 |
Бета-спектрометр на основе сцинтилляционного детектора.
|
|
|
|
Бета-спектрометр на основе сцинтилляционного детектора.
Состав спектрометра.
Бета-спектрометр имеет стандартное оборудование, в которое входит сцинтилляционный детектор и спектрометрический тракт, соединенный с IBM PC/AT (рис. 4. 2). Спектрометрический тракт состоит из источников питания - высоковольтного БНВ-30-01 (подача питания на ФЭУ), низкого напряжения ± 12В УИП (питающего предусилитель), - спектрометрического усилителя БУИ-ЗК и платы аналого-цифрового преобразователя, сопряженной с шиной контроллера IBM.
Для уменьшения показаний фона детектор помещен в толстослойный свинцовый домик (толщиной 10 см), имеющий отверстие, в которое вставляется исследуемая проба. Проба, исследуемая на β -излучающие нуклиды, обычно помещается в алюминиевую кювету, поскольку алюминий имеет коэффициент обратного отражения электронов примерно такой же, какой имеют и исследуемые пробы (почва, зола и другие биологические материалы). В качестве детектора используется пластмассовый сцинтиллятор Ø 63х16 мм (изменение размеров сцинтиллятора приводит к изменению его чувствительности).
Форма аппаратурной линии β -спектра в значительной мере определяется процессами взаимодействия электронов с веществом детектора, окружающими материалами, а также поглощением в источнике.
Градуировка спектрометра.
Градуировка β -спектрометра с пластмассовым сцинтиллятором затруднена тем, что у функций отклика на β -спектры реальных изотопных источников нет характерных резко выделяющихся точек, как, например, при градуировке спектрометра полного поглощения энергии γ -квантов. Хотя граничные энергии β -спектров известны достаточно хорошо, плавный подход аппаратурного спектра к граничной энергии не дает возможности точно установить номер канала, соответствующего концу спектра. Поэтому способ градуировки по краям β -спектров возможен, но весьма затруднителен.
|
|
|
Рис. 4. 2 Схема экспериментальной установки
Другой способ градуировки β -спетрометров основан на том, что некоторые источники обладают большим выходом моноэнергетических электронов внутренней конверсии, при этом на функции отклика спектрометра появляются характерные пики. Внутренней конверсией обладают многие радионуклиды, однако в большинстве своем выходы конверсионных электронов невелики, преобладают невысокие энергии конверсионных электронов или радионуклиды имеют достаточно малые периоды полураспада.
Рис. 4. 3 Аппаратурный спектр 137Cs-137mВa, полученный на пластмассовом сцинтилляторе
Поэтому подобрать набор сравнительно долгоживущих источников конверсионных электронов с энергиями, перекрывающими диапазон до нескольких МэВ, практически невозможно. Исключение составляет 137mВa - дочерний при β -распаде хорошо известного137Cs. Спектр, получаемый от источника 137Cs-137mВa измеренный пластмассовым сцинтиллятором, изображен на рис. 4. 3. Хорошо виден пик конверсии (Е = 62 кэВ) на фоне непрерывного спектра β -частиц 137Cs всего вышесказанного следует, что градуировка энергетической шкалы по конверсионным электронам встречает некоторые методические затруднения.
При наличии ускорителей моноэнергетических электронов градуировку можно проводить на пучках ускорителей, в этом случае получаются высокоэнергетичные электроны определенной известной энергии.
Градуировку можно провести косвенным путем, используя т. н. комптоновские ступеньки на функциях отклика органических сциитилляторов на γ -кванты. Толщина сцинтилляторов, используемых при β -спектрометрии, невелика (пробег электронов с энергией 3 МэВ составляет около 1 см), поэтому и вероятность полного поглощения энергии γ -излучения невелика. Чаще всего происходят однократные комптоновские рассеяния. На рис. 4. 4 приведены сравнительные функции отклика органического небольшого кристалла, большого органического кристалла и неорганического кристалла средних размеров на моноэнергетическое γ -излучение.
|
|
|
Рис. 4. 4 Аппаратурные функции отклика на моноэнергетическое γ -излучение различных детекторов
Из рисунка видно, что комптоновская часть функции отклика неорганического кристалла по форме совпадает с функцией отклика органического кристалла малых размеров. Органический кристалл больших размеров уже не содержит ярко выраженной комптоновской ступеньки, но имеет пик полного поглощения, похожий на пик полного поглощения неорганического кристалла. Поскольку для регистрации β -частиц используются кристаллы небольших размеров (толщин), можно крутой спад комптоновской ступеньки (на рис. 4. 4 помечена А) использовать для энергетической градуировки. Энергия, соответствующая границе комптоновского распределения, рассчитывается по известной формуле
(4. 8)
где - энергия γ -квантов;
кэВ - масса покоя электрона.
Имея несколько энергий γ -квантов, можно получить несколько комптоновских ступенек и по ним провести энергетическую градуировку. В качестве точки привязки можно использовать точку перегиба на аппаратурной функции отклика. Положение точки перегиба не отличается в пределах нескольких кэВ (3-5) от вычисленной по формуле энергии границы комптоновской ступеньки, если энергетическое разрешение не хуже 20%. На рис. 6 показаны комптоновские ступеньки источника 22Na, имевшего энергии γ -излучения 511 и 1275 кэВ, отмечены точки перегиба и показано, как проходит градуировочная зависимость канал-энергия. Недостатком подобного метода градуировки является то, что электроны отдачи при комптоновском рассеянии образуются внутри кристалла и теряют в чувствительном объеме кристалла всю свою энергию. β -частицы из изотопных источников приходят в кристалл извне и некоторую долю энергии (15-40 кэВ) теряют в мертвом слое детектора и светозащитной упаковке кристалла. Поэтому градуировочная зависимость оказывается сдвинутой на 20-40 кзВ (влево). Величина сдвига зависит от качества изготовления кристалла и может быть проконтролирована, например, по одному источнику конверсионный электронов (137Cs-137mВa). В применяемой лабораторной установке конверсионный пик 621 кэВ Ва попадает на энергию 585 кэВ градуировочной зависимости, построенной с помощью градуировочного источника 22Na. Сдвиг составляет примерно 35 кэВ.
|
|
|
|
|
|
