-квантов высоких энергий. Методы, применяемые для спектроскопии 1119921-502.jpg-квантов высоких энергий, сильно отличаются от перечисленных. Существуют гамма-спектрометры, основанные на регистрации черенковского излучения от электронно-фотонных ливней, вызываемых 1119921-503.jpg-квантами высокой энергии в радиаторах из достаточно тяжёлого прозрачного вещества, напр. свинцового стекла (см. Черенковский счетчик). Размеры подобного радиатора выбираются так, чтобы в нём уложились пробеги всех электронов и позитронов ливня, для чего продольный размер должен быть порядка десяти радиац. длин, а поперечный размер должен превосходить поперечную расходимость ливня. В физике высоких энергий в качестве гамма-спектрометров используются также пузырьковые камеры [3]. Энергии 1119921-504.jpg-квантов определяются по энергиям пар, образованных в рабочем веществе камеры. В камерах с лёгкими жидкостями (водород, гелий, пропан), помещёнными в магн. поле, удаётся измерить энергию пары по кривизне нач. участков треков электрона и позитрона, поскольку радиац. длина в этих жидкостях велика и, по крайней мере, в начале треков общие радиац. потери энергии ещё малы. В камерах с тяжёлыми жидкостями (напр., с Xe) радиац. длина мала и в большинстве случаев ливень развивается в пределах объёма камеры. В этом случае энергию ливня, а значит, и первичного1119921-505.jpg-кванта можно определить по сумме пробегов всех заряж. частиц в ливне. Эта процедура, однако, пригодна лишь до энергий 1119921-506.jpg-квантов ~10 ГэВ.

Литература по гамма-спектрометрам

  1. Лютый И. H. и др., Стабилизация формы магнитного поля железного b-спектрометра1119921-507.jpg с использованием нутационных датчиков, "Изв. АН СССР, сер. физ.", 1970, т 34, с. 828;
  2. Алексеев В. Л. и др., Улучшение основных параметров 4-метрового кристалл-дифракционного гамма-спектрометра по Кошуа, в кн.: Тезисы докладов XXXI Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Л., 1981, с. 614;
  3. Стругальский З. С., Измерение энергий гамма-квантов и электронов в пузырьковых камерах, Дубна, 1972;

см. также лит. при ст. Гамма-спектроскопия.

А. В. Давыдов

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 22.09.2019 - 08:27: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
22.09.2019 - 08:22: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Галины Царёвой - Карим_Хайдаров.
21.09.2019 - 11:36: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
20.09.2019 - 19:50: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
20.09.2019 - 04:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
18.09.2019 - 12:08: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
18.09.2019 - 06:01: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Л.Г. Ивашова - Карим_Хайдаров.
17.09.2019 - 05:51: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ФАЛЬСИФИКАЦИЯ ИСТОРИИ - Карим_Хайдаров.
17.09.2019 - 05:41: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Тиртхи - Карим_Хайдаров.
16.09.2019 - 03:11: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
14.09.2019 - 18:23: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
13.09.2019 - 09:08: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution