Спектроскопия полного поглощения - это метод измерения, который позволяет измерять гамма-излучение, испускаемое при различных ядерных гамма-переходах, которые могут иметь место в дочернем ядре после распада его нестабильного родительского ядра посредством процесса бета-распада. [1] Этот метод может использоваться для исследований бета-распада, связанных с измерениями бета-питания в пределах полного окна энергии распада для ядер, далеких от стабильности.
Он реализован с помощью специального типа детектора , « спектрометра полного поглощения » (TAS), сделанного из сцинтилляционного кристалла, который почти полностью окружает измеряемую активность, покрывая телесный угол приблизительно 4π. Кроме того, в идеальном случае он должен быть достаточно толстым, чтобы иметь пиковую эффективность, близкую к 100%, таким образом, его общая эффективность также очень близка к 100% (это одна из причин, почему это называется «полным» поглощением. спектроскопия). Наконец, он должен быть слеп к любому другому типу излучения. Гамма-лучи, возникающие при исследуемом распаде, собираются фотоумножителями, прикрепленными к материалу сцинтиллятора. Этот метод может решить проблемуЭффект пандемониума .
При измерении с помощью ТАС произошли изменения в философии. Вместо того, чтобы обнаруживать отдельные гамма-лучи (как это делают детекторы с высоким разрешением ), он будет обнаруживать гамма-каскады, испускаемые при распаде. Тогда окончательный энергетический спектр не будет набором различных энергетических пиков, исходящих от разных переходов (как можно ожидать в случае германиевого детектора), но набор пиков, расположенных с энергией, которая является суммой различных энергий всех гамм каскада, испускаемого с каждого уровня. Это означает, что энергетический спектр, измеренный с помощью ТАС, в действительности будет спектром уровней ядер, где каждый пик является уровнем, заселенным при распаде. Поскольку эффективность этих детекторов близка к 100%, можно увидеть подачу на высокие уровни возбуждения, которые обычно не видны детекторам с высоким разрешением. Это делает спектроскопию полного поглощения лучшим методом для измерения поступления бета-излучения и обеспечения точного распределения интенсивности бета-излучения ( I β ) для сложных схем распада.
В идеальном случае измеренный спектр будет пропорционален бета-питанию ( I β ). Но настоящий ТАС имеет ограниченную эффективность и разрешение , а также I β необходимо извлекать из измеренного спектра, который зависит от отклика спектрометра. Анализ данных TAS непрост: чтобы получить силу из измеренных данных, следует применить процесс деконволюции .
Метод анализа данных ТАС [ править ]
Комплексный анализ данных, измеренных с помощью ТАС, можно свести к решению линейной задачи:
d = Ri
при условии, что он связывает измеренные данные ( d ) с кормлением ( i ), из которого может быть получено распределение бета-интенсивности I β .
R - это матрица отклика детектора (что означает вероятность того, что распад, поступающий на определенный уровень, дает счет в определенном интервале спектра). Функция R зависит от детектора, но также и от конкретной схемы уровней, которая измеряется. Чтобы иметь возможность извлечь значение i из данных d, уравнение должно быть инвертировано (это уравнение также называется « обратной задачей »).
К сожалению, это не может быть сделано легко, потому что существует аналогичная реакция на питание соседних уровней, когда они находятся при высоких энергиях возбуждения, когда плотность уровней высока. Другими словами, это одна из так называемых «некорректно поставленных» проблем , для которой несколько наборов параметров могут точно воспроизводить один и тот же набор данных. Затем, чтобы найти i , необходимо получить отклик, для которого необходимы коэффициенты ветвления и точное моделирование геометрии детектора. Чем выше эффективность используемого ТАС, тем меньше будет зависимость отклика от коэффициентов ветвления. Затем можно вручную ввести неизвестные коэффициенты ветвления на основе правдоподобного предположения. Хорошее предположение можно рассчитать с помощью статистической модели..
Тогда процедура поиска кормов является итеративной: с использованием алгоритма максимизации ожидания для решения обратной задачи, [2] Затем процедура поиска кормов является итеративной: с использованием алгоритма максимизации ожидания для решения обратной задачи, [3] корма извлекаются; если они не воспроизводят экспериментальные данные, это означает, что первоначальное предположение о коэффициентах ветвления неверно и должно быть изменено (конечно, можно поиграть с другими параметрами анализа). Повторяя эту процедуру итеративно с уменьшенным числом шагов, данные, наконец, воспроизводятся.
Расчет коэффициента ветвления [ править ]
Лучший способ справиться с этой проблемой - сохранить набор дискретных уровней при низких энергиях возбуждения и набор бинированных уровней при высоких энергиях. Предполагается, что набор для низких энергий известен и может быть взят из баз данных (например, из базы данных [ENSDF] [4], в которой есть информация из того, что уже было измерено с помощью метода высокого разрешения). Набор для высоких энергий неизвестен и не перекрывается с известной частью. В конце этого расчета вся область уровней внутри окна значений Q (известная и неизвестная) разбивается на интервалы.
На этом этапе анализа важно знать коэффициенты внутреннего преобразования для переходов, соединяющих известные уровни. Коэффициент внутреннего преобразования определяется как количество девозбуждений через излучение e- по сравнению с излучением γ. Если имеет место внутреннее преобразование, мультипольный ЭМполя ядра не приводят к испусканию фотона, вместо этого поля взаимодействуют с атомными электронами и заставляют один из электронов испускаться из атома. Гамма, которая будет испускаться после бета-распада, пропущена, и интенсивность γ соответственно уменьшается: IT = Iγ + Ie− = Iγ (1 + αe), поэтому это явление необходимо учитывать в расчетах. Кроме того, рентгеновские лучи будут загрязнены лучами, полученными в процессе преобразования электронов. Это важно для распада электронного захвата , так как оно может повлиять на результаты любых рентгеновских стробированных спектров, если внутреннее преобразование является сильным. Его вероятность выше для более низких энергий и высокой многополярности.
Один из способов получить всю матрицу коэффициентов ветвления - использовать статистическую ядерную модель. Эта модель генерирует объединенную матрицу отношения ветвления из средних плотностей уровней и средних функций силы гамма-излучения. Для неизвестной части могут быть рассчитаны средние коэффициенты ветвления, для которых можно выбрать несколько параметризаций, в то время как для известной части используется информация в базах данных.
Моделирование ответа [ править ]
Невозможно создать источники гамма-излучения, излучающие всю энергию, необходимую для точного расчета отклика детектора TAS. По этой причине лучше выполнить моделирование отклика методом Монте-Карло . Чтобы это моделирование было надежным, необходимо точно смоделировать взаимодействия всех частиц, испускаемых при распаде (γ, e− / e +, Auger e, рентгеновские лучи и т. частицы должны хорошо воспроизводиться. Также необходимо включить световое производство сцинтиллятора. Способ выполнения этого моделирования подробно объясняется в статье D. Cano-Ott et al. [5] GEANT3 и GEANT4 хорошо подходят для такого рода моделирования.
Если сцинтилляционный материал детектора TAS страдает от непропорциональности в производстве света, [6] пики, создаваемые каскадом, будут смещаться дальше с каждым приращением кратности, а ширина этих пиков будет отличаться от ширины одиночные пики с одинаковой энергией. Этот эффект может быть введен в моделирование посредством гиперболической сцинтилляционной эффективности. [7]
Моделирование генерации света расширит пики спектра ТАС; однако это все еще не воспроизводит реальную ширину экспериментальных пиков. Во время измерения существуют дополнительные статистические процессы, которые влияют на сбор энергии и не учитываются в Монте-Карло. Эффект от этого - дополнительное расширение экспериментальных пиков ТАС. Поскольку пики, воспроизводимые с помощью Монте-Карло, не имеют правильной ширины, к смоделированному отклику необходимо применить свертку с эмпирическим распределением инструментального разрешения.
Наконец, если данные, которые должны быть проанализированы, поступают из событий захвата электронов, необходимо построить смоделированную матрицу гамма-отклика с использованием смоделированных откликов на отдельные моноэнергетические γ-лучи нескольких энергий. Эта матрица содержит информацию о зависимости функции отклика от детектора. Чтобы включить также зависимость от схемы уровней, которая измеряется, вышеупомянутая матрица должна быть свернута с ранее рассчитанной матрицей коэффициента ветвления. Таким образом получается окончательный глобальный ответ R.
Вспомогательные детекторы [ править ]
При использовании метода ТАС важно помнить, что при измерении ядер с коротким периодом полураспада энергетический спектр будет загрязнен гамма-каскадами дочерних ядер, образующихся в цепочке распада. Обычно детекторы TAS имеют возможность размещать внутри них дополнительные детекторы для измерения вторичного излучения, такого как рентгеновские лучи , электроны или позитроны . Таким образом можно пометить другие компоненты распада во время анализа , что позволит разделить вклады, исходящие от всех различных ядер ( изобарическое разделение).
Детекторы ТАС в мире [ править ]
ТАС в ISOLDE [ править ]
В 1970 г. в ISOLDE использовался спектрометр, состоящий из двух цилиндрических детекторов NaI диаметром 15 см и длиной 10 см [8].
ТАС в GSI [ править ]
Измерительная станция TAS, установленная в GSI [9], имела ленточную транспортную систему, которая позволяла собирать ионы, выходящие из сепаратора (они были имплантированы в ленту), и транспортировать эти ионы из места сбора в центр. ТАС для измерения (движением ленты). ТАС на этой установке был изготовлен из цилиндрического кристалла NaI Φ = h = 35,6 см с концентрическим цилиндрическим отверстием в направлении оси симметрии. Это отверстие было заполнено пробковым детектором (4,7x15,0 см) с держателем, позволяющим разместить дополнительные детекторы и два ролика для ленты.
Измерительная станция Лукреция [ править ]
Эта измерительная станция, установленная в конце одного из лучей ISOLDE, состоит из ТАС и ленточной станции.
На этой станции для крепления ленты используется балочная труба. Луч имплантируется в ленту за пределами TAS, которая затем транспортируется в центр детектора для измерения. На этой станции также можно имплантировать луч прямо в центр ТАС, изменив положение роликов. Последняя процедура позволяет измерять более экзотические ядра с очень короткими периодами полураспада.
Лукрецияэто ТАС на этой станции. Он сделан из цельного куска материала NaI (Tl) цилиндрической формы с φ = h = 38 см (самый большой из когда-либо построенных, насколько нам известно). Он имеет цилиндрическую полость диаметром 7,5 см, проходящую перпендикулярно оси симметрии. Это отверстие предназначено для того, чтобы трубка луча достигла положения измерения, чтобы ленту можно было расположить в центре детектора. Это также позволяет размещать дополнительные детекторы на противоположной стороне для измерения других типов излучения, испускаемого активностью, имплантированной в ленту (рентгеновские лучи, e− / e + и т. Д.). Однако наличие этого отверстия делает этот детектор менее эффективным по сравнению с GSI TAS (общая эффективность Lucrecia составляет около 90% от 300 до 3000 кэВ). Свет Лукреции улавливается 8 фотоумножителями.Во время измерений Лукреция продолжает измерения с общей скоростью счета не более 10 кГц, чтобы избежать наложений второго и более высокого порядка.
Вокруг ТАС находится защитная коробка толщиной 19,2 см, состоящая из четырех слоев: полиэтилена, свинца, меди и алюминия. Его цель - поглотить большую часть внешнего излучения (нейтронов, космических лучей и фона комнаты).
См. Также [ править ]
- Эффект пандемониума
- Сцинтилляционный счетчик
Ссылки [ править ]
- ^ Rubio, B .; Геллетли, W. (2007). «Спектроскопия полного поглощения» (PDF) . Румынские отчеты по физике . 59 (2): 635–654.
- ^ Тайн, JL; Кано-Отт, Д. (2007). «Влияние неизвестной картины девозбуждения на анализ спектров полного поглощения β-распада». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 571 (3): 719–728. Bibcode : 2007NIMPA.571..719T . DOI : 10.1016 / j.nima.2006.09.084 .
- ^ Тайн, JL; Кано-Отт, Д. (2007). «Влияние неизвестной картины девозбуждения на анализ спектров полного поглощения β-распада». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 571 (3): 719–728. Bibcode : 2007NIMPA.571..719T . DOI : 10.1016 / j.nima.2006.09.084 .
- ^ Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF) http://www.nndc.bnl.gov/ensdf/
- ^ Кано-Отт, Д .; и другие. (1999). «Коррекция наложения импульсов в больших спектрах полного поглощения NaI (Tl) с использованием истинной формы импульса». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 430 (2–3): 488–497. Bibcode : 1999NIMPA.430..488C . DOI : 10.1016 / S0168-9002 (99) 00216-8 .
- ^ Engelkemeir, D. (1956). «Нелинейный отклик NaI (Tl) на фотоны». Rev. Sci. Instrum . 27 (8): 589–591. Bibcode : 1956RScI ... 27..589E . DOI : 10.1063 / 1.1715643 .
- Перейти ↑ Cano-Ott, D. (1998). Цитировать журнал требует
|journal=( помощь );Отсутствует или пусто|title=( справка ) - ^ Герцог, CL; и другие. (1970). «Силовые явления в бета-распаде электронного захвата». Ядерная физика . 151 (3): 609–633. Bibcode : 1970NuPhA.151..609D . DOI : 10.1016 / 0375-9474 (70) 90400-8 .
- ^ Карни, М .; и другие. (1997). «Подключение спектрометра полного поглощения к массовому сепаратору GSI, работающему в режиме онлайн» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел B . 126 (1): 411–415. Bibcode : 1997NIMPB.126..411K . DOI : 10.1016 / S0168-583X (96) 01007-5 .
Внешние ссылки [ править ]
- Он-лайн экспериментальный зал «Изотопный масс-сепаратор» , в котором установлена «Лукреция».
- Группа гамма-спектроскопии , занимающаяся измерениями спектроскопии полного поглощения.
