Гамма-спектрометр. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гамма-спектрометр - прибор для измерения энергии

-квантов и интенсивности

-излучения. Регистрация и измерение энергии

-квантов в большинстве случаев связаны с наблюдением электронов или электрон-позитронных пар, возникающих при взаимодействии гамма-излучения с веществом в процессах комптоновского рассеяния, фотоэлектрич. поглощения и образования пар. Различия в зависимостях эффективных сечений этих процессов от энергии

-квантов, а также от ат. номеров Z элементов, входящих в состав вещества детектора, обусловливают выбор наиб. эффективного для данной области энергии

-квантов метода их регистрации и определения энергии. Основной частью гамма-спектрометра является детектор

-квантов. В некоторых детекторах функция регистрации фотонов совмещена со спектрометрич. функцией, т. е. они сами могут служить гамма-спектрометрами. Сюда относятся сцинтилляц. и полупроводниковые детекторы, пропорц. счётчики, ионизац. камеры. В других, более сложных гамма-спектрометрах эти функции разделены. К таким приборам относятся кристалл-дифракционные гамма-спектрометры, магн. спектрометры, а также применяемые для спектрометрии

-квантов высокой энергии пузырьковые камеры.

Основные характеристики гамма-спектрометров

Основные характеристики гамма-спектрометров - это разрешающая способность и эффективность. Под разрешающей способностью обычно понимается величина

, где

- энергия регистрируемых моноэнергетичных

-квантов, а

- ширина измеренной данным гамма-спектрометра.

-линии на половине её высоты. Иногда в литературе в качестве меры разрешающей способности указывают просто абс. величину

Эффективностью гамма-спектрометра называется выраженная в % доля, к-рую составляют зарегистрированные прибором

-кванты данной энергии от общего числа

-квантов, попадающих в детектор гамма-спектрометра. Для одного и того же гамма-спектрометра эффективность обычно сильно зависит от энергии

-квантов. Иногда гамма-спектрометр характеризуют светосилой, под которой понимается отношение числа зарегистрированных за определённое время

-квантов к общему их числу, испущенному источником за то же время.

Ниже порога рождения пар (1,022 МэВ) регистрация

-квантов ведётся по комптоновским и фотоэлектронам. В области совсем малых энергий (десятки кэВ) осн. роль играет фотоэффект. При высоких энергиях гл. процессом взаимодействия

-лучей с рабочим веществом детектора является образование пар.

Рис. 3. Волновая картина поля в иглообразном кристалле в условиях эффекта Бормана; излучение с боковых граней мало.

Сцинтилляционный гамма-спектрометр

Сцинтилляционный гамма-спектрометр представляет собой комбинацию фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и сцинтиллятора, в к-ром под действием электронов, создаваемых

-лучами, образуется кратковрем. вспышка света - сцинтилляция, преобразуемая в ФЭУ в электрич. сигнал; амплитуда сигнала импульса пропорциональна энергии электрона (см. Сцинтилляционный детектор). Амплитудный анализатор позволяет получить амплитудный спектр импульсов. Для спектрометрии

-квантов с энергией до неск. МэВ чаще всего применяются сцинтилляторы из NaI, активированного Tl. Это вещество отличается достаточно большой плотностью (3,67 г/см³) и сравнительно высоким ср. ат. номером, что обеспечивает высокую эффективность регистрации

-квантов. Разрешающая способность сцинтилляц. гамма-спектрометра

~4-5% при

1,3 МэВ и изменяется с энергией приблизительно как

Рис. 1. Амплитудный спектр импульсов от сцинтилляционного гамма-спектрометра с кристаллом NaI(Tl) диаметром и высотой ~76 мм, облучаемого

-квантами с энергией 1,92 МэВ.

В спектре, полученном с помощью сцинтилляц. гамма-спектрометра, можно видеть т. н. пик полного поглощения (рис. 1). В него дают вклады все процессы, в результате к-рых энергия

-кванта целиком поглощается в кристалле: фотоэлектрич. поглощение, к-рому сопутствует поглощение испущенных рентг. квантов (см. Фотоэффект); образование пар, сопровождающееся поглощением обоих

-квантов, возникающих при аннигиляции пары позитрон-электрон; комптоновское рассеяние с поглощением рассеянного кванта (см. Комптона эффект). Во всех этих случаях должны поглощаться также все рентг. кванты, связанные со всеми процессами фотоэлектрич. поглощения. Энергия, соответствующая пику полного поглощения, и есть энергия

-кванта.

В спектре видны также пики, соответствующие процессам образования пар в сцинтилляторе, сопровождающимся вылетом из него одного (2) или двух (3) аннигиляц.

-квантов. Комптоновское рассеяние

-лучей в сцинтилляторе приводит к возникновению сплошного спектра, заканчивающегося со стороны высоких энергий характерным уступом (4), соответствующим верх. границе энергетич. распределения комптоновских электронов. Пики 5 и 6 связаны с аннигиляц. квантами и излучением, рассеянным окружающими предметами. Иногда в сцинтилляц. гамма-спектрометре можно увидеть т. н. пики вылета, соответствующие фотоэлектронам и одноврем. вылету из кристалла рентг. квантов К-серии, следующих за фотопоглощением

-квантов. Соотношение интенсивностей всех перечисленных пиков зависит от энергии

-квантов, а также от размеров и формы сцинтиллятора.

Полупроводниковый гамма-спектрометр

Всё сказанное выше о форме спектра импульсов сцинтилляц. гамма-спектрометров относится и к др. видам гамма-спектрометров, среди к-рых важную роль играют полупроводниковые гамма-спектрометры. В монокристалле полупроводника создаётся область, обеднённая осн. носителями заряда. Под действием электронов, образуемых

-квантами, в этой области возникают электронно-

дырочные пары. С помощью приложенного электрич. поля электроны и дырки выводятся из обеднённой области. Возникающий в результате этого электрич. импульс усиливается и регистрируется амплитудным анализатором. При этом амплитуда импульса, пропорциональная энергии электрона и энергии

-кванта, определяется по пику полного поглощения (см. Полупроводниковый детектор).

Поскольку на образование одной пары носителей заряда требуется, по крайней мере, в 100 раз меньше энергии (2,8 эВ в кристалле Ge), чем затрачивается в сцинтилляц. счётчике на получение одного фотоэлектрона с фотокатода ФЭУ, то разрешающая способность полупроводникового гамма-спектрометра оказывается гораздо более высокой, чем у сцинтилляц. гамма-спектрометров. Для спектрометрии

-квантов с энергией порядка неск. МэВ в осн. применяются работающие при температуре жидкого азота германиевые детекторы двух типов: детекторы, в к-рых обеднённая область создана внедрением ионов Li в кристалл Ge с проводимостью р-типа, и детекторы из сверхчистого Ge. Полупроводниковые гамма-спектрометры дают возможность получить

1,7-2 кэВ при E= 1,33 МэВ. В области малых энергий -квантов применяются небольшие по объёму детекторы из сверхчистого Ge и Ge, в к-ром обеднённая область создана предварительным интенсивным

-облучением (т. н. радиац. детекторы), а также детекторы из Si с внедрённым Li. При энергиях

-квантов ~6 кэВ в таких гамма-спектрометров достигнуты ширины линий

~150- 200 эВ, а при

~60 кэВ

~350-400 эВ.

Рис. 2. Амплитудный спектр импульсов от полупроводникового

-спектрометра с коаксиальным Се(Li)-детектором (рабочий объём 38 см³), облучаемого

-квантами радионуклида ¹³⁴Cs. По оси ординат - число отсчётов на канал анализатора; цифры над пиками указывают энергии

-квантов в кэВ.

По эффективности полупроводниковые гамма-спектрометры значительно уступают сцинтилляционным с кристаллами NaI (Tl). Германиевые детекторы объёмом ~30 см³имеют эффективность регистрации g~квантов с энергией 1,33 МэВ, определённую по площади пика полного поглощения, порядка 2-3% (рис. 2). Больший объём кристалла даёт большую эффективность (существуют германиевые детекторы с рабочим объёмом 100-120 см³ и более).

Другие гамма-спектрометры для малых энергий

- квантов. В области энергий

-квантов

~100 кэВ иногда применяются газовые пропорциональные счётчики, наполненные Ar или Kr. По разрешающей способности они уступают полупроводниковым гамма-спектрометрам, но существенно превосходят сцинтилляц. гамма-спектрометры.

Mагн. гамма-спектрометры, основанные на измерении энергии комптоновских электронов или электронно-позитронных пар, создаваемых

-квантами в тонком радиаторе, игравшие важную роль в прошлом, применяются редко, их вытесняют полупроводниковые гамма-спектрометры, не уступающие им по разрешающей способности, но значительно превосходящие их по эффективности. Однако магнитные спектрометры сохранили своё значение в качестве спектрометров электронов внутр. конверсии

-лучей (см. Конверсия внутренняя, Бета-спектрометр) и др. экспериментах. Лучшие приборы этого типа имеют разрешающую способность 0,03% при светосиле 0,05% [1].

Кристалл-дифракц. гамма-спектрометры применяются в осн. при низких энергиях

-квантов. Эти приборы отличаются особенно высокой точностью измерения энергии и по принципу действия аналогичны рентг. спектрометрам (см. Спектральная аппаратура рентгеновская). С целью повышения светосилы в нек-рых из них применяют изогнутые кристаллы, позволяющие дифрагировавшим

-лучам собираться в фокусе спектрометра, куда помещается детектор. На рис. 3 показана схема спектрометра с изогнутым кристаллом. Аппаратурные ширины линий у подобного рода гамма-спектрометры составляют примерно 20 эВ при энергиях

-квантов в неск. сотен кэВ. Абс. же значения энергии в максимуме определяются с очень малой относит. погрешностью порядка 10^-7-10^-6 [2]. Получить такую высокую точность оказалось возможным благодаря тщательному предварительному измерению межплоскостного расстояния для монокристалла. Недостатком кристалл-дифракц. спектрометров является их малая светосила (

0,1% для спектрометров с изогнутым кристаллом).

Рис. 3. Схема дифракционного гамма-спектрометра с изогнутым кристаллом: 1 - источник

-квантов; 2,4 - щелевые коллиматоры; 3 - упругоизогнутый кристалл кварца; 5 - детектор.

Гамма-спектрометры для

-квантов высоких энергий. Методы, применяемые для спектроскопии

-квантов высоких энергий, сильно отличаются от перечисленных. Существуют гамма-спектрометры, основанные на регистрации черенковского излучения от электронно-фотонных ливней, вызываемых

-квантами высокой энергии в радиаторах из достаточно тяжёлого прозрачного вещества, напр. свинцового стекла (см. Черенковский счетчик). Размеры подобного радиатора выбираются так, чтобы в нём уложились пробеги всех электронов и позитронов ливня, для чего продольный размер должен быть порядка десяти радиац. длин, а поперечный размер должен превосходить поперечную расходимость ливня. В физике высоких энергий в качестве гамма-спектрометров используются также пузырьковые камеры [3]. Энергии

-квантов определяются по энергиям пар, образованных в рабочем веществе камеры. В камерах с лёгкими жидкостями (водород, гелий, пропан), помещёнными в магн. поле, удаётся измерить энергию пары по кривизне нач. участков треков электрона и позитрона, поскольку радиац. длина в этих жидкостях велика и, по крайней мере, в начале треков общие радиац. потери энергии ещё малы. В камерах с тяжёлыми жидкостями (напр., с Xe) радиац. длина мала и в большинстве случаев ливень развивается в пределах объёма камеры. В этом случае энергию ливня, а значит, и первичного

-кванта можно определить по сумме пробегов всех заряж. частиц в ливне. Эта процедура, однако, пригодна лишь до энергий

-квантов ~10 ГэВ.

Литература по гамма-спектрометрам

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.