5. Спектры, полученного с помощью сцинтилляционного спектрометра
Рис. 5. Спектры γ-лучей источников 137Cs (E=662 кэВ) и 60Co (E1=1173 кэВ и E2=1332 кэВ), измеренные с кристаллами NaJ(Tl)
Взаимодействие γ-излучения с веществом сцинтиллятора складывается из трех процессов - фотопоглощения, комптоновского рассеяния и образования пар электрон-позитрон. Полная передача энергии γ-кванта сцинтиллятору происходит главным образом в процессе фотопоглощения.
При комптоновском рассеянии часть энергии уносится рассеянными γ-квантами, вылетающими из кристалла. При образовании пар возникающие аннигиляционные γ-кванты также могут выйти из кристалла. В обоих случаях величина вспышки уменьшается по сравнению с величиной вспышки, соответствующей полному поглощению. Таким образом, даже для монохроматического γ-излучения форма спектра имеет сложный вид. На рис. 5 показаны спектры препаратов 137Cs, излучающего γ-кванты с энергией 662 кэВ и 60Co, излучающего γ-кванты с энергиями 1173 и 1332 кэВ.
Отчетливо видны пики полного поглощения (рис.5 а). Непрерывное распределение импульсов меньших амплитуд создается электронами отдачи при комптоновском рассеянии γ-квантов в сцинтилляторе с последующим вылетом γ-квантов из кристалла (рис.5 б). Согласно теории комптон-эффекта распределение электронов отдачи характеризуется возрастанием их числа вблизи граничной энергии. Это соответствует широкому максимуму в комптоновском распределении.
Происхождение другого максимума (пик обратного рассеяния) связано с регистрацией γ-квантов, рассеянных на большие углы (150о–180о) в окружающей защите (рис.5 в). Из теории комптон-эффекта следует, что положение этого пика слабо зависит от энергии падающих γ-квантов и для источников -излучения с E до 3000 кэВ положение пика обратного рассеяния соответствует энергии электронов отдачи 70–400 кэВ, в среднем ~140 кэВ.
При применении кристаллов NaJ и CsJ в области энергий падающих γ-квантов ниже 300 кэВ в спектре бывает виден пик вылета, связанный с выходом рентгеновских квантов йода из кристалла.
Рентгеновские кванты йода образуются в результате появления вакансии на K-оболочке атома йода при фотопоглощении. Если рентгеновские кванты образовались вблизи поверхности кристалла, имеется определенная вероятность их вылета из кристалла и вспышка, соответствующая полному поглощению, ослабляется. Положение пика вылета соответствует энергии Eγ−EK (EK=28,5 кэВ - энергия K-рентгеновских лучей йода).
При энергии γ-лучей больше 1022 кэВ в аппаратурном спектре появляются дополнительные пики, соответствующие вылету из кристалла одного или двух аннигиляционных γ-квантов (при Eγ>1022 кэВ начинается процесс образования пар электрон-позитрон). Эти пики соответствуют энергиям: E1 = Eγ−511 кэВ и E2 = Eγ−1022 кэВ.
Как правило, радиоактивные источники окружены защитой, чаще всего свинцовой. При попадании -излучения или заряженных частиц на материал защиты в ней возникает характеристическое рентгеновское излучение. Для свинца энергия этого излучения составляет 75 кэВ (K-рентгеновское излучение). Если не принято специальных мер, в аппаратурном спектре появляется пик, соответствующий этой энергии (рис.5 г).
В спектре 60Co присутствует так называемый пик суммы. ”Энергия“ пика суммы соответствует суммарной энергии каскадно испускаемых гамма-квантов, одновременно попавших в сцинтиллятор (Eсумм.=1173 кэВ+1332 кэв=2505 кэВ). Интенсивность пика суммы заметно слабее интенсивности пиков полного поглощения.
5.1.Спектры монохроматического γ-излучения характеризуются следующими величинами:
- разрешающей способностью R
спектрометра, численно
равной отношению ширины пика полного
поглощения на полувысоте (в энергетических
единицах) к энергии -излучения. Обычно для γ-лучей 137Cs (Eγ=662 кэВ) разрешающая
способность составляет от 7 до 12%. Для γ-лучей с
большей энергией разрешающая способность
улучшается. Обычно R ~
- фоточастью, численно
равной отношению площади, ограничивающей
пик полного поглощения, к площади всего
спектра. Для увеличения площади пика
полного поглощения следует брать
кристаллы больших размеров;
- эффективностью,
численно равной отношению числа γ-квантов,
зарегистрированных спектрометром к числу
попавших в спектрометр γ-квантов.
Эффективность зависит от энергии γ-квантов и убывает с
возрастанием энергии γ-лучей. Например, для
кристалла с размерами h=30 мм и Ø45 мм для E =662 кэВ
эффективность достигает 40%, а для E =1200 кэВ
не превышает 20%.
Полупроводниковые детекторы излучений по своим спектроскопическим свойствам значительно превосходят сцинтилляционные кристаллы. Например, разрешение полупроводникового Ge(Li)-детектора составляет 3 – 5 кэВ, что соответствует разрешающей способности 0,5 – 1,0% для γ-лучей с энергией 662 кэВ (137Cs). Разрешающая способность лучших сцинтилляционных спектрометров для этой же энергии составляет 7– 8%. Однако полупроводниковые спектрометры гораздо сложнее сцинтилляционных, так как в них необходимо использовать высокочувствительные усилители и охлаждать детекторы до температуры −180о С.