Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гамма-спектроскопия - это количественное исследование энергетических спектров источников гамма-излучения , например, в ядерной промышленности, геохимических исследованиях и астрофизике.

Большинство радиоактивных источников испускают 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 идентичности 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 в оптической спектроскопии , оптический спектр характерен для материала, содержащегося в образце.

Характеристики гамма-излучения [ править ]

Спектр гамма-лучей природного урана , показывающий около дюжины дискретных линий, наложенных на гладкий континуум, позволяет идентифицировать нуклиды. 226
Ра
, 214
Pb
, и 214
Би
цепочки распада урана .

Гамма-лучи - это форма электромагнитного излучения с наивысшей энергией , физически такая же, как и все другие формы (например, рентгеновские лучи, видимый свет, инфракрасный свет, радио), но имеет (в целом) более высокую энергию фотонов из-за их более короткой длины волны. Благодаря этому энергия гамма-фотонов может быть определена индивидуально, а 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 большим временем жизни. Такие источники обычно производят гамма-лучи «линейчатые спектры» (то есть много фотонов, испускаемых с дискретными энергиями ), тогда как гораздо более высокие энергии (выше 1  ТэВ ) могут иметь место в непрерывных спектрах, наблюдаемых в астрофизике и физике элементарных частиц. Граница между гамма-лучами и рентгеновскими лучами несколько размыта, поскольку рентгеновские лучи обычно относятся к электронным лучам высокой энергии. излучение атомов, которое может превышать 100 кэВ, тогда как излучение ядер с наименьшей энергией обычно называют гамма-лучами, даже если их энергия может быть ниже 20 кэВ.

Компоненты гамма-спектрометра [ править ]

Лабораторное оборудование для определения спектра γ-излучения сцинтилляционным счетчиком. Выходные данные сцинтилляционного счетчика поступают в многоканальный анализатор, который обрабатывает и форматирует данные.

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 сигналов, измерители скорости, стабилизаторы положения пиков и устройства обработки данных.

Детектор [ править ]

Детекторы гамма-спектроскопии - это пассивные материалы, которые могут взаимодействовать с приходящими гамма-лучами. Наиболее важными механизмами взаимодействия являются фотоэлектрический эффект , эффект Комптона и рождение пар . Посредством этих процессов энергия гамма-луча поглощается и преобразуется в сигнал напряжения путем обнаружения разницы энергий до и после взаимодействия [ цитата необходима ] (или, в сцинтилляционном счетчике , испускаемых фотонов с помощью фотоумножителя ). Напряжение создаваемого сигнала пропорционально энергии обнаруженного гамма-излучения. Обычные детекторные материалы включают йодид натрия (NaI).сцинтилляционные счетчики и детекторы из высокочистого германия .

Для точного определения энергии гамма-излучения предпочтительно, если возникает фотоэлектрический эффект, поскольку он поглощает всю энергию падающего луча. Поглощение всей энергии также возможно, когда в объеме детектора имеет место ряд этих механизмов взаимодействия. При комптоновском взаимодействии или образовании пар часть энергии может выходить из объема детектора, не поглощаясь. Таким образом, поглощенная энергия дает сигнал, который ведет себя как сигнал от луча с меньшей энергией. Это приводит к тому, что спектральная особенность перекрывает области более низкой энергии. Использование детектора большего объема снижает этот эффект.

Сбор данных [ править ]

Импульсы напряжения, создаваемые для каждого гамма-луча, взаимодействующего в объеме детектора, затем анализируются многоканальным анализатором (MCA). Он принимает сигнал переходного напряжения и преобразует его в гауссову или трапециевидную форму. Из этой формы сигнал затем преобразуется в цифровую форму. В некоторых системах аналого-цифровое преобразование выполняется до изменения формы пика. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и сортируют импульсы их высоты в конкретные бункера 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 .

Принцип амплитудно-импульсного анализатора: три импульса, 1 , 2 и 3 , обнаруживаются в разное время t . Два дискриминатора излучают сигнал счета, если их установленный уровень напряжения достигается за счет импульса. Pulse 2 Триггеры Нижний уровень E L , но не верхний уровень E U . Pulse 2, таким образом , рассчитывали в спектральной области обозначается как P . Счетчик антисовпадений предотвращает сортировку импульса более чем в одной области

Многоканальный анализатор использует быстрый АЦП для записи входящих импульсов и сохраняет информацию об импульсах одним из двух способов: [1]


Выходные данные многоканального анализатора отправляются на компьютер, который сохраняет, отображает и анализирует данные. Различные программные пакеты доступны от нескольких производителей и обычно включают инструменты анализа спектра, такие как калибровка энергии, расчет площади пика и чистой площади, а также расчет разрешения.

Производительность детектора [ править ]

Системы гамма-спектроскопии выбраны с учетом преимуществ нескольких характеристик. Двумя наиболее важными из них являются разрешение детектора и его эффективность.

Разрешение детектора [ править ]

Гамма-излучение, обнаруженное в спектроскопической системе, дает пики в спектре. Эти пики можно также 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 разработаны 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.

Чаще всего для выражения разрешения детектора используется полная ширина на полувысоте (FWHM). Это ширина пика гамма-излучения на половине самой высокой точки распределения пиков. Значения разрешения приведены со ссылкой на указанные энергии гамма-излучения. Разрешение может быть выражено в абсолютных величинах (т. Е. ЭВили МэВ) или относительные. Например, детектор на основе йодида натрия (NaI) может иметь полуширину 9,15 кэВ при 122 кэВ и 82,75 кэВ при 662 кэВ. Эти значения разрешения выражены в абсолютных величинах. Чтобы выразить разрешение в относительных единицах, FWHM в эВ или МэВ делится на энергию гамма-излучения и обычно отображается в процентах. В предыдущем примере разрешение детектора составляет 7,5% при 122 кэВ и 12,5% при 662 кэВ. Детектор из германия может дать разрешение 560 эВ при 122 кэВ, что дает относительное разрешение 0,46%.

Эффективность детектора [ править ]

Не все гамма-лучи, испускаемые источником, которые проходят через детектор, производят счет в системе. Вероятность того, что излучаемое гамма-излучение будет взаимодействовать с детектором и производить подсчет, является эффективностью детектора. Детекторы с высокой эффективностью производят спектры быстрее, чем детекторы с низкой эффективностью. Как правило, детекторы большего размера имеют более высокую эффективность, чем детекторы меньшего размера, хотя экранирующие свойства материала детектора также являются важными факторами. Эффективность детектора измеряется путем сравнения спектра источника известной активности со скоростями счета в каждом пике с ожидаемыми скоростями счета на основе известных интенсивностей каждого гамма-излучения.

Эффективность, как и разрешение, может быть выражена в абсолютных или относительных величинах. Используются те же единицы (например, проценты); поэтому спектроскопист должен позаботиться о том, чтобы определить, какой вид эффективности присваивается детектору. Значения абсолютной эффективности представляют собой вероятность того, что гамма-излучение определенной энергии, проходящее через детектор, будет взаимодействовать и быть обнаружено. Значения относительной эффективности часто используются для германиевых детекторов, и сравнивают эффективность детектора на 1332 кэВ с эффективностью 3-дюймового 3-дюймового детектора NaI (т. Е. 1,2 × 10 -3  имп / с / Бк на 25 см). Таким образом, при работе с очень большими германиевыми детекторами можно встретить относительные значения эффективности более ста процентов.

Энергия регистрируемого гамма-излучения является важным фактором эффективности детектора. Кривая эффективности может быть получена путем построения графика 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 [ править ]

В сцинтилляционных детекторах используются кристаллы, которые излучают свет, когда гамма-лучи взаимодействуют с атомами в кристаллах. Интенсивность излучаемого света обычно пропорциональна энергии, выделяемой в кристалле гамма-лучами; Хорошо известной ситуацией, когда это соотношение не удается, является поглощение излучения <200 кэВ собственными и легированными детекторами иодида натрия. Механизм аналогичен термолюминесцентному дозиметру . Детекторы присоединены к фотоумножителям ; фотокатод преобразует свет в электроны; а затем с помощью динодов для генерации электронных каскадов за счет создания дельта-лучей сигнал усиливается. Общие сцинтилляторов включают таллий - легированный иодид натрия(NaI (Tl)) - часто упрощенный до детекторов иодида натрия (NaI) - и германат висмута (BGO). Поскольку фотоумножители также чувствительны к окружающему свету, сцинтилляторы заключены в светонепроницаемые покрытия.

Сцинтилляционные детекторы также могут использоваться для обнаружения альфа- и бета- излучения.

Детекторы на основе йодида натрия [ править ]

Рисунок 1: Гамма-спектр йодида натрия цезия-137 (137
CS
)
Рисунок 2: Гамма-спектр йодида натрия кобальта-60 (60
Co
)

Йодид натрия, активированный таллием (NaI (Tl)), имеет два основных преимущества:

  1. Его можно производить в крупных кристаллах, что дает хорошую эффективность, и
  2. он производит интенсивные вспышки света по сравнению с другими спектроскопическими сцинтилляторами.

NaI (Tl) также удобен в использовании, что делает его популярным для полевых приложений, таких как идентификация неизвестных материалов в правоохранительных целях.

Рекомбинация электронных дырок будет излучать свет, который может повторно возбудить чистые сцинтилляционные кристаллы; однако легирующая примесь таллия в NaI (Tl) обеспечивает энергетические состояния внутри запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной. После возбуждения в легированных сцинтилляционных кристаллах часть электронов в зоне проводимости будет мигрировать в состояния активатора; нисходящие переходы из состояний активатора не будут повторно возбуждать легированный кристалл, поэтому кристалл прозрачен для этого излучения.

Примером спектра NaI является гамма-спектр изотопа цезия.137CS- см. Рисунок 1 .137
CS
излучает единственную гамма-линию 662 кэВ. Показанная линия 662 кэВ фактически произведена137 кв.м.Ба, То продукт распада из137
CS
, которая 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 видны следующие пики (слева направо):

  1. низкоэнергетическое рентгеновское излучение (за счет внутреннего преобразования гамма-излучения),
  2. обратное рассеяние на низкоэнергетическом конце комптоновского распределения , и
  3. фотопик (пик полной энергии) на энергии 662 кэВ

Распределение Комптона представляет собой непрерывное распределение, которое присутствует вплоть 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 разные энергетические каналы.

Если в спектре присутствует много гамма-лучей, распределения Комптона могут представлять трудности при анализе. Чтобы уменьшить гамма-излучение, можно использовать экран от совпадений - см. Подавление Комптона . Методы уменьшения гамма-излучения особенно полезны для небольших детекторов из германия, легированного литием (Ge (Li)).

Гамма-спектр, показанный на рисунке 2, относится к изотопу кобальта.60
Co
, с двумя гамма-лучами 1,17 МэВ и 1,33 МэВ соответственно. ( См. Статью о схеме распада для схемы распада кобальта-60. ) Две гамма-линии хорошо разделены; пик слева от канала 200, скорее всего, указывает на сильный источник фонового излучения , который не был вычтен. На канале 150 можно увидеть пик обратного рассеяния, аналогичный второму пику на Рисунке 1.

Системы с йодистым натрием, как и все сцинтилляционные системы, чувствительны к изменениям температуры. Изменения рабочей температуры, вызванные изменениями температуры окружающей среды, будут сдвигать 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, производящих гамма-излучение. Сценарии, требующие такого анализа, требуют детекторов с более высоким разрешением.

Детекторы на основе полупроводников [ править ]

Гамма-спектр германия радиоактивного Am-Be-источника.

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 гамма-фотонами.

В полупроводниковых детекторах электрическое поле приложено к объему детектора. Электрон в полупроводнике фиксируется в своей валентной зоне в кристалле до тех пор, пока взаимодействие с гамма-лучами не даст электрону достаточно энергии для перехода 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, создаваемый движущимся электроном, называется «дыркой» и заполняется соседним электроном. Такое перемешивание отверстий эффективно перемещает положительный заряд на отрицательный контакт. Прибытие электрона к положительному контакту и отверстие на отрицательном контакте 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 в чувствительном объеме газонаполненных детекторов, таких как ионизационные камеры .

Обычные детекторы на основе полупроводников , включают германий , теллурид кадмия и кадмий теллурида цинка .

Детекторы из германия обеспечивают значительно улучшенное энергетическое разрешение по сравнению с детекторами из иодида натрия, как объяснялось в предыдущем обсуждении разрешения. Детекторы из германия обеспечивают самое высокое разрешение, доступное сегодня. Однако недостатком является требование криогенных температур для работы германиевых детекторов, как правило, путем охлаждения жидким азотом .

Интерпретация измерений [ править ]

Пик обратного рассеяния [ править ]

В реальной установке детектора некоторые фотоны могут и будут подвергаться одному или потенциально нескольким процессам комптоновского рассеяния (например, в материале корпуса радиоактивного источника, в экранирующем материале или в других материалах, окружающих эксперимент) перед попаданием в материал детектора. Это приводит к структуре пика, которую можно увидеть на приведенном выше энергетическом спектре 137
CS
(Рисунок 1, первый пик слева от комптоновского края), так называемый пик обратного рассеяния. Подробная форма структуры пика обратного рассеяния зависит от многих факторов, таких как геометрия эксперимента (геометрия источника, относительное положение источника, экранирование и детектор) или тип окружающего материала (что приводит к различным соотношениям поперечных сечений). фото- и комптоновского эффекта).

Однако основной принцип заключается в следующем:

  • Источники гамма-излучения изотропно излучают фотоны [2]
  • Некоторые фотоны подвергаются процессу комптоновского рассеяния, например, в экранирующем материале или корпусе источника с углом рассеяния, близким к 180 °, и некоторые из этих фотонов впоследствии будут обнаружены детектором.
  • В результате получается пиковая структура с приблизительно энергией падающего фотона за вычетом энергии комптоновского края.

Пики одиночного и двойного выхода [ править ]

При энергии падающего фотона E, превышающей в два раза массу покоя электрона (1,022 МэВ), может произойти образование пар . Образовавшийся 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:

  • Оба фотона передают свою энергию в детектор.
  • Один из двух фотонов покидает детектор, и только один из фотонов отдает свою энергию в детекторе, что приводит к пику с E-511 кэВ, пику одиночного выхода.
  • Оба фотона покидают детектор, в результате чего возникает пик с E - 2 * 511 кэВ, двойной пик выхода.

Приведенный выше спектр источника Am-Be показывает пример одиночного и двойного пика выхода в реальном измерении.

Калибровка и радиационный фон [ править ]

Если гамма-спектрометр используется для идентификации образцов неизвестного состава, его шкала энергии должна быть сначала откалибрована. Калибровка выполняется с использованием пиков известного источника, такого как цезий-137 или кобальт-60. Поскольку номер канала пропорционален энергии, масштаб канала может быть преобразован в шкалу энергии. Если размер кристалла детектора известен, можно также выполнить калибровку интенсивности, чтобы можно было определить не только энергии, но также интенсивности неизвестного источника или количество определенного изотопа в источнике.

Поскольку некоторая радиоактивность присутствует повсюду (например, фоновое излучение ), спектр следует анализировать при отсутствии источника. Затем из фактического измерения следует вычесть фоновое излучение. Свинцовые поглотители могут быть размещены вокруг измерительного прибора для уменьшения фонового излучения.

См. Также [ править ]

  • Спектроскопия альфа-частиц
  • Гамма-зонд
  • Гамма-спектрометр
  • Изомерный сдвиг
  • Жидкостный сцинтилляционный счет
  • Масс-спектрометрии
  • Мессбауэровская спектроскопия
  • Возмущенная угловая корреляция
  • Эффект пандемониума
  • Спектроскопия полного поглощения
  • Сцинтилляционный счетчик
  • Рентгеновская спектроскопия

Цитированные работы [ править ]

  • Гилмор Дж., Хемингуэй Дж. Практическая гамма-спектрометрия. John Wiley & Sons, Чичестер: 1995, ISBN  0-471-95150-1 .
  • Кнолль Г., Обнаружение и измерение радиации. John Wiley & Sons, Inc. Нью-Йорк: 2000, ISBN 0-471-07338-5 . 
  • Nucleonica Wiki. Генератор гамма-спектра . По состоянию на 8 октября 2008 г.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР" (PDF) . Западный университет . Проверено 27 марта 2016 года .
  2. ^ Шултис, Джон К .; Фау, Ричард Э. (2007). Основы ядерной науки и техники (2-е изд.). CRC Press. п. 175. ISBN 978-1-4398-9408-8.

Внешние ссылки [ править ]

  • Любительская гамма-спектрометрия куска черной плесени, собранной в Минамисоме, недалеко от АЭС Фукусима-Дай-ичи. Япония.
  • Онлайн-утилита преобразования энергетического спектра гамма-излучения