• 5

Работа 80. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ГАММА-КВАНТОВ С ПОМОЩЬЮ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА

Принадлежности: гамма-источники в свинцовых контейнерах с коллиматор- ными каналами; выносной блок с фотоэлектронным умножителем, сцинтилля- ционным кристаллом Nal(Tl) и предусилителем; дифференциальный одноканаль- ный амплитудный анализатор ААДО 1; высоковольтный выпрямитель ВСВ-2 н пересчетное устройство ПСТ-100.

Цель работы заключается в измерении энергии гамма-квантов, испускаемых при распаде радиоактивных ядер. Энергия гамма-кван- тов лежит обычно в интервале от нескольких десятков килоэлек­тронвольт до нескольких мегаэлектрон-вольт.

На рис. 258 приведена блок-схема сцинтилляционного спектро-

 

Рис. 258. Блок-схема сцинтилляционного спектрометра. Кристалл йодистого натрия Nal(Tl) — сцинтиллятор, ВСВ-2 — высоковольтный стаби­лизированный выпрямитель, ААДО-1 — амплитудный анализатор дифференциальный одноканальный, ПАА-1 — блок питания ААДО, ПСТ-100 — пересчетный прибор.

Принцип действия спектрометра состоит в следующем. Гамма- кванты от исследуемого источника коллимируются свинцовым кана­лом и попадают в сцинтиллятор — кристалл иодистого натрия, акти­вированного таллием — Nal (Т1). Попавшие в сцинтиллятор кванты взаимодействуют с его атомами, выбивая электроны из атомных обо­лочек и при достаточно большой энергии генерируя электронно- позитронные пары (в нашем случае этот процесс практически не играет роли). Вырванные из оболочек электроны (их обычно назы­вают конверсионными) тормозятся в веществе сцинтиллятора, рас­ходуя часть энергии на возбуждение атомов среды.

Возбужденные атомы высвечиваются, испуская электромагнит­ное излучение. В сцинтилляторах большая доля энергии испуска­ется в виде света или близкого к нему ультрафиолетового излуче­ния. Часть образовавшихся фотонов попадает на катод фотоэлект­

ронного умножителя (ФЭУ) и в результате фотоэффекта выбивает из него медленные электроны. Эти электроны ускоряются элект­рическим полем умножителя и выбивают с поверхности первого ди- нода вторичные электроны, которые в свою очередь ускоряются полем по направлению ко второму диноду, и т. д. Многократное повторение этого процесса позволяет получить большой коэффи­циент умножения (106 — 107)*).

Возникающие на аноде ФЭУ импульсы анализируются и сосчи­тываются. При определенном подборе напряжений на динодах ФЭУ (спектрометрический режим) величина выходного импульса в ши­роких пределах пропорциональна числу фотоэлектронов, а следова­тельно, и энергии, потерянной в кристалле Nal (Т1) конверсионными электронами.

Рассмотрим теперь, как связана энергия конверсионных элект­ронов с энергией 7-квантов. Взаимодействие гамма-квантов с ве­ществом происходит тремя независимыми путями.

При фотоэффекте, у-квант целиком поглощается атомом, а один из электронов внутренней оболочки (чаще всего К-оболочки) вы­брасывается за пределы атома и уносит всю переданную гамма- квантом энергию. В этом случае энергия конверсионного электрона равна: Те = Еу — 1К, где 1К — потенциал ионизации К-оболочки атома. Возбужденный атом излучает энергию в виде рентгеновских квантов, которые с большой вероятностью поглощаются в кристалле (фотоэффект на L- и М-оболочке). Время высвечивания мало, так что энергия этих квантов суммируется с энергией первого фотоэлект­рона. Таким образом, при фотоэффекте в кристалле выделяется энергия, практически равная энергии поглощенного гамма-кванта. Соответственно и амплитуда световых вспышек оказывается про­порциональна полной энергии первичных гамма-квантов. Фотоэффект быстро падает с возрастанием энергии гамма-квантов. Его вероятность зависит от атомного номера поглотителя, прибли­зительно как Z5. Поэтому в гамма-спектрометрах применяют сцин- тилляторы, содержащие тяжелые элементы.

Комптоновское рассеяние гамма-квантов происходит на слабо связанных электронах. При этом электрону передается только часть энергии гамма-кванта, а оставшаяся часть уносится рассеянным фотоном. Энергия электрона определяется углом, под которым он выбивается, и энергией гамма-кванта.

Наименьшая энергия, которая может быть передана электрону, равна нулю, а наибольшая определяется по формуле

/т \       4- 2а   /ко

=          где а =

т0с2 = 0,51 МэВ — энергия покоя электрона.

1) Подробное описание сцинтилляторов и фотоэлектронного умножителя дано в приложении VI.

16 п/р Л. Л, Гольдина

Рассеянный гамма-квант может либо покинуть кристалл, либо поглотиться в нем (напомним, что вероятность фотоэлектрического поглощения с уменьшением энергии фотона быстро растет). В пер­вом случае энергия, переданная квантом кристаллу, принимает

любое значение от 0 до (Те) max) а во втором—она равна пол­ной энергии гамма-кванта.

Если энергия гамма-кван­тов превышает величину 2т0с2 =- 1,02 МэВ, то стано­вится возможным образование пары электрон — позитрон в поле ядра. Пренебрегая весь­ма малой отдачей ядра, най­дем, что сумма кинетических энергий электрона и позит­рона равна

Те- + 7V = Йо>- 2 mftc2.

Останавливающийся в кри­сталле позитрон аннигили­рует с одним из атомных электронов. Выделяющаяся при этом энергия (2т0с2) пе­редается двум гамма-квантам. Эти кванты могут покинуть кристалл или поглотиться в нем. Возможно также, что один из квантов уйдет, а дру­гой поглотится. Оставшаяся в кристалле энергия может поэтому равняться энергии гамма-кванта или отличаться от нее на т0с2 или 2т0с2. Наблюдение вспышек, связанных с электронно-позитронными парами, исполь­зуется при спектрометрии гамма-квантов высокой энергии, так как сечение образования пар растет с энергией.

На рис. 259 приведена зависимость линейных коэффициентов поглощения гамма-квантов в кристалле Nal (Т1) от энергии кван­тов. Из рис. 259 видно, что при сравнительно низких энергиях пре­обладает фотоэлектрическое поглощение. С ростом энергии гамма- квантов комптоновское рассеяние вносит все более заметный вклад, а для больших энергий доминирующим является процесс образо­вания пар.

Подводя итог, заметим, что для определения энергии гамма- квантов радиоактивного источника нужно внимательно исследовать и проанализировать кривую распределения энергетических потерь

 

Рис. 259. Линейные коэффициенты погло­щения Y-излучения в кристалле Nal (T1).

т — фотоэлектрическое поглощение, о — комп­тоновское рассеяние, % — образование нар, (.1 = т + о + х ~ полным коэффициент пог­лощения.

в кристалле. Эта кривая изучается с помощью амплитудных анали­заторов, измеряющих величину импульсов, которые возникают на выходе ФЭУ. Результатом таких измерений могут быть интеграль­ные или дифференциальные кривые. Интегральные кривые распре­деления импульсов представляют собой зависимость числа импуль­сов N (Е) с энергией (амплитудой), равной или превосходящей от величины энергии Е. Дифференциальные кривые определяют за­висимость от Е величины dN/dEt т. е. числа импульсов в единичном энергетическом интервале. Чаще всего используются именно диф­ференциальные кривые.

Для измерения амплитудного распределения импульсов в данной работе применяется дифференциальный амплитудный анализатор,

Импульсы ~ошФдТ

Аттеню­

 

Линейный

атор

 

усилитель

Дасириминатор1 [порог Е)

 

(порог Е+ДЁ)

Uem

атжЫдг/щ устройство

На пересчетов

Рис. 260. Блок-схема дифференциального амплитудного анализатора.

блок-схема которого приведена на рис. 260. Его основными элемен­тами являются два дискриминатора и cxeiyia антисовпадений. Каж­дый дискриминатор пропускает лишь те импульсы, амплитуды кото­рых превышают определенное значение, называемое «порогом». По­роги дискриминаторов отличаются друг от друга на некоторую вели­чину tsE и могут одновременно изменяться, но величина Дназы­ваемая «шириной окна», всегда остается постоянной. Стоящая за дискриминаторами схема антисовпадений пропускает только те импульсы, которые уже проходят через дискриминатор 1 и е щ е не проходят через дискриминатор 2. С ее помощью измеряется ско­рость поступления импульсов, имеющих амплитуды от £ до £ + АЕ. Таким образом, установка позволяет непосредственно измерять диф­ференциальную кривую зависимости AN/AE от Е *).

В качестве примера на рис. 261 приведено распределение им­пульсов от радиоактивного источника Мп 54 с Еу = 0,83 МэВ, полу­ченное с помощью дифференциального амплитудного анализатора. Пик в конце импульсного распределения является пиком полного поглощения (его часто называют фотопиком).

Предшествующее ему непрерывное распределение импульсов соз­дается электронами отдачи, возникающими при комптоновском рас­сеянии гамма-квантов. В районе порогов ~ 20 В на непрерывное

1) Подробное описание работы амплитудного анализатора дано в приложе­нии VII.

комптоновекое распределение накладывается широкий пик, обус­ловленный рассеянием гамма-квантов от окна фотоумножителя, от защитного кожуха и от стеклянного торца контейнера, в котором установлен кристалл Nal (Т1). Этот пик принято называть пиком обратного рассеяния. В установках для изучения гамма-спектров в качестве защитного материала обычно используется свинец. При поглощении гамма-лучей в свинце возникает характеристическое

 

О         Z0        40        во        80        /00

Пороза 6 Оольтах

Рис. 261. Гамма-спектр Мп54.

рентгеновское излучение с энергией 72 кэВ. В приведенном спектре пик характеристического излучения свинца расположен в районе — 10 В.

Идентификацию гамма-липий удобнее всего проводить по пикам полного поглощения. Из предыдущего изложения могло показаться, что этот пик должен быть очень узким, в то время как на рис. 261 он выглядит довольно широким. Ширина пика полного поглощения является в нашем случае аппаратурной, а не истинной. Вклад в ши­рину вносят все промежуточные процессы измерения. Число атомов кристалла, приходящих в возбуждение после поглощения гамма- кванта, флюктуирует в силу случайных причин. Флюктуирует и чис­ло фотонов, возникающих при высвечивании возбужденных атомов. Не все фотоны попадают в фотоумножитель, и не все попавшие в него фотоны выбивают электрон из фотокатода. Число вылетевших из фотокатода электронов невелико и флюктуирует особенно сильно. Подвержен статистическим флюктуациям и процесс умножения электронов на динодах ФЭУ. Ширину пика полного поглощения

принято характеризовать числом R, носящим название энергетиче- ского разрешения прибора: /? = — . 100%, где величина б определя­ется как ширина пика полного поглощения, измеренная на поло­вине высоты (в единицах энергии), а величина Е — энергия реги­стрируемого гамма-излучения.

Величина энергетического разрешения, в зависимости от энер­гии гамма-квантов, может меняться в широких пределах — от не­скольких процентов до нескольких десятков процентов.

Описание установки. В работе используется кристалл Nal(Tl), имеющий форму цилиндра. Его диаметр равен 40 мм, а высота 30 мм. Кристалл упакован в герметический контейнер, стенки кото­рого покрыты окисью магния, хорошо отражающей .свет. Выходное окно контейнера находится в оптическом контакте с фотокатодом электронного умножителя, работающего в спектрометрическом ре­жиме. Сигнал, возникающий на аноде ФЭУ, через катодный повто­ритель подается на амплитудный анализатор. Кристалл, ФЭУ и ка­тодный повторитель находятся в отдельном светонепроницаемом блоке, укрепленном на штативе. Блок соединен с пересчетным при­бором ПСТ-100 экранированным кабелем. В нем проходят провода накального, анодного и высокого напряжений, а также провод для вывода сигнала с катодного повторителя на разъем «Выход ФЭУ», расположенный на задней стенке шасси прибора ПСТ-100 (там же имеется гнездо для подвода высокого напряжения от выпрямителя ВСВ-2). Сигнал с «Выхода ФЭУ» подается на разъем «Вход усил.» ана­лизатора ААДО для последующего амплитудного анализа. Линей­ный усилитель анализатора имеет коэффициент усиления 100 и рас­считан на входные амплитуды от 0,02 до 1 В. Слишком большие вход­ные сигналы должны быть предварительно ослаблены. Для этого служит аттенюатор (см. рис. 260). Весь диапазон входных амплитуд (от 0,02 до 60 В) разбит аттенюатором на десять поддиапазонов. После прохождения аттенюатора сигнал усиливается усилителем в 100 раз, поступает на дифференциальный анализатор, а затем регистрируется пересчетным прибором ПСТ-100. Измеряя число импульсов в еди­ницу времени в зависимости от «порога» анализатора (при выбран­ной «ширине окна»), получают дифференциальный спектр импульсов. Экспериментальная часть работы делится на две: градуировку спект­рометра по гамма-излучению Со60, испускающего две гамма-линии с энергиями Ех = 1,17 МэВ и Е2 = 1,33 МэВ (схема распада Со60 приведена в работе 77), и определение энергии гамма-квантов «неизвестного» препарата.

Измерения. 1. Ознакомьтесь с описанием приборов по прило­жениям VI, VII, VIII.

2. Включите приборы и после трехминутного прогрева устано­вите рабочее напряжение на ФЭУ (значение напряжения указано на установке, полярность отрицательная).

3.         Дайте прогреться приборам в течение Ю-т-15 минут, проведя при этом следующие операции:

а)         Придвиньте штатив с выносным блоком вплотную к колли- маторному каналу контейнера, содержащего гамма-источник Со60 или «неизвестный препарат».

б)         На амплитудном анализаторе ручку переключателя «Род ра­боты» поставьте в положение «Усилитель 4- Дискриминатор», а переключатель «Ширина окна» в положение «1В». Переклю­чатель поддиапазонов аттенюатора поставьте в позицию, указанную на установке (ориентировочно). Согласуйте полярность выходного импульса анализатора со входом пересчетного прибора. Если им­пульсы с ФЭУ проходят через анализатор, то в правом верхнем углу прибора ААДО должна мигать неоновая лампочка, указывающая на то, что выходной сигнал поступает на пересчетный прибор. По­пробуйте отодвинуть от источника, а затем вновь приставить вынос­ной блок. По неоновой лампочке и пересчетному прибору просле­дите, как изменяется счет, «чувствует» ли установка источник или нет (при этом можно изменять величину порогов и поддиапазоны аттенюатора). Если прибор «не чувствует» источника, то проверьте полярность высокого напряжения и правильность подключения отдельных элементов блок-схемы. Выносной блок разрешается вскры­вать лишь при крайней необходимости. Вскрытие производится при выключенном высоком напряжении и в присутствии преподавателя. После того как прибор начал чувствовать источник, поместите между источником и выносным блоком лист бумаги, книгу, свинцовую плитку, убедитесь, что Вы действительно работаете с гамма-излу­чением.

в)         Изменяя величину порога анализатора (ручкой «Пороги») при указанном на установке положении аттенюатора и напряжении на ФЭУ, найдите, при какой величине порога счет прекращается (следить за счетом следует по неоновой лампе и пересчетному при­бору). Для получения четкой картины спектра необходимо, чтобы прекращение счета происходило при пороге 70 -г- 80 В. Если счет прекращается раньше, то следует изменить поддиапазон аттенюатора в сторону меньших значений или слегка увеличить напряжение на ФЭУ (не более чем на 100 В от указанного на установке). Есте­ственно, можно производить обе эти операции сразу. Если прекра­щение счета происходит при пороге, превышающем 80 В, то следует уменьшить напряжение на ФЭУ, или увеличить номер поддиапазона аттенюатора.

4.         Измерьте зависимость числа отсчетов от величины порогов анализатора при облучении сцинтиллятора гамма-квантами от ис­точника Со60. Измерять числа импульсов удобно за 10 секунд, используя автостоп прибора ПСТ-100. Измерения лучше всего начи­нать с больших порогов. Полученные значения сразу откла­дывайте на миллиметровой бумаге.

5.         Исходя из полного времени эксперимента, оцените время повторного измерения каждой точки в районе пиков полного погло­щения и комптоновского максимума с тем, чтобы получить макси­мальную точность, и проведите повторное измерение этих важных участков спектра в течение рассчитанного времени. Укажите на графике статистические ошибки.

6.         Определив по графику положение фотопиков (пиков полного поглощения), нанесите на оси абсцисс, кроме шкалы порогов (в воль­тах), шкалу энергий (в мегаэлектрон-вольтах).

7.         Придвиньте выносной блок к контейнеру, содержащему «не­известный» гамма-источник. Аналогично пп. 4, 5 исследуйте спектр импульсов, возникающих при облучении сцинтиллятора «неизвест­ным» препаратом.

8.         По положению фотопика определите энергию гамма-квантов этого препарата. Зная энергию, рассчитайте положение верхней гра­ницы комптоновского максимума и сравните расчет с экспериментом.

9.         Оцените энергетическое разрешение спектрометра.

10.       После окончания работы закройте коллиматорные каналы гамма-источников свинцовыми плитами и выключите установку.

Контрольные вопросы

1.         Как можно убедиться в том, что излучение, регистрируемое детектором* действительно являегся гамма-излучением?

2.         Какие процессы вносят вклад в пик полного поглощения?

3.         Какова относительная роль фотоэффекта, комптоновского эффекта и эф­фекта образования пар в формировании спектра при энергиях гамма-квантов 1,17 и 1,33 МэВ?

4.         Как изменится спектр, если вместо кристалла Nal(Tl) использовать орга­нический сцинтиллятор?

5.         Как изменится форма спектра при увеличении и при уменьшении энергии гамма-квантов?

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я