Детектори іонізуючих випромінювань, дозиметричні і радіометричні прилади

Блок-схема гама-спектрометра представлена на рис.11.

Детектор гама-спектрометра повинен бути спектрометричним, тобто виробляти імпульс електричної напруги, амплітуда якого пропорційна енергії фотона. Такими детекторами можуть бути сцинтиляційні або напівпровідникові детектори. Ці ж детектори можуть використовуватись і для спектрометрії (визначення енергії) заряджених частинок. Для спектрометрії сильно-іонізуючих частинок (альфа-частинок, ядер) можуть використовуватись і газові пропорціональні лічильники.

Детектор гама-спектрометра виробляє імпульс електричної напруги, амплітуда якого пропорційна енергії фотона, подає їх на аналого-цифровий перетворювач (АЦП на рис.11). АЦП вимірює амплітуду кожного імпульсу і результат вимірювання у вигляді числа подає на ЕОМ. В ЕОМ програмно організована певна кількість каналів, яка являє собою число   (n-ціле число). Канали є комірками пам’яті, в які поступають імпульси з певними інтервалом амплітуд і кількість яких запам’ятовується в окремих каналах. Ширина всіх каналів однакова і дорівнює деякому значенню  . В першому каналі запам’ятовується кількість імпульсів, які мають амплітуди   від нуля до  , в другому – від   до  , в третьому – від   до   і т.д. В результаті цього утворюється апаратний спектр, який являє собою залежність числа імпульсів від номера каналу.

При спектрометрії заряджених частинок ситуація достатньо проста. Заряджена частинка, влітає в робоче тіло детектора, віддає йому всю енергію, і детектор виробляє імпульс, амплітуда якого пропорційна енергії зарядженої частинки. Набагато складніший процес утворення імпульсів при спектрометрії гама-фотонів. Гама-фотон викличе появу імпульсу тільки в тому випадку, коли він вирве з робочого тіла детектора електрон, надасть електрону відповідної кінетичної енергії. Амплітуда імпульсу буде пропорційною енергії електрона.

Швидкі заряджені частинки в робочому тілі детектора можуть виникати в результаті ефекту Комптона, фотоефекту або процесу народження пар електрон-позитрон. В жодному з цих процесів зарядженій частинці не передається кінетична енергія, рівна енергії фотона. Так, при ефекті Комптона швидкому електрону передається тільки частина енергії фотона, інша може бути винесена за межі робочого тіла розсіяним фотоном. При фотоефекті фотон поглинається повністю, але кінетична енергія швидкого електрона  , де  – енергія зв’язку електрона в атомі. У процесі народження пар електрон і позитрон в сумі мають кінетичну енергію  . Кінетична енергія частинок в цьому процесі менша енергії фотона на величину енергії спокою електрона і позитрона.

Незважаючи на це повне поглинання енергії фотона зарядженими частинками відбувається на протязі достатньо короткого проміжку часу в результаті кількох актів взаємодій. Наприклад, при фотоефекті може бути вирваний електрон з К-оболонки атома, при цьому він буде мати енергію  . В К-оболонці атома утворюється пусте місце, яке швидко буде заповнене одним з електронів верхніх оболонок, в результаті чого виникає збуджений атом, який шляхом Оже-процесу передасть енергію збудження одному з електронів верхніх електронних оболонок. Два швидких електрони, які утворились на протязі дуже короткого проміжку часу, мають сумарну кінетичну енергію, що дорівнює енергії фотона. Енергія збудження атома може бути знята і шляхом випромінювання ренгенівського фотона, який буде мати набагато меншу від гама-фотона енергію – енергію зв’язку електрона К-оболонки. Ефективність детектора збільшується при зменшенні енергії фотонів, тому ренгенівський фотон має велику імовірність викликати фотоефект на електронах верхньої електронної оболонки. В результаті знову на протязі короткого проміжку часу виникає два швидких електрони, які мають сумарну кінетичну енергію, рівну енергії фотона. Рухаючись в робочому тілі детектора ці два електрони віддають йому повну енергію фотона.

Процес повного поглинання енергії фотона може починатись і з комптон-ефекту. Розсіяний фотон в результаті фотоефекту утворить другий швидкий електрон, а в результаті зняття збудження шляхом Оже-процесу утвориться третій швидкий електрон. Ці три електрони в сумі будуть мати кінетичну енергію, що дорівнює енергії фотона. Таким і іншими способами відбувається повне поглинання енергії фотона шляхом багатократних процесів на протязі короткого проміжку часу, який набагато менший тривалості імпульсу детектора.

Імпульси, отримані при повному поглинанні енергії фотона, мають майже однакову амплітуду і попадають в один або близькі канали гама-спектрометра. Тому на апаратному спектрі залежності числа імпульсів від номера каналу утворюють вузький пік, який чітко відрізняється на фоні неперервного розподілу електронів за енергіями, що виникають в результаті комптон-ефекту. Цей пік називають піком повного поглинання (ППП).

Енергія гама-спектральних ліній визначається по положенню ППП, під яким для піка, що знаходиться на горизонтальному п’єдесталі необхідно розуміти максимум піка. Якщо ширина піка набагато більша ширини каналу, то можна вважати, що максимуму відповідає певний канал m. Виходячи з того, що амплітуда імпульсу пропорційна енергії гама-фотона, можна зробити висновок, що енергія гама-фотона і номер каналу, на який припадає максимум ППП, зв’язані пропорціональною залежністю. Але пропорціональну залежність важко реалізувати технічно. Тому на практиці залежність енергії гама-фотона від номера каналу, у якому знаходиться максимум ППП апроксимується лінійною залежністю

 ,                                                   (5.43.)

де k і b – постійні величини для даного гама-спектрометра. Щоб проградуювати гама-спектрометр за енергією гама-фотонів, необхідно мати нукліди, що випромінюють 2 гама-лінії, в однієї з яких ППП розміщений у