Измерение низкоэнергетических y–квантов. Спектрометрия КХ–y–излучения

Блок – схема простейшего гамма – спектрометра.

Рис. 1

Он состоит из полупроводникового детектора, обычно помещаемого в экран, который служит защитой от внешнего фонового излучения, согласующего блока (предусилителя), линейного усилителя импульсов и многоканального амплитудного анализатора. Энергия зарегистрированного

γ – кванта определяется по высоте амплитуды импульса снимаемого с выхода детектора.

Требования, предъявляемые к усилителям, определяются характером импульсов, снимаемых с детектора. Так как фронт импульса (его нарастание по времени) очень короткий, то спектрометрические усилители должны обладать широкой полосой пропускания. Коэффициент усиления, должен быть стабильным и не зависеть от амплитуды усиливаемого сигнала, иначе форма спектра будет искаженной, произойдет уширение пиков и их смещение, т.е. получится несоответствие между действительной амплитудой импульса с детектора и положением канала анализатора, в который эта амплитуда записывается. Немаловажное требование к спектрометрическому усилителю – минимальный уровень собственных шумов, поскольку отношение сигнал/шум является определяющим при регистрации γ – квантов малой энергии.

Основными требованиями, предъявляемыми к высоковольтному источнику питания детектора, является высокая стабильность напряжения. Практически стабильность источника высокого напряжения должна быть не хуже (0.01 –0.05)%.

Спектры гамма-квантов анализируются многоканальными амплитудными анализаторами.

Амплитудный анализатор выполняет две функции:

– измерение амплитуд импульсов, поступающих с детектора,

– накопление распределения импульсов по амплитудам.

Анализаторы в полупроводниковых гамма – спектрометрах обычно имеют 512 каналов и более. Поэтому получение результатов спектрометрических измерений сопряжено с хранением и обработкой значительных массивов информации. Современные анализаторы могут непосредственно встраиваться в канал компьютера или связываться с компьютером посредством стандартных интерфейсов. В этом случае поступающая с анализатора информация может накапливаться непосредственно в оперативной памяти компьютера, обрабатываться соответствующим программным обеспечением, записываться в устройствах долговременного хранения информации. Эти возможности существенно облегчают выполнение спектрометрических задач.

Аппаратурная форма линии

Для решения задач полупроводниковой гамма – спектрометрии необходимо знать форму аппаратурной линии спектрометра, т.е. аппаратурный спектр (гистограмму) для монохроматического источника гамма-квантов. Форма аппаратурной линии определяется параметрами детектора и зависит от энергии гамма-квантов.

В детекторах относительно малых размеров (~ 10 – 20 мм) многократные взаимодействия гамма-квантов маловероятны. В этом случае распределение вторичных заряженных частиц по энергиям можно представить следующим образом:

1. Моноэнергетические электроны, возникающие при фотопоглощении γ – квантов атомами вещества детектора. Энергия таких электронов равна энергии γ – кванта за вычетом энергии связи К-электрона (реже L- или M-) в атоме. Возбужденный атом переходит в основное состояние путем испускания характеристического рентгеновского излучения или Оже – электрона, которые легко поглощаются веществом. Поэтому практически вся энергия регистрируемого γ – кванта превращается в кинетическую энергию вторичных электронов. Это приводит к тому, что амплитуда импульса на выходе детектора, соответствующая процессу фотопоглощения γ – кванта в детекторе, будет пропорциональна энергии гамма – кванта, а не энергии фотоэлектрона. Наблюдаемый при этом пик в спектре амплитуд импульсов называется пиком полного поглощения или фотопиком. В реальном детекторе всегда имеется неопределенность преобразования энергии кванта в амплитуду импульса детектора. Эта неопределенность обусловлена следующими факторами:

· тепловыми шумами детектора;

· нестабильностью характеристик детектора во времени;

· флуктуациями электрического тока в цепях питания и нагрузки детектора.

В результате этого фотопик в реальном аппаратурном спектре имеет значительную ширину. Его форма очень хорошо описывается распределением Гаусса:

, (1)

где S – площадь под пиком, n – номер канала (– положение максимума пика), σ – среднеквадратичное отклонение от его среднего значения.

2. Непрерывное распределение электронов в результате комптоновского взаимодействия. В этом случае амплитудный спектр импульсов является сплошным, а возможные значения энергии комптоновских электронов ограничены пределами

, (2)

где МэВ – энергия покоя электрона, Еg и Ee – энергии γ – квантов и электронов, измеренные в МэВ, соответственно. Таким образом, максимальная энергия комптоновских электронов ниже, чем энергия фотоэлектронов на величину.

(3).

Поэтому существует принципиальная возможность выделить пик полного поглощения из суммарного непрерывного спектра. Кривая распределения комптоновских электронов характеризуется весьма резким возрастанием около точки их максимальной энергии. Граница в аппаратурном спектре, соответствующая максимальной энергии комптоновских электронов, называется краем комптоновского спектра. По этой границе также можно определить энергию Еg, как и по фотопику, но с существенно большей погрешностью.

На форму реального аппаратурного спектра дополнительное влияние оказывает утечка быстрых электронов из краевых частей сцинтиллятора и рассеянное γ – излучение от конструкционных элементов самого детектора. Утечка электронов приводит к некоторой деформации аппаратурного спектра. Однако, если сцинтиллятор не слишком мал, то доля электронов, выходящих из него, невелика. Рассеянные в конструкции детектора γ – кванты имеют различную энергию и направление. Среди них существенную роль играют кванты, рассеянные обратно в сцинтиллятор от примыкающих к нему элементов детектора и экрана, защищающего детектор от внешнего фонового излучения. На основании выражения для энергии рассеянного кванта при комптоновском эффекте.

, (4)

где q – угол рассеяния, можно сделать вывод, что в случае обратного рассеяния (q ~ 1300 – 1800) энергия рассеянных гамма-квантов меняется мало. Поэтому на аппаратурной линии может наблюдаться пик, соответствующий данной энергии – пик обратного рассеяния.

Основные характеристики полупроводникового гамма-спектрометра

Относительная простота и необходимая точность определения энергии γ – квантов через амплитуду импульсов достигается при условии, что вся система гамма – спектрометра линейна. Требование линейности означает существование пропорциональности между энергией γ – кванта, поглощенной в детекторе и номером канала анализатора, соответствующего положению пика полного поглощения. Линейность является одной из важнейших характеристик спектрометра. Ее проверяют путем измерения спектров стандартных источников, испускающих γ – кванты одной или нескольких известных энергий. Линейность является градуировочной характеристикой спектрометра, т. к. каждому каналу анализатора ставит в соответствие определенную энергию γ – кванта. Вследствие линейности спектрометрической системы, энергия γ – кванта Eg и номер канала Nk связаны уравнением:

Страница:  1  2  3  4  5 


Другие рефераты на тему «Коммуникации, связь и радиоэлектроника»:

Поиск рефератов

Последние рефераты раздела

Copyright © 2010-2024 - www.refsru.com - рефераты, курсовые и дипломные работы