Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
§ 12.4. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРЫ
Такие гамма-спектрометры имеют большую эффективность и находят применение в тех случаях, когда, нет высоких требований к энергетическому разрешению. В области энергий у-квантов 100 кэв — 10 Мэв энергетическое разрешение этих приборов лежит в пределах 14—4 %. В однокристальных сцинтилляционных спектрометрах функция отклика G (Е , V) имеет довольно сложный вид, и поэтому не всегда надежно удается определить спектр у-квантов по измеренным "амплитудным распределениям. Главным образом по этой причине разработано много различных многокристальных спектрометров, в которых получают функцию отклика G (Е, V), близкую к идеальной. Правда, эффективность многокристальных спектрометров обычно меньше эффективности однокристальных.
370- 12.4.1. Однокристальные сцинтилляционные гамма-спектрометры
Коллнмнрованный пучок у-квантов направляется на кристалл сцинтилляционного счетчика, импульсы которого после усилителя лопадают на амплитудный многоканальный анализатор. Типичные распределения амплитуд импульсов, полученные с кристаллом NaI (Tl) диаметром и высотой 40 мм, показаны на рис. 12.2. В амплитудных распределениях виден четко выраженный максимум — пик полного поглощения, обусловленный фотоэлектрическим поглощением у-квантов и их многократным комптоновским взаимодействием в кристалле с последующим поглощением (см. также гл. 7)-.
N
О
Рис. 12.2. Структурная схема однокристального сцинтилляционного спектрометра и его функция отклика для уквантов разных энергий
Между непрерывным распределением, обусловленным комптоновским рассеянием, и пиком полного поглощения имеется провал, связанный с тем, что при однократном рассеянии у-квант не может передать всю свою энергию электрону. Расстояние между пиком полного поглощения и границей комптоновского распределения составляет Ey /(1 + 2Еу/т0с2) (т. е. около 250 кэв). Чем выше энергия у-квантов, тем больше абсолютный разброс по амплитудам импульсов. Поэтому с ростом энергии у-квантов пик полного поглощения все хуже и хуже отделяется от непрерывного комптоновского распределения и все большее значение приобретает эффект образования пар, который приводит к появлению еще двух пиков в амплитудном распределении импульсов. Эти пики отстоят от пика полного поглощения в шкале энергий на 0,51 и 1,02 Мэв. С дальнейшим ростом энергии у-квантов эти пики все хуже разделяются и при энергиях выше 7 Мэв практически сливаются в один широкий максимум.
В приведенных амплитудных распределениях видны пики при энергиях около 250 кэв. Их появление связано с обратным рассеянием у-квантов на упаковке кристалла и колбе фотоумножителя.
xWWWXW \WW\4
ФЭУ А
\WW4- X4
371- Приведенные на рис. 12.2 функции отклика G (E, V) довольно сложны, и это затрудняет получение спектров у-квантов по измеренным амплитудным распределениям импульсов. Как уже отмечалось в гл. 6 и 7, функции отклика будут иметь более близкий к распределению Гаусса вид, если увеличивать размеры кристаллов. Этому же способствует применение коллиматоров, которые позволяют выделить узкий пучок у-квантов и направить его в центр кристалла.
При измерениях спектров у-квантов с помощью однокристальных сцинтилляционных спектрометров основная проблема заключается в преобразовании амплитудного распределения импульсов в энергетические спектры, т. е. в решении интегрального уравнения (см. гл. 4). Для этого, во-первых, с особой тщательностью следует определить функции отклика G(E, V) и, во-вторых, найти подходящий метод решения интегрального уравнения.
Функцию отклика G (Е, V) можно определить расчетно и экспериментально. Экспериментальное определение G (Е, V) имеет в сравнении с расчетным преимущества: в расчетах не удается точно учесть многие эффекты, такие, как уход электронов из кристалла, рассеяние у-квантов на предметах, окружающих кристалл, и т. д. В области энергий у-квантов ниже 3 Мэв имеется достаточное число радиоактивных источников у-квантов, испускающих одну или две группы моноэнергетических у-квантов. В области более высоких энергий экспериментальное определение G (Е, V) затруднено, поскольку нет удобных источников моноэнергетического излучения. Здесь часто G (Е, V) определяют расчетным путем.
Экспериментальное определение G (Е, V) сводится к измерению амплитудных распределений импульсов спектрометра с различными источниками у-квантов, внесению поправок в измеренные распределения на рассеяние у-квантов в источнике и окружающих его предметах, на тормозное излучение, образующееся в источнике, и т. д. Полученные амплитудные распределения нормируют с учетом эффективности спектрометра, т. е. требуют, чтобы
J G (Е, V) dV = є (E), (12.10)
где є (E) — эффективность сцинтилляционного счетчика, вычисление которой дано в гл. 7.
Поскольку эффективность и ряд поправок можно рассчитать с достаточной точностью, то для определения функций отклика не требуются источники с известной активностью, т. е. можно проводить относительные измерения.
Энергетическое разрешение однокристальных сцинтилляционных спектрометров зависит от качества кристаллов и фотоумножителей и в первом приближении обратно пропорционально УЩ (более подробно этот вопрос уже обсуждался в гл. 7).
