 |
4. Спектрометрия β-излучения
|
|
|
|
4. СПЕКТРОМЕТРИЯ β -ИЗЛУЧЕНИЯ
Бета-спектрометры с ППД
Бета-спектрометры с ППД являются наиболее доступными приборами для регистрации спектров β -излучения в задачах прикладкой спектрометрии. Уступая магнитным спектрометрам в энергетическом разрешении, спектрометры с ППД значительно превосходят их по эффективности регистрации и обладают возможностью одновременной регистрации спектра в широком энергетическом диапазоне. Благодаря этому заметно сокращается время измерения, что в некоторых экспериментах является решающим фактором. Спектрометры с ППД могут комплектоваться детекторами различных типов. Так, для спектрометрии электронов с энергией до 0, 7 МэВ успешно используются кремниевые поверхностно-барьерные детекторы. При регистрации электронов с большей энергией предпочтение отдается кремниевым диффузионно-дрейфовым детекторам, имеющим толщину чувствительной области до 5 мм. Реже используются германиевые поверхностно-барьерные детекторы. Как отмечалось выше, спектрометры с ППД обладают высоким энергетическим разрешением. Так, на спектрометре с кремниевым диффузионно-дрейфовым детектором получено энергетическое разрешение 0, 88 кэВ для Еβ ≈ 100 кэВ, а на спектрометре с германиевым поверхностно-барьерным детектором-1, 87 кэВ для Еβ = 1055 кэВ.
К недостаткам бета-спектрометров с ППД следует отнести необходимость охлаждения детекторов для получения оптимального разрешения и наличие эффектов обратного рассеяния и тормозного излучения электронов, искажающих форму аппаратурной линии спектрометров. Определенные сложности в расшифровке аппаратурных спектров, получаемых на бета- спектрометрах с ППД, возникают и в связи с попутной регистрацией комптоновских электронов, рентгеновского и γ -излучения.
|
|
|
Для исследования формы аппаратурной линии кремниевый детектор с толщиной чувствительной области, равной пробегу электронов с энергией 350 кэВ, облучали моноэнергетическими электронами с энергией от 100 до 1200 кэВ. Полученные спектры представлены на рис. 4. 1. Из него видно, что каждая аппаратурная линия состоит из ППП и протяженного " хвоста" со стороны низких энергий, причиной возникновения которого является эффект обратного рассеяния электронов из детектора. С целью количественной оценки этого эффекта вводится коэффициент обратного рассеяния Р, являющийся отношением числа обратнорассеянных электронов Np к числу падающих на поверхность детектора моноэнергетических электронов Nп. В свою очередь, Np связано с Р и числом регистрируемых электронов Ne уравнением
Np=PNe(1-P). (4. 1)
Рис. 4. 1 Чувствительность диффузионного кремниевого детектора к моноэнергетическим электронам
Коэффициенты обратного рассеяния для кремниевого детектора определяли экспериментально и рассчитывали по методу Монте-Карло. Измерения и расчеты были выполнены для диапазона энергий электронов 300-1200 кэВ и различных углов падения φ . Экспериментальные результаты показали, что значения Р при нормальном падении электронов на чувствительную поверхность детектора во всем диапазоне энергий остаются практически постоянными (19-22%). При энергиях электронов свыше 1000 кэВ помимо обратного рассеяния начинает проявляться эффект тормозного излучения, сопровождающийся вылетом кванта тормозного излучения из чувствительной области детектора. Расчеты, выполненные с учетом этого эффекта, показали, что значения Р составляют 20--22%, т. е. хорошо согласуются с экспериментальными данными. Сравнение результатов измерения Р при разных углах падения φ дало возможность обнаружить существенную зависимость Р от φ . Так, при изменении φ от 90 до 15° для случая электронов с энергией 600 кэВ коэффициент обратного рассеяния возрастает почти втрое.
|
|
|
Все эти результаты получены в условиях, когда пробег электронов полностью укладывается в чувствительной области детектора. Для выяснения, что будет происходить с формой линии, когда пробег электронов превышает толщину чувствительной области, вернемся к рис. 4. 1. Для всех аппаратурных линий моноэнергетических электронов с энергией 400 кэВ и выше ППП сохраняется, причем его положение на энергетической шкале соответствует энергии падающих электронов. Этим аппаратурный спектр электронов принципиально отличается от аппаратурного спектра α -частиц, где в аналогичной ситуации происходит уширение пика и его сдвиг в сторону меньших энергий. Сохранение положения ППП в аппаратурном β -спектре объясняется многократным рассеянием электронов в чувствительной области детектора, что и формирует ППП, соответствующий полной потере энергии электронами. Однако по мере увеличения энергии электронов доля электронов, потерявших полностью свою энергию в чувствительной области за счет многократного рассеяния, снижается. Это приводит к уменьшению высоты пика и соответственно его площади. Одновременно с этим возрастает " хвост" и в районе 180 кэВ формируется все более отчетливо второй пик, соответствующий наиболее вероятным значениям потерь энергии при обратном рассеянии.
Помимо обратного рассеяния и тормозного излучения имеется много других эффектов, приводящих к искажению формы аппаратурной линии бета-спектрометра с ППД. Эти эффекты можно объединить в три группы:
1. эффекты, связанные с радиоактивным источником (рассеяние от подложки источника, рассеяние в веществе самого источника, возбуждение характеристического излучения в подложке и в самом источнике, испускание сопровождающего излучения);
2. эффекты, связанные с характеристиками ППД (зависимость пробега от Z ППД и энергии электронов, рассеяние в материале входного окна ППД, флуктуации эффективности сбора заряда в ППД и др. );
3. внешние эффекты (рассеяние в материале входного окна вакуумной камеры, возбуждение характеристического излучения окружающих ППД и источник материалов, радиационный фон и др. ).
|
|
|
Подготовка спектрометра к работе и планирование эксперимента должны осуществляться таким образом, чтобы по возможности ослабить факторы, влияющие на форму аппаратурной линии. Для получения оптимального энергетического разрешения необходимо охлаждать кремниевый детектор но крайней мере до 220 К.
Наиболее значительным источником систематических погрешностей измерения спектральных характеристик является обратное рассеяние электронов, особенно для случая расшифровки непрерывного β -спектра. Рекомендуются следующие способы внесения поправок за счет обратного рассеяния в измеренный спектр:
- использование экспериментально определенных значений коэффициентов обратного рассеяния;
- решение интегрального уравнения, связывающего истинный и аппаратурный спектры;
- расчет методом Монте-Карло обратного рассеяния в зависимости от энергии и угла падения электронов.
Эти методы трудоемки и не всегда учитывают конкретную специфику измерений. Поэтому более перспективными представляются методы снижения влияния обратного рассеяния на форму спектра, основанные на аппаратурных способах, например, суммировании импульсов от двух детекторов в геометрии, близкой к 4π ср, или включении этих детекторов на антисовпадения.
Первый способ заключается в использовании двух кремниевых детекторов, расположенных достаточно близко друг к другу рабочими поверхностями, между которыми помещается источник. Если в одном из детекторов регистрируется электрон, который затем рассеивается и попадает в другой детектор, где также создает сигнал уменьшенной амплитуды, то на выходе двух измерительных каналов эти сигналы суммируются и дают один импульс с амплитудой, пропорциональной энергии электрона.
Такой способ применим, когда в схеме распада отсутствуют каскадные электроны, т. е. в случае чистого β -распада, или когда в сложном β -распаде сопровождающее γ -излучение мало конвертируемо.
|
|
|
Другой метод заключается в том, что оба измерительных канала включаются на антисовпадения. При этом один из кремниевых детекторов является анализирующим, а другой - регистрирующим электроны, рассеянные от первого детектора. В том случае, когда электрон полностью поглощается в анализирующем детекторе, схема антисовпадений разрешает анализатору зарегистрировать импульс. Если электрон отражается в анализирующем детекторе и попадает на регистрирующий, то в обоих детекторах практически одновременно возникают два импульса, которые отбрасываются схемой антисовпадений. Это дает возможность исключить регистрацию обратнорассеянных электронов.
В настоящее время известны методы, позволяющие аппаратурными способами исключить искажение аппаратурного спектра, вызванного также и регистрацией комптоновских электронов, образующихся в результате взаимодействия γ -излучения с материалом детектора. Эти методы достаточно подробно изложены в литературе. Хотя все рассмотренные выше приемы и методы позволяют ослабить эффекты, искажающие форму аппаратурной линии, и облегчить расшифровку аппаратурного β -спектра, получение достоверной информации по аппаратурным спектрам продолжает оставаться достаточно сложной задачей, особенно для непрерывного β -спектра.
|
|
|
