Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 12.5. Структурная схема парного сцинтилляционного спектрометра и его функция отклика для у-квантов, источника 24Na
стороны, это увеличивает эффективность спектрометра, с другой — уменьшает вероятность ухода электронов и позитронов из кристалла. Напомним, что электроны и позитроны, возникающие при эффекте образования пар, имеют направления, близкие к направлению-пучка у-квантов.
Чтобы получить наибольшую эффективность, необходимо выбирать диаметр центрального кристалла как можно меньшим, поскольку вероятность ухода аннигиляционных квантов из центрального кристалла тем больше, чем меньше его диаметр. Но для спектрометра более важной характеристикой является его светосила, поэтому диаметр кристалла имеет смысл выбирать из условия получения ее максимального значения. Светосила парного спектрометра пропорциональна диаметру коллиматора, т. е. сечению пучка у-квантов, попадающих на центральный кристалл, и эффективное™
380- спектрометра. С учетом сделанных замечаний для нахождения оптимального диаметра центрального кристалла запишем выражение для светосилы в следующем виде:
L = An (г0 — А)2 ехр (—2Jr0k), (12.18)
где г0 —радиус центрального кристалла; (г0 — А) —радиус коллиматора (радиус пучка 7-квантов); А — постоянная; 2r0k — средний путь, проходимый в центральном кристалле обоими у-квантами. Максимальная светосила спектрометра будет при r0 = IicIyJk + А, в чем можно убедиться, если найти dL/dr0 и приравнять ее нулю. Величины [л' « 0,4 см"1, k да 1,2 (зависит от геометрии расположения боковых кристаллов, длины центрального кристалла) и А да 0,5 см. Таким образом, оптимальный диаметр центрального кристалла около 30 мм. Однако обычно этот диаметр выбирают несколько большего размера (до 40—50 мм) для лучших условий собирания света. Размеры боковых кристаллов парного спектрометра, с одной стороны, выгодно выбирать как можно большими, чтобы увеличить эффективность спектрометра, но, с другой стороны, чем больше размеры боковых кристаллов, тем больше регистрируется в них у-квантов фона, естественной радиоактивности и космического излучения. Величина |д/ для аннигиляционного излучения в кристалле NaI (Tl) равна 0,4 см"1, поэтому высоту бокового кристалла нет смысла делать больше 4—5 см. Диаметр бокового кристалла обычно выбирают равным или несколько большим высоты центрального кристалла.
Эффективность парного спектрометра с центральным кристаллом диаметром 50 и высотой 100 мм и боковыми кристаллами диаметром 100 и высотой 50 мм достигает нескольких процентов при энергии у-квантов 10 Мэв. Энергетическое разрешение парного спектрометра определяется качеством сцинтилляционного (центрального) счетчика:
Л E _ У С V Ey 2та с2 = Ус А 2т„ с2 Q2 19) ' Et ~ Ey УГу V Ey
С помощью парного спектрометра можно разделять достаточно близкие по энергиям у-кванты, если их энергии немного больше 2т0с2. Действительно, если Vc = 7-IO-2, a E = 1,5 Мэв, то г] = 3,3%. В то же время для однокристального спектрометра г] = 5,7%.
Амплитудное распределение импульсов, измеренное с помощью парного спектрометра (фон случайных совпадений вычтен) для источника у-квантов 24Na (у-кванты с энергиями 1,38 и 2,76 Мэв), приводится на рис. 12.5. Видно, что имеется непрерывное распределение импульсов, площадь которого составляет от полной около 10%. Это непрерывное распределение обусловлено в основном тем, что пробеги электронов и позитронов не всегда укладываются в центральном кристалле. Утечки электронов и позитронов происходят главным образом через ближний к фотоумножителю торец кристалла.
381- Сцинтилляционные гамма-спектрометры с защитой антисовпадениями. Такие гамма-спектрометры являются наиболее современными и эффективными сцинтилляционными спектрометрами. Структурная схема такого спектрометра и расположение кристаллов показаны на рис. 12.6. Коллимированный пучок у-квантов попадет в центральный кристалл, импульсы с которого направляются на амплитудный анализатор при условии отсутствия импульсов с боковых кристаллов. Если бы боковые кристаллы регистрировали все
Рис. 12.6. Структурная схема сцинтилляционного гамма-спектрометра с защитой антисовпадениями и спектр амплитуд импульсов у-квантов с энергией 7,38 Мэв без антисовпадений (сплошная линия) и с антисовпадеииями (пунктир):
AC — схема антисовпадений. Остальные обозначения см. на рис. 12 3
рассеянные у-кванты, выходящие из центрального кристалла, то аппаратурная форма линии такого спектрометра представляла бы собой пик полного поглощения. На рис. 12.6 показаны аппаратурные формы линий спектрометра с включенным управлением антисовпадениями и без него. Как видно из рисунка, добиться 100%-ной вероятности регистрации рассеянных у-квантов практически невозможно. Но боковые кристаллы значительно снижают непрерывное комптоновское распределение. Эффективность спектрометра определяется эффективным фотовкладом, а энергетическое разрешение— качеством центрального сцинтилляционного счетчика. Один из таких спектрометров с очень хорошими параметрами описан ниже. Центральный кристалл спектрометра диаметром 60 и высотой 150 мм располагается в цилиндрическом отверстии большого кристалла диаметром 200 и высотой 300 мм. На небольшом расстоянии от центрального кристалла расположен третий кристалл диаметром 125 и
