Детекторы для гамма-спектрометрии. Оценка хирургических гамма-детекторов для локализации сигнального лимфоузла при раке шейки матки и влагалища Машинное охлаждение детекторов гамма излучения
Вот сегодня пока спали в 5.20 на Ростовской АЭС бац и реакторы стали) хорошо что от блокировки электроинергии.
Радиографический источник иридий-192 активностью 25 Ки был утерян при транспортировке. Две девочки - трех и семи лет - нашли его и отдали своей бабушке, которая положила эту находку в кухонный стол, подвергнув таким образом облучению семью из семи человек. Бабушка впоследствии умерла от радиационного поражения. У ее родственницы, проживавшей вместе с ней, произошел спонтанный аборт, две другие получили серьезные радиационные ожоги, которые привели позднее одну из них к раковому заболеванию. Дети получили общие дозы облучения 100 - 140 бэр и более высокие локальные на конечности, в результате у них были ампутированы пальцы и трансплантирована часть кожных покровов (Cosset, 2002; IAEA, 1988; Ortiz et al, 2000: Weaver 1995).
1980 год. Украина, город Краматорск
Утеряна радиоактивная ампула излучающая 200 рентген в час. Ампула, использовавшаяся в уровнемере предприятия добывающего щебень, в результате попала в стену панельного дома №7 по улице Гвардейцев-Кантемировцев города Краматорск. В результате за 9 лет проживания в радиоактивной квартире погибли 4 ребенка, 2 взрослых, еще 17 человек были признаны инвалидами. («Чернобыль в стене панельного дома»/Восточный проект 28.04.2003)
Во дворе дома № 40 корп. 19 по улице Новаторов на площади 70 тыс. квадратных метров выявлено 244 очага радиоактивного загрязнения радионуклидом цезий-137. Глубина загрязнения составляла 40 сантиметров. Мощность дозы - 1,9 Р/ч. При дезактивации участка было удалено 39,4 т радиоактивно загрязненного грунта. Об облучении населения сведений нет В дальнейшем при повторных обследованиях в 1988-м. 1990-м и 1994 году здесь же был обнаружен ряд локальных очагов с уровнем радиации до 1 мР/ч (Ежегодник Росгидромета, 1996)
1996 года. Россия, Росгидромет
Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в своем ежегоднике «Радиационная обстановка на территории России в 1995 году» впервые опубликовал кадастр участков радиоактивного загрязнения, уровень радиации на которых превышал 1 Р/ч. Они были выявлены организациями концерна «Геологоразведка». Причинами основного числа аномалий стали бесхозные источники ионизирующего излучения, радиоактивные отходы, приборы и предметы с радиевым светосоставом постоянного действия, радиоактивные стройматериалы, удобрения и шлаки. Всего за время обследования в 227 населенных пунктах было обнаружено 13634 участка радиоактивного загрязнения. Более половины из них находились в жилой части городских территорий. Это дает право предположить, что радиоактивному облучению в течение длительного времени подвергались сотни и тысячи ничего не подозревавших граждан (Ежегодник Росгидромета, 1996)
Неадекватные соседи
Девид Хан - Ядерный бойскаут
Американский подросток Девид Хан, прозванный в последствии Ядерным бойскаутом, прославился тем, что пытался создать ядерный реактор бидерного типа в сарае рядом со своим домом на окраине Детройта. В качестве топлива он использовал радиоизотопные противопожарных датчики и некоторые другие радиоактивные предметы, которые смог достать.
Всё закончилось вмешательством ФБР и Комиссией по ядерному регулированию. Сарай Дэвида разобрали и вместе с содержимым вывезли в 39 бочках, которые закопали в могильнике для слаборадиоактивных отходов в штате Юта, окружающая местность рядом с сараем к счастью не пострадала.
История с Девидом произошла в США, в далеком 1994-м, и кто-то может сказать, что подобное невозможно в России в наши дни, что же…
2013 г. В Москве преподаватель колледжа облучал радиацией своего друга, как вы думаете для чего?
Чтобы сделать его бессмертным. «Сумасшедший ученый» заинтересовал полицию, которая завела уголовное дело.
Оказалось, что, стремясь достичь бессмертия, исследователь и его подопытный хранили дома около четырнадцати килограммов радиоактивных веществ, которые использовали в опытах.
Радиоактивные ювелирные украшения
Дрезденский зеленый бриллиант - грушевидный алмаз естественного яблочно-зелёного цвета. Единственный крупный (41 карат.) образец бриллианта данной разновидности. Своим уникальным цветом обязан природной радиоактивности. С XVIII века хранится в дрезденской сокровищнице Грюнес Гевёльбе.
Драгоценные камни, которые приобретаются в магазинах и салонах, как правило, далеки от своего первородного вида – только после некоторой обработки (облагораживания) поступают конечному потребителю. Кроме механической огранки и полировки драгоценные камни подвергаются химическому, термическому и радиоизотопному облагораживанию.
Радиоактивному облучению могут подвергаться агаты, сердолики, топазы, алмазы, турмалины, группа бериллов и другие ценные и дорогие минералы. Признаком произведенного облучения может служить необычный, слишком яркий или нехарактерный цвет минерала, необычный ярко выраженный рисунок, но не всегда.
В большинстве случаев сам процесс облучения драгоценных камней происходит практически бесконтрольно в атомных реакторах третьих стран. Облагораживание производится с использованием технологических отверстий и входов, конструктивно для этого не предназначенных.
При этом никто не контролирует, остаются ли радиоактивные элементы или нестабильные элементарные частицы на минерале, в каком количестве они были захвачены и находятся внутри или на поверхности облученных минеральных образцов.
Но бывает, что продаются откровенно радиоактивные предметы бижутерии под видом целебных амулетов.
Изобретение относится к области спектрометрической регистрации рентгеновского и мягкого гамма-излучения. Технический результат изобретения: повышение оперативности и достоверности гамма-спектрометрических исследований, обеспечение возможности получения аппаратурного спектра, не искаженного комптоновским распределением от фотопиков полихроматической смеси гамма-излучения различаемых радионуклидов. Сущность: детектор выполнен в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде в виде органического сцинтиллятора. Органический сцинтиллятор регистрирует комптоновские электроны. Также детектор содержит схему отбора, представляющую собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений. Схема отбора осуществляет отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах. 1 ил.
Изобретение относится к детекторам ионизирующего излучения, а именно к детекторам, предназначенным для спектрометрической регистрации гамма-излучения.
Основная область применения предлагаемого детектора - гамма-спектрометрический анализ смеси радиоактивных изотопов по их гамма-излучению для целей экологического мониторинга окружающей среды за выбросами предприятий атомной промышленности, изучения литологического состава почвогрунтов в сельском хозяйстве по концентрации естественных радионуклидов, радиобиологии, изотопных исследований в растениеводстве и медицине методом меченых атомов, геофизических исследований.
Одним из основных отрицательных факторов при регистрации гамма-квантов по величине энергии с помощью сцинтилляционных детекторов является сложный характер аппаратурного спектра, обусловленный регистрацией не только фотопика полного поглощения, но и гамма-квантов комптоновского рассеяния при неполном поглощении энергии фотоэлектронов. При этом вклад комптоновского рассеяния тем больше, чем меньше размеры детектора и его плотность.
Известно, что для снижения уровня комптоновского рассеяния в устройствах, регистрирующих ионизирующее излучение, используют два детектора, представляющие собой два кристалла йодистого натрия или йодистого цезия, причем, один из детекторов регистрирует само гамма-излучение, а другой фиксирует под определенным углом комптоновское излучение, рассеянное в первом кристалле и которое с помощью схемы совпадений вычитается из спектра первого детектора [см. журнал: Константинов И.Е., Страхова В.А. «Приборы и техника эксперимента», 5, 125 (1960)].
Основным недостатком таких устройств является низкая эффективность регистрации рассеянных гамма-квантов из-за малого угла его регистрации и вследствие этого низкий уровень вычитания комптоновского рассеяния в спектре рабочего детектора.
Некоторое повышение эффективности вычитания комптоновского рассеяния достигается использованием в качестве детектора рассеянного излучения кольцевого кристалла, окружающего рабочий [см. журнал: Бурмистров В.Р., Казанский Ю.А. «Приборы и техника эксперимента», 2, 26 (1957)].
Кроме того, использование двух и более детекторов вызывает необходимость применения такого же количества фотоэлектронных умножителей, что усложняет установку, увеличивает ее габариты и стоимость.
Известен детектор рентгеновского и мягкого гамма-излучений (а.с. СССР №1512339, кл. 5 G 01 T 1/20, 1988, прототип), выполненный в виде сцинтилляционного слоя поликристаллических сферических гранул в иммерсионной среде, помещенного между двумя оптическими стеклами. Иммерсионная среда выполнена на основе полимерной композиции с тиксотропной добавкой, составляющей 2-2,5 мас.%.
Недостатком данного детектора является невозможность исключения комптоновского рассеяния при регистрации ионизирующего излучения смеси радионуклидов, поскольку коэффициент преломления иммерсионной среды, в качестве которой обычно используют масла: вазелиновое, кедровое и др., близок к коэффициенту преломления неорганических сцинтилляторов, поэтому свет от сцинтилляционной вспышки, как результат взаимодействия ионизирующего излучения с сцинтиллятором, беспрепятственно проникает к фотоумножителю, и назначение данного детектора ограничивается лишь регистрацией рентгеновского и мягкого (низкоэнергетического) гамма-излучений.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в исключении мешающего влияния комптоновского рассеяния при регистрации гамма-излучения смеси радионуклидов сцинтилляционным детектором.
Поставленная в изобретении задача решена путем использования в качестве иммерсионной среды органического сцинтиллятора в детекторе гамма-излучения, выполненном в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде, в неорганическом сцинтилляторе происходят световые вспышки от гамма-излучения. Органический сцинтиллятор регистрирует комптоновые электроны, а схемой отбора, представляющей собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений, осуществляют отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является совмещение в одном оптически связанном объеме не просто сцинтиллирующих поликристаллических гранул и иммерсионной среды, а совмещение в одном оптически связанном объеме двух сцинтилллирующих материалов с различным временем высвечивания, что позволяет регистрировать возникающие вспышки фотоэлектронным умножителем с последующим разделением сигналов по форме импульсов, что обеспечивает выполнение дополнительной функции, которой не обладает прототип - подавление комптоновского рассеяния в аппаратурном спектре устройства.
Изображение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображена конструкция предлагаемого детектора.
Детектор гамма-излучения включает в себя слой поликристаллических сферических гранул 1 неорганического сцинтиллятора (йодистый натрий, йодистый цезий), которые погружены в жидкий оптически связанный с ними органический сцинтиллятор 2.
Оптимальный диаметр гранул 1 неорганического сцинтиллятора, рассчитанный по формуле Клейна-Нишины-Тамма, составляет 2-3 мм. Оба сцинтиллятора 1 и 2 заключены в корпусе 3 с оптически связанным с ними окном 4.
Схема отбора представляет собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений.
Работает детектор гамма-излучения следующим образом.
Световые вспышки от гамма-излучений происходят преимущественно в зернах 1 неорганического сцинтилятора, имеющего более высокую массовую плотность и которые имеют очень низкую эффективность взаимодействия с органическим сцинтиллятором 2, тогда как комптоновские электроны регистрируются органическим сцинтиллятором 2, имеющим гораздо более высокую эффективность регистрации электронов, чем гамма-квантов. Фотоэлектронный умножитель преобразует вспышки в электрические импульсы, длительность которых пропорциональна времени высвечивания, которое у неорганического сцинтиллятора 1 намного больше, чем у органического 2. Схемой отбора для регистрации отбираются только те импульсы, которые соответствуют вспышке в неорганическом сцинтилляторе 1. Исключение комптоновского распределения из аппаратурного спектра детектора достигается исключением из него импульсов, соответствующих одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтиляторах, когда органическим сцинтиллятором 2 регистрируются комптоновские электроны. Таким образом, в апппаратурном спектре остаются только фотопики полного поглощения энергии гамма-излучения.
Применение предлагаемого детектора значительно повышает оперативность и достоверность гамма-спектрометрических исследований как лабораторных, так и полевых, позволяя получить аппаратурный спектр, не искаженный комптоновским распределением от фотопиков полихроматической смеси гамма-излучения различных радионуклидов.
Детектор гамма-излучения, выполненный в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде, в неорганическом сцинтилляторе происходят световые вспышки от гамма-излучения, отличающийся тем, что в качестве иммерсионной среды используют органический сцинтиллятор, регистрирующий комптоновские электроны, а схемой отбора, представляющей собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений, осуществляют отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах.
Похожие патенты:
Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучений и применяемых для их визуализации в томографии, микротомографии, радиографии, в системах таможенного контроля, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, а так же при телемеханическом мониторинге промышленных изделий и технологий.
Изобретение относится к сцинтилляционной технике, предназначенной для регистрации -, -, - и рентгеновского излучения, и может быть использовано в радиационной технике, в дозиметрии, в ядерно-физических экспериментальных исследованиях, для контроля доз и спектрометрии -, -, - и рентгеновского излучения.
Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений, чувствительных к электронному и -излучению, предназначенных для определения энергии электронного и -излучения и применяемых в дозиметрической и таможенной практике для идентификации источников, электронного и -излучения, а также при работе с радиоизотопами в медицинской диагностике и терапии.
Изобретение относится к области детектирования и визуализации рентгеновского излучения и электронных пучков и может быть использовано в дозиметрической практике в системах радиационного мониторинга, особо в интроскопах медицинского назначения (томография, рентгенография, сцинтиграфия), а также в рентгеновских интроскопических системах неразрушающего радиационного контроля изделий автомобилестроения, кораблестроения, самолетостроения и ответственных элементов космической техники.
Изобретение относится к неорганическим сцинтилляционным материалам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе радиационных детекторов для радиоэкологического мониторинга территорий и акваторий, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за первичным ядерным топливом и за изделиями из делящихся материалов.
Изобретение относится к области создания датчиков ионизирующих излучений в виде сцинтилляционных экранов высокого пространственного разрешения, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучения и применяемых для визуализации в томографии, микротомографии, радиографии высокого разрешения, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, в системах таможенного контроля, для телемедицинских приложений, телемеханического мониторинга промышленных технологий и в системах предпроцессорной визуализации излучений, передающих информацию специалистам через Интернет для последующей полной обработки.
Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучений и применяемых для их визуализации в томографии, микротомографии, радиографии, в системах таможенного контроля, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, а также при телемеханическом мониторинге промышленных изделий и технологий.
Обычно гамма-излучение связано с предшествующими ему
альфа- или бeта-распадами изотопов образца. Бета-, а тем более альфа-частицы
обычно поглощаются, не доходя до чувствительных области детекторов.
В детекторах энергии и интенсивности гамма-квантов
определяются не непосредственно, а с помощью вторичных заряженных частиц
(электронов и позитронов), которые возникают в результате взаимодействия
детектируемых гамма-квантов с веществом детектора.
Когда гамма-квант попадает в детектор, заряженные частицы
образуются в результате трех процессов: фотоэффекта, эффекта Комптона и
образования электрон-позитронных пар. Фотоэффект пропорционален Z 5 ,
эффект Комптона
В результате фотоэффекта
выбитый из атома электрон
приобретает энергию
E e = E γ – E b – E r ,
где E γ – энергия гамма-кванта, E b – энергия связи электрона и E r – энергия ядра отдачи, которой можно пренебречь. Фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением или эмиссией оже-электронов. Характеристическое рентгеновское излучение в свою очередь вызывает фотоэффект. Образующиеся в результате всех этих процессов электроны возникают практически одновременно, они чаще всего поглощаются в детекторе и сигналы от них суммируются. Таким образом практически вся энергия гамма-кванта передается электронам.
В функции отклика детектора фотоэффекту соответствует пик –
фотопик
.
В результате комптоновского рассеяния
электронам передается только часть энергии.
E e = E γ - E γ´ ,
где E γ и E γ´ – энергии гамма-квантов до и после рассеяния, E e – энергия фотоэлектрона, mc 2 – энергия покоя электрона, θ – угол рассеяния гамма кванта. Максимальная энергия, которая в результате комптоновского рассеяния может быть передана электрону (при θ = 180 о),
В детекторах большого объема часть рассеянных гамма-квантов может испытать еще одно или несколько неупругих взаимодействий, в результате которых вся энергия попавшего в детектор первичного гамма-кванта будет полностью поглощена. В связи с этим, фотопик обычно называют пиком полного поглощения . На рис.1 Показан экспериментальный спектр 137 Cs и его теоретическая "идеализация". Размытие пика полного поглощения и края комптоновского распределения связана с энергетическим разрешением системы.
Пик обратного рассеяния связан с комптоновским рассеянием на материалах, окружающих детектор под углом близким к 180 о, которые затем попадают в детектор и вызывают фотоэффект. Их энергия соответственно равна
На рис. 2 показана зависимости сечений фотоэффекта, эффекта Комптона и образования пар от энергии для германия и кремния.
| От соотношения этих сечений зависит форма измеряемого спектра.
Так при энергии 100 кэВ сечение фотоэффекта в Ge составляет ~55 барн/атом,
а сечение эффекта Комптона − ~18 барн/атом. Величины сечений относятся приблизительно как 3:1. На рис.3 показан спектр при энергии гамма-квантов 100 кэВ. При увеличении энергии форма спектра меняется. |
|
Так при энергии 1 МэВ отношение комптоновского сечения к сечению фотоэффекта составляет ~90. На рис. 4 показан спектр при энергии гамма-квантов 1 МэВ.
Образование пар
электрон-позитрон становится
возможным при энергии гамма квантов больших 2mc 2 = 1022 кэВ. При этом
вся энергия гамма-кванта передается электрону и позитрону. Если и электрон и
позитрон поглотятся в веществе детектора, то суммарный импульс будет
пропорционален энергии гамма-кванта и событие будет зафиксировано в пике полного
поглощения. Однако позитрон может проаннигилировать. При этом образуются два
гамма кванта, каждый с энергией 511 кэВ. Если один из этих аннигиляционных
гамма-квантов, не вступив во взаимодействие, вылетит из детектора, то суммарная
энергия поглощенная в детекторе будет
E γ
– 511 кэВ. Такие события будут
вносить вклад в так называемый пик одиночного вылета (см. рис. 5). Если из
детектора вылетят оба аннигиляционных гамма-кванта, то это событие будет
зафаксировано в пике двойного вылета (E γ
– 1022 кэВ).
Рис. 5. Спектр источника гамма-квантов с энергией E γ > 1022 кэВ |
|
Рис. 6. Схема распада 60 Co. Бета распад 60 Co в основном происходит на возбужденное состояние 4 + 60 Ni, который сопровождается каскадной эмиссией Е2 двух гамма-квантов с энергиями E γ1 = 1.17 МэВ, E γ2 = 1.33 МэВ. |
Рис. 7. Схема β + - распада 22 Na. В результате аннигиляции позитронов возникают гамма-кванты с энергией 0.511 МэВ. Бета-распад происходит в основном на возбужденное состояние 22 Ne с энергией 1.274 МэВ, которое испытывает гамма-переход на основное состояние. На спектре видны пики от этих гамма квантов и суммарный пик. |
Суммирование сигналов от нескольких генетически
связанных гамма-квантов.
Если в образце реализуется каскад гамма-переходов, они
как правило происходят практически одновременно. Существует не равная нулю
вероятность, что каскадные гамма-кванты, сопровождающие данный распад, попадут в
детектор и их энергии будут просуммированы. На рис.6 показана схема распада
60 Co. Образовавшееся в результате бета-распада возбужденное состояние
60 Ni сбрасывает свою энергию возбуждения каскадом, причем среднее время
жизни возбужденного состояния (2 +) 60 Ni (7∙10 -13
с), которое испытывает второй гамма-переход каскада, ничтожно мало по сравнению
со временем реакции спектрометра (~1 мкс). Таким образом, если оба
гамма-кванта попали в детектор и полностью в нем поглотились, спектрометр
фиксирует это так, как будто в него попал один гамма-квант с суммарной энергией
гамма-квантов каскада. Вероятность таких событий определяется эффективностью
регистрации каскадных гамма-квантов, их угловой корреляцией и геометрией
источник-детектор. Похожая ситуация возникает при регистрации гамма-квантов,
сопровождающих
β + -
распад. На рис. 7. показан
спектр гамма-квантов β + -активного
источника 22 Na, где виден пик суммирования энергии аннигиляционного
гамма-кванта и энергии гамма-перехода с возбужденного состояния на основное состояние ядра 22 Ne.
На рис. 8 показаны спектры 60 Co измеренные тремя германиевыми детекторами различного объема (с различной относительной эффективностью). Спектры были нормализованы по пикам полного поглощения. Видно, что увеличение объема детектора ведет к заметному уменьшению вклада комптоновского распределения (увеличению отношения пик/комптон (peak-to-compton ratio)). От объема детектора зависят также вклады пиков одиночного и двойного вылета. Так в спектре измеренном с детектором небольшого объема виден только пик двойного вылета (DE), пик одиночного вылета незаметен. При увеличении объема вклад пика двойного вылета уменьшается, а вклад пика одиночного вылета (SE) растет.
Детекторы для гамма- и рентгеновских спектрометров.
Среди сцинтилляционных детекторов, которые применяются в
гамма-спектрометрии, лидирующее положение занимает детекторы NaI(Tl). До
недавнего времени они считались лучшими среди всех сцинтилляционных детекторов
по
энергетическому разрешени
(~10%). Детекторы NaI(Tl) могут быть изготовлены большого объема, соответственно
соответственно большой эффективности и относительно недороги. Для спектрометрии
также используются детекторы из германата висмута (BGO) и бромида лантана (LaBr 3 (Ce)).
Детекторы BGO имеют худшее по сравнению с NaI(Tl) детекторами разрешение, но
из-за бó
льшего Z имеют лучшее
отношения пик/комптон . Детекторы нового поколения – LaBr 3 (Ce)
обладают разрешением приблизительно в два раза лучшим, чем детекторы NaI(Tl). Их
эффективность по пику полного поглощения при
одинаковых с NaI(Tl) детекторами объемах выше в ~1.3 раза. Кроме того, временные
характеристики LaBr 3 (Ce) заметно лучше, чем у NaI(Tl).
Использование Ge детекторов вместо сцинтилляторов, позволило
существенно расширить возможности гамма-спектроскопии, особенно когда была
освоена технология изготовления германиевых детекторов большого объема.
Энергетическое разрешение HPGe детекторов приблизительно в 30 раз лучше, чем
детекторов NaI(Tl). В результате многие уровни, которые не были видны были легко
идентифицированы германиевыми детекторами (см. рис. 9).
Рис.7. Блок-схемы спектрометрических детекторов
1) Сцинтилляционные. 2) Полупроводниковые.
Сцинтилляционные детекторы представляют собой кристалл-сцинтиллятор, оптически связанный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Чаще всего в качестве сцинтиллятора используется монокристалл иодида натрия, активированный таллием NaI(Tl); применяют также кристаллы CsI(Tl) и Bi 4 Ge 3 O 12 . Электроны (позитроны), появляющиеся при прохождении потока γ-квантов через кристалл, ионизируют и/или возбуждают большое число атомов. Максимальный пробег этих частиц, как правило, заведомо меньше размеров кристалла и практически вся кинетическая энергия передается сцинтиллятору. Основная часть энергии возбуждения трансформируется в тепловую, часть – высвечивается: число световых фотонов составляет в среднем 10÷100 на 1 кэВ поглощенной энергии γ-излучения. При этом доля энергии возбуждения, преобразуемой в световые импульсы, – величина постоянная для данного кристалла. Поэтому число фотонов, составляющих отдельную сцинтилляцию, пропорционально кинетической энергии заряженных частиц, т.е. доле энергии γ-кванта, переданной кристаллу. Вспышки света, попадая на фотокатод ФЭУ, вызывают эмиссию электронов, которые в электрическом поле ускоряются и попадают на первый динод. Поток электронов, проходя систему динодов, увеличивается лавинообразно примерно в 10 5 ÷10 7 раз, и электрический импульс с анода ФЭУ поступает в регистрирующую аппаратуру. Количество электронов в лавине пришедших на анод, пропорционально числу электронов, выбитых с фотокатода, что, в свою очередь, определяется интенсивностью световых вспышек. Таким образом, амплитуды сигналов (импульсов) на выходе ФЭУ пропорциональны энергии, передаваемой γ-квантами атомам сцинтиллятора в первичных процессах. Развитие электронной лавины и формирование сигнала на аноде ФЭУ занимает 10 − 9 ÷10 − 8 с. Этот период меньше времени высвечивания фотонов неорганическими кристаллами (в случае NaI(Tl) ~2·10 − 7 с), которое определяет разрешающее время сцинтилляционных детекторов.
Действие полупроводниковых детекторов основано на ионизации рабочего вещества детектора (монокристалл кремния или сверхчистого германия) заряженными частицами, появляющимися при его γ-облучении. Средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары электрон-вакансия, составляет 2,9 и 3,8 эВ для германия и кремния, соответственно. Электроны (позитроны) при торможении внутри рабочего объема детектора создают большое число свободных носителей заряда (пар электрон – вакансия), которые под действием приложенного напряжения движутся к электродам. В результате во внешней цепи детектора возникает электрический импульс, пропорциональный поглощенной энергии γ-кванта. Этот сигнал затем усиливается и регистрируется. Большая подвижность носителей заряда в Ge и Si позволяет собрать заряд за время примерно 10 − 8 −10 − 7 с, что обеспечивает высокое временное разрешение полупроводниковых детекторов. Эти детекторы (как и сцинтилляционные) позволяют регистрировать высокие скорости счета без поправки на разрешающее время.
Исходя из выше изложенного при взаимодействии γ - квантов с веществом детектора происходят следующие эффекты:
Фотоэффект: γ- квант выбивает электрон с электронной оболочки атома и передает ему всю энергию.
Комптоновское рассеивание: γ- квант выбивает электрон и передает ему часть энергии. В результате образуется электрон и вторичный γ-квант, который может вылететь из детектора.
Образование пары электрон – позитрон: образуется пара е + и е - , при этом энергия γ-кванта уменьшается на 511 х 2 = 1022 кэВ.
Таким образом при попадании γ-кванта в детектор он может:
1) Полностью поглотиться в детекторе. При этом амплитуда электрического импульса будет пропорциональна энергии γ-кванта.
2) Потерять часть энергии в детекторе (комптоновское рассеивание или образование пары) и вылететь из детектора. Амплитуда электрического импульса пропорциональна той части энергии, которую γ-квант оставил в детекторе.
Позиция пика полного поглощения энергии (ППП) пропорциональна энергии γ-квантов. Можно построить зависимость позиции от энергии. Как правило, она линейна. Число импульсов, аккумулированных в каждом канале за время измерения t, подсчитывается и в результате получается аппаратурный спектр. Он представляет собой дискретное распределение, по оси абсцисс которого отложены номера каналов (амплитуды сигналов, энергия Е γ), а по оси ординат – число накопленных в каналах импульсов (рис.8).
Рис.8. Спектры 60 Co, полученные с помощью полупроводникового (HPGe) и сцинтилляционного (NaI) детекторов
Таким образов, амплитуды сигналов, поступающих на вход АЦП, измеряются, и в каждый канал попадают соответствующие ему импульсы с амплитудой v 1 ±Δv 1 , v 2 ±Δv 2 ,...v n ±Δv n , которая зависит от поглощенной детектором энергии E 1 ±ΔЕ 1 , E 2 ±ΔЕ 2 , … E n ±ΔЕ n . В дальнейшем эта гистограмма аппроксимируется плавной кривой с использованием той или иной математической модели, например, функции Гаусса.
Для того чтобы соотнести номера каналов значениям энергии γ-квантов, проводят калибровку спектрометра по энергии. С этой целью набирают спектры нескольких стандартных источников и в каждом спектре определяют номера каналов, отвечающие центрам пиков полного поглощения. Этим каналам присваивают соответствующие табличные значения Еγ (или Е Х) и проводят линейную аппроксимацию зависимости энергии от номера канала спектрометра n:
E γ = a +b⋅n (1)
Важной характеристикой детекторов, применяемых для спектрометрии излучений, является их относительное энергетическое (амплитудное) разрешение - отношение ширины фотопика на его полувысоте (W) к энергии кванта Е γ , соответствующей этому пику. Чем меньше значение W/Е γ , тем лучше разрешены линии аппаратурного спектра (рис.9).
Рис. 9. Относительное энергетическое (амплитудное) разрешение детектора
Ширина пика W отражает флуктуацию амплитуд сигналов на выходе детектора, обусловленную, главным образом, статистическим разбросом числа носителей заряда (n e). Чем больше образуется носителей заряда, тем меньше (по закону Пуассона) относительное среднеквадратичное отклонение δ=1/(n e) ½ и лучше амплитудное разрешение Статистические колебания амплитуд выходного импульса сцинтилляционного детектора обусловлены флуктуациями весьма небольшого числа электронов, выбитых с фотокатода и приходящих на первый динод ФЭУ, а полупроводникового – большого числа пар электрон-вакансия. Например, при поглощении в кристалле NaI энергии Е γ =600 кэВ на первый динод попадает менее 200 электронов, что дает ~7% разброс в величине выходного импульса. При поглощении γ-кванта такой же энергии в кристалле германия образуется ~ 20000 носителей заряда, что в конечном счете предопределяет значительно лучшее относительное энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов (W/Е γ =0,003÷0,009 в диапазоне 1000÷100 кэВ) по сравнению со сцинтилляционными (0,06÷0,1).
Некоторые радионуклиды на один акт распада излучают несколько γ-квантов. Например, при распаде Tl-208 могут одновременно образоваться два γ-кванта с энергиями 583 и 2614 кэВ. Если они оба попадут в детектор, то будут там зафиксированы как один γ-квант с энергией 583 + 2614 = 3197кэВ. Вероятность одновременного попадания γ-квантов в детектор особенно велика, когда проба размещается внутри детектора – в "колодце". В результате этого явления на спектрограмме появится пик с энергией равной сумме энергий двух γ-квантов. Этот пик называется пиком суммирования (рис.10).
Рис.10. Пик суммирования
Основные отличия сцинтилляционного детектора от полупроводникового следующие:
Полупроводниковый детектор обладает более высоким разрешением;
Позиция ППП для полупроводникового детектора не зависит от высокого напряжения, следовательно, меньший температурный и временной дрейф позиции ППП;
Сцинтилляционный детектор, как правило, обладает большей чувствительностью;
Сцинтилляционный детектор дешевле и более прост в эксплуатации.