Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
242 G(E/)
KS
L
G(?/l
G(E1V)
1,0 V,Mj" 5
амплитудные распределения при регистрации у-квантов в неорганических кристаллах оказываются сложными.
В процессе формирования амплитудного распределения для у-квантов имеет существенное значение и многократное рассеяние квантов внутри кристалла. Этот процесс приобретает тем большее значение, чем больших размеров кристалл.
В результате многократного взаимодействия у-квантов в сцинтилляторе (в различных его частях) образуются электроны отдачи, которые впоследствии вызывают сцинтилляционный процесс. Так как время образования электронов обычно мало в сравнении с временем высвечивания сцинтилляторов т, то можно считать, что создаются единая световая вспышка и единый импульс на выходе сцинтилляционного счетчика. Действительно, скорость у-квантов около 3 • IO10 см/сек, поэтому их время жизни в сцинтилляторе по порядку величин равно 3 • Ю-11 I сек, где I — или размер сцинтиллятора, или средний свободный пробег у-кванта в сцинтилляторе, если размер сцинтиллятора больше среднего свободного пробега у-кванта. Для NaI(Tl) больших размеров (I iv 10 см) время образования электронов отдачи около 3 • Ю-10 сек, т. е. в тысячу раз меньше т. Время высвечивания самых быстрых жидких сцинтилляторов примерно 3 • Ю-9 сек, а пробег у-кванта в жидких сцинтилляторах около 30 см. И в этом случае время образования электронов отдачи оказывается меньше, чем т.
Функции отклика, приведенные на рис. 7.12 и 11.8, являются типичными для многих неорганических кристаллов, в состав которых входят элементы с большими атомными номерами. Функция G (E, V) при регистрации у-квантов с помощью органических кристаллов представляет собой непрерывное распределение, на фоне которого имеется лишь один слабый максимум, если энергия у-квантов превышает 3 — 4 Мэв. Такой вид формы линии обусловлен тем, что у-кванты в органических соединениях взаимодействуют с электронами в основном в результате комптон-эффекта. Вероятность фотоэффекта даже для у-квантов с энергией 50 кэв приблизительно в 20 раз меньше вероятности комптоновского рассеяния. Таким образом, органические кристаллы — практически чистые ком-птоновские рассеиватели. На рис. 7.12, б показана функция G (Е, У) для кристалла стильбена диаметром и высотой 30 мм, облучаемого у-квантами с энергией 4,45 Мэв. Граница функции
0
4 V1MSS
Рис. 7.12. Функции отклика:
а — кристалл NaI(Tl)1 ^-кванты с энергией 1 Мэв\ б — кристалл стильбена, v-кванты с энергией 4,5 Мэв; S — кристалл стильбена, нейтроны с энергией 4 Мэв (пунктир — функция в шкале энергий протонов отдачи)
243 G (E, V) соответствует у-квантам, претерпевшим рассеяние на 180°. Небольшой максимум обязан эффекту образования пар. Форма линии мало похожа на спектр электронов отдачи при однократном рассеянии у-квантов (см. гл. 2), хотя кристалл, для которого получена функция G (Е, V), малых размеров, и вероятность многократного рассеяния мала. Дело в том, что здесь велика вероятность выхода комптоновских электронов за пределы кристалла, поскольку пробеги электронов в органическом кристалле с энергией 3 — 4 Мэв составляют 1,5 — 2,0 см. Поэтому в представленном на рис. 7.12 спектре много импульсов с малыми амплитудами по сравнению с расчетным спектром электронов отдачи (см. гл. 2).
Рассмотрим теперь вид функции G (Е, V) при регистрации нейтронов. В неорганических кристаллах типа NaI (Tl) нейтроны будут упруго и неупруго рассеиваться на ядрах, поглощаться. Это основные процессы в области энергий нейтронов до нескольких мегаэлектронвольт. Ядра отдачи Na и I получат очень малую долю энергии нейтронов. Кроме того, плотность ионизации для ядер Na и I велика, и поэтому конверсионная эффективность будет много меньше, чем для электронов. Следовательно, амплитуды импульсов, созданные ядрами отдачи, будут очень небольшими. Так, ядро отдачи натрия при энергии нейтрона 3 Мэв сможет получить энергию не более 0,3 Мэв. Конверсионная эффективность для ядер натрия меньше, чем для электронов, по крайней мере в 5 раз. Следовательно, максимальные импульсы, созданные ядрами отдачи натрия, эквивалентны импульсам от электронов с энергией <, 50 кэв.
В результате неупругого рассеяния нейтронов и их радиационного захвата (главным образом ядрами I) появляются у-кванты, которые создают в результате взаимодействий электроны отдачи, а последние создают импульсы на выходе фотоумножителя. Таким образом, нейтроны в таких кристаллах будут регистрироваться в результате двух последовательных взаимодействий—сначала нейтронов с ядрами и затем у-квантов с электронами. Функция отклика G (Е, V) в этом случае будет слабо зависеть от энергии нейтронов, а будет определяться спектром у-квантов радиационного захвата и неупругого рассеяния.
Регистрация нейтронов оказывается эффективной в органических сцинтилляторах, где люминесценция происходит под действием протонов отдачи. На рис. 7.12 показана функция G(E, V), измеренная с кристаллом стильбеном и нейтронами энергии 4,0 Мэв. Протоны отдачи, как это уже было показано в гл. 2, от моноэнергетических нейтронов распределены по энергиям равновероятно. Функция G (E, V) отличается от такого распределения. Это связано, во-первых, с нелинейной зависимостью амплитуды импульса от энергии протонов (см. рис. 7.6), во-вторых, с конечным значением энергетического разрешения сцинтилляционного счетчика. Кроме того, в кристалле, хотя и с малой вероятностью, происходят многократные соударения нейтронов с ядрами водорода и углерода, а при энергиях нейтронов выше 10 — 15 Мэв становится заметной
