Гамма-спектроскопия
Гамма-спектроскопия - это измерение спектра гамма-излучения от источника радиоактивного излучения . Гамма - кванты не имеют произвольно, а некоторые ( дискретные ) энергии , которые являются характерными для соответствующего радионуклида , подобно тому, как эти спектральные линии являются характерными для веществ , содержащихся в образце , в оптической спектроскопии . Вот почему гамма-спектроскопия является важным методом исследования радиоактивных веществ, например, радиоактивных отходов, чтобы иметь возможность принять решение об их обработке.
Некоторые гамма-спектрометры коммерчески доступны под названием Radionuclide Identifying Device . Это устройства для идентификации гамма-излучателя, а не для количественного измерения активности.
Более точно различить
- Гамма- спектроскопия , которая показывает в качестве качественного измерения, какие нуклиды присутствуют,
- и гамма-спектрометрия , которая количественно определяет активность отдельных нуклидов.
Однако эти термины не используются полностью единообразно. Устройство обычно называют гамма-спектрометром, а не «гамма-спектроскопом».
Устройство гамма-спектрометра
детектор
Основная часть измерительной аппаратуры, гамма-спектрометр , представляет собой подходящий детектор излучения . Для большинства гамма-излучателей с их энергией от примерно 50 кэВ до нескольких МэВ используются полупроводниковые детекторы, изготовленные из германия высокой чистоты ( германий высокой чистоты , аббревиатура HPGe) или менее чистого, легированного литием («дрейфующего») германия (аббревиатура Ge (Li) ). Кремниевые детекторы с дрейфом лития (сокращенно Si (Li)) подходят для диапазона энергий ниже 50 кэВ .
Детекторы HPGe охлаждаются жидким азотом во время работы, чтобы избежать фоновых сигналов (« теплового шума »), создаваемых тепловыми процессами . Детекторы с дрейфом лития даже нуждаются в постоянном охлаждении, даже во время хранения и транспортировки.
Помимо полупроводниковых детекторов используются также сцинтилляционные детекторы с монокристаллами иодида натрия или германата висмута (BGO). Их преимущество состоит в том, что они могут изготавливаться с большими размерами, чем полупроводниковые детекторы, так что достигается более высокая вероятность срабатывания детектора. Это важно, когда необходимо измерить излучение очень низкой интенсивности, например, при обследовании людей на радиоактивность в организме. Сцинтилляционные детекторы не нуждаются в охлаждении. Их недостаток - значительно меньшее энергетическое разрешение (см. Ниже).
Запишите спектр
Электрические импульсы, генерируемые детектором, обычно подаются на многоканальный анализатор через усилитель для получения спектра . В простых случаях, например, для учебных целей в учебных лабораториях, вместо этого можно использовать одноканальный анализатор с последующим электронным счетчиком ; здесь спектр записывается один за другим, диапазон энергий для диапазона энергий. Таким образом, одноканальный метод обеспечивает неискаженный спектр только для тех нуклидов, период полураспада которых велик по сравнению с продолжительностью измерения.
В представлении спектра энергия обычно отображается по горизонтали (как номер канала ), а интенсивность по вертикали (как содержимое канала ).
На соседних рисунках представлены спектры 137 Cs и 60 Co.
Квантовая энергия и высота импульса
По сути, существует три различных процесса, посредством которых гамма-квант может вызвать ионизацию и, следовательно, импульс детектора. Даже кванты с однородной энергией дают характерное распределение высот импульсов. Только наибольшая из этих высот импульса - локальный максимум в спектре, который соответствует полной энергии кванта, фотопик или пик полной энергии (FEP) - используется для спектроскопии. Те импульсы, которые соответствуют энергии, меньшей, чем полная, образуют комптоновский континуум, принадлежащий этой FEP .
Эта непрерывная часть хорошо видна на фигурах с лежащими на ней пиками. Пики в континууме могут быть вызваны другими эффектами или могут быть FEP для других гамма-энергий, представленных в спектре; в этом случае каждый из них приносит с собой «свой» комптоновский континуум. Следовательно, фон в зарегистрированном спектре, который необходимо вычесть из соответствующей площади пика, увеличивается все больше и больше по мере падения энергии.
Измерения энергии и интенсивности
Измеряются как энергия каждого зарегистрированного фотона, так и интенсивность каждой спектральной линии. Чтобы идентифицировать нуклиды и, например, определить их активность , спектрометр должен быть откалиброван с учетом обеих измеряемых переменных.
Калибровка энергии
Энергетическая калибровка происходит с помощью гамма-энергий известных нуклидов препарата. При определенных обстоятельствах известная гамма-энергия излучения "под землей", исходящего из окружающей среды, например, Б. линия 40 К при 1461 кэВ и линия аннигиляции позитронов вторичных космических лучей при 511 кэВ. Высота импульса (номер канала) обычно (особенно с детекторами HPGe) линейно соответствует энергии фотона настолько точно, что двух гамма-линий достаточно в качестве точек калибровки, чтобы получить присвоение номера канала-энергии для всего спектра.
Калибровка интенсивности
Мера интенсивности - это скорость счета (количество импульсов в единицу времени) для энергии кванта (графически: площадь под соответствующим фотопиком). Интересующая переменная - это либо плотность потока фотонов в месте расположения детектора, либо, в основном, активность рассматриваемого нуклида в измеряемом образце. Если одна из этих переменных должна быть определена абсолютно, результат счета или вероятность срабатывания детектора должны быть откалиброваны как функция гамма-энергии.
Для этого требуются измерения с использованием калибровочных стандартов известного состава И активности, которые можно получить, например, в Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) . Такие эталоны излучают гамма-кванты разной энергии. Скорость счета, измеренная таким образом, приводит к точкам измерения, из которых получается калибровочная кривая для диапазона между самой низкой и самой высокой гамма-энергией, используемой при калибровочном измерении, путем вычислительной (ранее графической) интерполяции . Вероятность ответа вне этого диапазона, следовательно, не может быть откалибрована, потому что требуемая ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ поляризация не обеспечит достаточной точности. Кривая калибровки интенсивности не является линейной.
Так как энергии калибровочных линий в любом случае должны быть известны, такая калибровка интенсивности неизбежно приводит к одновременной калибровке энергии.
Ложные спектральные линии
В дополнение к фотопикам, которые соответствуют энергиям падающих гамма-квантов, различные неизбежные побочные эффекты могут привести к дальнейшим максимумам в спектре, которые не следует путать с реальными гамма-спектральными линиями (см. Рисунки). Примером этого являются escape-строки .
Растворение энергии
Энергетическое разрешение - это наименьшее расстояние между двумя энергиями, при котором два фотопика все еще можно оценить отдельно. Это примерно соответствует полуширине каждого пика. Полупроводниковые детекторы достигают полуширины менее 2 кэВ для 1332 кэВ, так что можно разделить даже очень близко расположенные гамма-линии. Напротив, в сцинтилляционном детекторе, например, как показано на одном из рисунков, фотопик при 662 кэВ 137 Cs имеет ширину около 70 кэВ. Поэтому сцинтилляционные детекторы особенно подходят там, где тип нуклида известен и где фактическая спектроскопия менее важна, чем количественное определение.
Цифровое разрешение
Чтобы воспользоваться преимуществом энергетического разрешения детектора, цифрового разрешения , т.е. ЧАС. количество каналов для регистрации спектра может быть выбрано соответствующим образом. Для диапазона измерения от 0 до 2 МэВ или от 0 до 4 МэВ, например Б. полезен для полупроводникового детектора на 4096 или 8192 канала; Для сцинтилляционного детектора достаточно 512 или 1024 каналов. Излишне высокое цифровое разрешение нежелательно, поскольку при распределении одинакового количества импульсов по большему количеству каналов меньше импульсов теряется на каждом отдельном канале, так что случайная неопределенность (см. Распределение Пуассона ) каждой из этих скоростей счета увеличивается, а четкость записанного спектра страдает.
литература
- Гленн Ф. Нолл: обнаружение и измерение радиации . 4-е издание. Уайли, Нью-Йорк 2010. ISBN 978-0470131480 .
- Гордон Гилмор: Практическая гамма-спектрометрия. Уайли, Чичестер, 2008 г., ISBN 978-0470861967 .
- Уильям Р. Лео: Методы ядерных экспериментов и экспериментов по физике элементарных частиц: практический подход. Спрингер, Нью-Йорк, 1994, ISBN 978-0387572802 .