Spektroskopia gamma - Gamma spectroscopy

Spektroskopia promieniowania gamma jest badanie ilościowe widma energetycznego w źródła promieniowania gamma , takich jak w przemyśle jądrowym, geochemicznego badania i astrofizyki.

Większość źródeł promieniotwórczych wytwarza promienie gamma, które mają różną energię i natężenie. Gdy te emisje są wykrywane i analizowane za pomocą systemu spektroskopii, można wytworzyć widmo energii promieniowania gamma.

Szczegółowa analiza tego widma jest zwykle używana do określenia tożsamości i ilości emiterów gamma obecnych w źródle gamma i jest ważnym narzędziem w teście radiometrycznym. Widmo gamma jest charakterystyczne dla nuklidów emitujących promieniowanie gamma zawartych w źródle, podobnie jak w spektrometrze optycznym, widmo optyczne jest charakterystyczne dla materiału zawartego w próbce.

Charakterystyka promieni gamma

Widmo promieniowania gamma naturalnego uranu , pokazujące kilkanaście dyskretnych linii nałożonych na gładkie kontinuum, pozwala zidentyfikować nuklidy ²²⁶
Ra
, ²¹⁴
Pb
, i ²¹⁴
Bi
łańcucha rozpadu uranu .

Promienie gamma są formą promieniowania elektromagnetycznego o najwyższej energii , fizycznie taką samą jak wszystkie inne formy (np. promienie rentgenowskie, światło widzialne, podczerwień, radio), ale posiadająca (ogólnie) wyższą energię fotonów ze względu na krótszą długość fali. Z tego powodu energia fotonów promieniowania gamma może być rozdzielona indywidualnie, a spektrometr promieniowania gamma może mierzyć i wyświetlać energie wykrytych fotonów promieniowania gamma.

Jądra radioaktywne ( radionuklidy ) zwykle emitują promieniowanie gamma w zakresie energii od kilku keV do ~10 MeV , co odpowiada typowym poziomom energii w jądrach o dość długim czasie życia. Takie źródła zazwyczaj wytwarzają „widma liniowe” promieniowania gamma (tj. wiele fotonów emitowanych przy dyskretnych energiach ), podczas gdy w widmach kontinuum obserwowanych w astrofizyce i fizyce cząstek elementarnych mogą występować znacznie wyższe energie (w górę o 1 TeV ). Granica między promieniami gamma i promieniami X jest nieco zamazana, ponieważ promienie X zazwyczaj odnoszą się do wysokoenergetycznej emisji elektronowej atomów, która może sięgać ponad 100 keV, podczas gdy emisje o najniższej energii jąder są zwykle określane jako promienie gamma, mimo że ich energie mogą być poniżej 20 keV.

Elementy spektrometru gamma

Sprzęt laboratoryjny do wyznaczania widma promieniowania γ za pomocą licznika scyntylacyjnego. Dane wyjściowe z licznika scyntylacyjnego trafiają do analizatora wielokanałowego, który przetwarza i formatuje dane.

Głównymi elementami spektrometru gamma są energoczuły detektor promieniowania oraz urządzenia elektroniczne, które analizują sygnały wyjściowe detektora, takie jak sorter impulsów (tj. analizator wielokanałowy ). Dodatkowe komponenty mogą obejmować wzmacniacze sygnału, mierniki prędkości, stabilizatory pozycji szczytowej i urządzenia do obsługi danych.

Detektor

Detektory spektroskopii gamma to materiały pasywne, które mogą oddziaływać z nadchodzącymi promieniami gamma. Najważniejszych mechanizmów interakcji to efekt fotoelektryczny The efekt Compton , a wytwarzanie pary . W wyniku tych procesów energia promieniowania gamma jest absorbowana i przekształcana w sygnał napięciowy poprzez wykrywanie różnicy energii przed i po interakcji (lub, w liczniku scyntylacyjnym , emitowane fotony za pomocą fotopowielacza ). Napięcie wytwarzanego sygnału jest proporcjonalne do energii wykrytego promieniowania gamma. Typowe materiały detektorów obejmują liczniki scyntylacyjne z jodku sodu (NaI) i detektory germanowe o wysokiej czystości .

Aby dokładnie określić energię promieniowania gamma, korzystne jest wystąpienie efektu fotoelektrycznego, ponieważ pochłania on całą energię promieniowania padającego. Pochłonięcie całej energii jest również możliwe, gdy szereg tych mechanizmów interakcji zachodzi w obrębie objętości detektora. W przypadku interakcji Comptona lub wytwarzania pary, część energii może uciec z objętości detektora bez pochłaniania. Pochłonięta energia daje więc sygnał, który zachowuje się jak sygnał z promienia o niższej energii. Prowadzi to do spektralnej cechy nakładającej się na obszary o niższej energii. Użycie większej objętości detektora zmniejsza ten efekt.

Pozyskiwanie danych

Impulsy napięcia wytwarzane dla każdego promienia gamma, który oddziałuje w obrębie objętości detektora, są następnie analizowane przez analizator wielokanałowy (MCA). Pobiera przejściowy sygnał napięciowy i przekształca go w kształt Gaussa lub trapezoidalny . Z tego kształtu sygnał jest następnie przetwarzany na postać cyfrową. W niektórych systemach konwersja analogowo-cyfrowa jest wykonywana przed przekształceniem piku. Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) również sortuje impulsy według ich wysokości do określonych pojemników lub kanałów . Każdy kanał reprezentuje określony zakres energii w widmie, liczba wykrytych sygnałów dla każdego kanału reprezentuje widmowe natężenie promieniowania w tym zakresie energii. Zmieniając liczbę kanałów, można precyzyjnie dostroić rozdzielczość widmową i czułość .

Zasada analizatora wysokości impulsu: Trzy impulsy, 1 , 2 i 3 są wykrywane w różnym czasie t . Dwa dyskryminatory emitują sygnał zliczający, jeśli ich ustawiony poziom napięcia zostanie osiągnięty przez impuls. Pulse 2 powoduje niższy poziom E _L ale nie Upper Level E _U . Impuls 2 jest zatem liczony w obszarze widmowym oznaczonym jako P . Licznik antykoincydencji zapobiega sortowaniu impulsu na więcej niż jeden region

Analizator wielokanałowy wykorzystuje szybki ADC do rejestrowania przychodzących impulsów i przechowuje informacje o impulsach na jeden z dwóch sposobów:

Dane wyjściowe analizatora wielokanałowego są przesyłane do komputera, który przechowuje, wyświetla i analizuje dane. Różnorodne pakiety oprogramowania są dostępne od kilku producentów i zazwyczaj zawierają narzędzia do analizy widma, takie jak kalibracja energii, obliczanie powierzchni pików i powierzchni netto oraz obliczanie rozdzielczości.

Wydajność detektora

Systemy spektroskopii gamma są wybierane tak, aby wykorzystać kilka cech wydajności. Dwa z najważniejszych to rozdzielczość detektora i wydajność detektora.

Rozdzielczość detektora

Promienie gamma wykryte w systemie spektroskopowym wytwarzają piki w widmie. Piki te można również nazwać liniami przez analogię do spektroskopii optycznej. Szerokość pików jest określona przez rozdzielczość detektora, bardzo ważną cechę detektorów spektroskopii gamma, a wysoka rozdzielczość umożliwia spektroskopowi oddzielenie dwóch linii gamma, które są blisko siebie. Systemy spektroskopii gamma są zaprojektowane i dostosowane do wytwarzania symetrycznych pików o najlepszej możliwej rozdzielczości. Kształt piku jest zwykle rozkładem Gaussa . W większości widm pozioma pozycja piku jest określona przez energię promieniowania gamma, a obszar piku jest określony przez intensywność promieniowania gamma i wydajność detektora.

Najpopularniejszą wartością używaną do wyrażenia rozdzielczości detektora jest pełna szerokość przy połowie maksimum (FWHM). Jest to szerokość piku promieniowania gamma w połowie najwyższego punktu rozkładu pików. Wartości rozdzielczości podano w odniesieniu do określonych energii promieniowania gamma. Rozdzielczość można wyrazić w wartościach bezwzględnych (tj. eV lub MeV) lub względnych. Na przykład detektor jodku sodu (NaI) może mieć FWHM 9,15 keV przy 122 keV i 82,75 keV przy 662 keV. Te wartości rozdzielczości są wyrażone w wartościach bezwzględnych. Aby wyrazić rozdzielczość w kategoriach względnych, FWHM w eV lub MeV jest dzielone przez energię promieniowania gamma i zwykle przedstawiane w procentach. Korzystając z poprzedniego przykładu, rozdzielczość detektora wynosi 7,5% przy 122 keV i 12,5% przy 662 keV. Detektor germanowy może dawać rozdzielczość 560 eV przy 122 keV, co daje rozdzielczość względną 0,46%.

Sprawność detektora

Nie wszystkie promienie gamma emitowane przez źródło, które przechodzą przez detektor, zliczą się w systemie. Prawdopodobieństwo, że wyemitowany promień gamma wejdzie w interakcję z detektorem i zliczy się, jest wydajnością detektora. Detektory o wysokiej wydajności wytwarzają widma w krótszym czasie niż detektory o niskiej wydajności. Ogólnie większe detektory mają wyższą wydajność niż mniejsze detektory, chociaż właściwości ekranujące materiału detektora są również ważnymi czynnikami. Wydajność detektora mierzy się przez porównanie widma ze źródła o znanej aktywności do szybkości zliczania w każdym piku do szybkości zliczania oczekiwanych ze znanych natężeń każdego promieniowania gamma.

Wydajność, podobnie jak rozdzielczość, można wyrazić w wartościach bezwzględnych lub względnych. Stosowane są te same jednostki (tj. procenty); dlatego spektroskop musi zadbać o to, aby określić, jaki rodzaj wydajności jest podany dla detektora. Bezwzględne wartości wydajności reprezentują prawdopodobieństwo, że promieniowanie gamma o określonej energii przechodzące przez detektor będzie oddziaływać i zostać wykryte. Względne wartości wydajności są często używane dla detektorów germanowych i porównują wydajność detektora przy 1332 keV z wydajnością 3 cale × 3 w detektorze NaI (tj. 1,2 × 10 ^-3 cp s / Bq przy 25 cm). Dlatego podczas pracy z bardzo dużymi detektorami germanowymi można napotkać względne wartości sprawności większe niż sto procent.

Energia wykrywanych promieni gamma jest ważnym czynnikiem skuteczności detektora. Krzywą wydajności można uzyskać, wykreślając wydajność przy różnych energiach. Krzywa ta może być następnie wykorzystana do określenia wydajności detektora przy energiach innych niż te, które zastosowano do uzyskania krzywej. Detektory germanowe o wysokiej czystości (HPGe) mają zazwyczaj wyższą czułość.

Detektory scyntylacyjne

Detektory scyntylacyjne wykorzystują kryształy, które emitują światło, gdy promienie gamma wchodzą w interakcję z atomami w kryształach. Intensywność wytwarzanego światła jest zwykle proporcjonalna do energii zdeponowanej w krysztale przez promieniowanie gamma; dobrze znaną sytuacją, w której zależność ta zawodzi, jest absorpcja promieniowania <200 keV przez samoistne i domieszkowane detektory jodku sodu. Mechanizm jest podobny do dozymetru termoluminescencyjnego . Detektory są połączone z fotopowielaczami ; fotokatoda zamienia światło na elektrony; a następnie za pomocą dynodów do generowania kaskad elektronowych poprzez produkcję promieni delta, sygnał jest wzmacniany. Typowe scyntylatory obejmują tal - domieszkowane jodek sodu (Nal (Tl)) - często uproszczone jodek sodu (Nal) detektory, i bizmut germanate (BGO). Ponieważ fotopowielacze są również wrażliwe na światło otoczenia, scyntylatory są zamknięte w osłonach światłoszczelnych.

Detektory scyntylacyjne mogą być również używane do wykrywania promieniowania alfa i beta .

Detektory na bazie jodku sodu

Rysunek 1: Widmo gamma jodku sodu cezu-137 (¹³⁷
Cs
)

Rysunek 2: Widmo gamma jodku sodu kobaltu-60 (⁶⁰
Współ
)

Jodek sodu domieszkowany talem (NaI(Tl)) ma dwie główne zalety:

Może być wytwarzany w dużych kryształach, dając dobrą wydajność i
wytwarza intensywne rozbłyski światła w porównaniu do innych scyntylatorów spektroskopowych.

NaI(Tl) jest również wygodny w użyciu, dzięki czemu jest popularny w zastosowaniach terenowych, takich jak identyfikacja nieznanych materiałów do celów organów ścigania.

Rekombinacja dziur elektronowych wyemituje światło, które może ponownie wzbudzić czyste kryształy scyntylacyjne; jednak domieszka talu w NaI(Tl) zapewnia stany energetyczne w paśmie wzbronionym między pasmami przewodnictwa i walencyjnym. Po wzbudzeniu w domieszkowanych kryształach scyntylacyjnych niektóre elektrony w paśmie przewodnictwa migrują do stanów aktywatora; przejścia w dół ze stanów aktywatora nie będą ponownie wzbudzać domieszkowanego kryształu, więc kryształ jest przezroczysty dla tego promieniowania.

Przykładem widma NaI jest widmo gamma izotopu cezu¹³⁷
Cs
— zob. rys . 1 .¹³⁷
Cs
emituje pojedynczą linię gamma o mocy 662 keV. Pokazana linia 662 keV jest faktycznie wytwarzana przez^137m
Ba
The produktem rozpadu od¹³⁷
Cs
, który jest w świeckiej równowadze z¹³⁷
Cs
.

Widmo na rysunku 1 zostało zmierzone przy użyciu kryształu NaI na fotopowielaczu, wzmacniaczu i analizatorze wielokanałowym. Rysunek przedstawia liczbę zliczeń w okresie pomiarowym w funkcji numeru kanału. Widmo wskazuje następujące piki (od lewej do prawej):

promieniowanie x o niskiej energii (ze względu na wewnętrzną konwersję promieniowania gamma),
rozproszenie wsteczne na końcu rozkładu Comptona o niskiej energii , oraz
fotopik (pełny szczyt energii) przy energii 662 keV

Rozkład Comptona jest rozkładem ciągłym, który występuje aż do kanału 150 na rysunku 1. Rozkład powstaje, ponieważ pierwotne promienie gamma podlegają rozpraszaniu Comptona w krysztale: W zależności od kąta rozpraszania elektrony Comptona mają różne energie, a zatem wytwarzają impulsy w krysztale. różne kanały energetyczne.

Jeśli w widmie występuje wiele promieni gamma, rozkłady Comptona mogą stanowić wyzwanie dla analizy. Aby zredukować promieniowanie gamma, można użyć osłony przeciwzbiegowej — patrz Tłumienie Comptona . Techniki redukcji promieniowania gamma są szczególnie przydatne w przypadku małych detektorów germanu z domieszką litu (Ge(Li)).

Widmo gamma pokazane na rysunku 2 jest izotopem kobaltu⁶⁰
Współ
, z dwoma promieniami gamma z odpowiednio 1,17 MeV i 1,33 MeV. ( Patrz schemat rozpadu artykuł do systemu rozkładu kobaltu-60. ) Dwie linie gamma widać dobrze oddzielone od siebie; szczyt po lewej stronie kanału 200 najprawdopodobniej wskazuje na silne źródło promieniowania tła, które nie zostało odjęte. Pik rozproszenia wstecznego można zobaczyć w kanale 150, podobny do drugiego piku na rysunku 1.

Systemy jodku sodu, podobnie jak wszystkie systemy scyntylacyjne, są wrażliwe na zmiany temperatury. Zmiany temperatury pracy spowodowane zmianami temperatury otoczenia przesuną widmo na osi poziomej. Powszechnie obserwuje się przesunięcia szczytowe o dziesiątki lub więcej kanałów. Takim przesunięciom można zapobiec stosując stabilizatory widma .

Ze względu na słabą rozdzielczość detektorów opartych na NaI nie nadają się one do identyfikacji skomplikowanych mieszanin materiałów wytwarzających promieniowanie gamma. Scenariusze wymagające takich analiz wymagają detektorów o wyższej rozdzielczości.

Detektory półprzewodnikowe

Widmo gamma germanu radioaktywnego źródła Am-Be.

Detektory półprzewodnikowe , zwane również detektorami półprzewodnikowymi , zasadniczo różnią się od detektorów scyntylacyjnych: opierają się na wykrywaniu nośników ładunku (elektronów i dziur) generowanych w półprzewodnikach przez energię zdeponowaną przez fotony promieniowania gamma.

W detektorach półprzewodnikowych na objętość detektora przykładane jest pole elektryczne. Elektron w półprzewodniku jest utrwalany w swoim paśmie walencyjnym w krysztale, dopóki oddziaływanie promieniowania gamma nie dostarczy elektronowi wystarczającej energii do przejścia do pasma przewodnictwa . Elektrony w paśmie przewodnictwa mogą reagować na pole elektryczne w detektorze, a tym samym przejść do dodatniego styku, który wytwarza pole elektryczne. Szczelina tworzona przez poruszający się elektron nazywana jest „dziurą” i jest wypełniana przez sąsiedni elektron. To tasowanie otworów skutecznie przenosi ładunek dodatni na styk ujemny. Przybycie elektronu do styku dodatniego i dziury w styku ujemnym wytwarza sygnał elektryczny, który jest przesyłany do przedwzmacniacza, MCA, i dalej przez system w celu analizy. Ruch elektronów i dziur w detektorze półprzewodnikowym jest bardzo podobny do ruchu jonów w czułej objętości detektorów wypełnionych gazem, takich jak komory jonizacyjne .

Popularne detektory oparte na półprzewodnikach obejmują tellurek germanu , tellurku kadmu i tellurku kadmu i cynku .

Detektory germanowe zapewniają znacznie lepszą rozdzielczość energii w porównaniu z detektorami jodku sodu, jak wyjaśniono w poprzednim omówieniu rozdzielczości. Detektory germanowe zapewniają najwyższą, powszechnie dostępną obecnie rozdzielczość. Wadą jest jednak wymóg temperatur kriogenicznych do pracy detektorów germanowych, zwykle przez chłodzenie ciekłym azotem .

Interpretacja pomiarów

Szczyt rozproszenia wstecznego

W rzeczywistym układzie detektora niektóre fotony mogą i będą podlegać jednemu lub potencjalnie większej liczbie procesów rozpraszania Comptona (np. w materiale obudowy źródła promieniotwórczego, w materiale ekranującym lub materiale otaczającym eksperyment w inny sposób) przed wejściem do materiału detektora. Prowadzi to do struktury piku, którą można zobaczyć w przedstawionym powyżej widmie energii¹³⁷
Cs
(Rysunek 1, pierwszy pik na lewo od krawędzi Comptona), tak zwany pik rozproszenia wstecznego. Na szczegółowy kształt struktury pików rozproszenia wstecznego ma wpływ wiele czynników, takich jak geometria eksperymentu (geometria źródła, względne położenie źródła, ekranowanie i detektor) czy rodzaj otaczającego materiału (co powoduje różne stosunki przekrojów efektu foto i Comptona).

Podstawowa zasada jest jednak następująca:

Źródła promieniowania gamma emitują fotony izotropowo
Niektóre fotony ulegną procesowi rozpraszania Comptona np. w materiale ekranującym lub obudowie źródła przy kącie rozpraszania bliskim 180°, a niektóre z tych fotonów zostaną następnie wykryte przez detektor.
Rezultatem jest struktura piku z w przybliżeniu energią padającego fotonu minus energia krawędzi Comptona.

Pojedyncze i podwójne szczyty ucieczki

Dla energii padających fotonów E większych niż dwukrotność masy spoczynkowej elektronu (1,022 MeV), może wystąpić produkcja par . Powstały pozyton anihiluje z jednym z otaczających elektronów, zwykle wytwarzając dwa fotony o energii 511 keV. W rzeczywistym detektorze (tj. detektorze o skończonych rozmiarach) możliwe jest, że po anihilacji:

Oba fotony oddają swoją energię w detektorze.
Jeden z dwóch fotonów ucieka z detektora i tylko jeden z nich deponuje swoją energię w detektorze, w wyniku czego powstaje pik o E − 511 keV, pojedynczy pik ucieczki.
Oba fotony uciekają z detektora, w wyniku czego powstaje pik o E − 2 × 511 keV, czyli podwójny pik ucieczki.

Powyższe widmo Am-Be-source pokazuje przykład pojedynczego i podwójnego piku ucieczki w rzeczywistym pomiarze.

Kalibracja i promieniowanie tła

Jeśli do identyfikacji próbek o nieznanym składzie używany jest spektrometr gamma, należy najpierw skalibrować jego skalę energetyczną. Kalibrację przeprowadza się przy użyciu pików znanego źródła, takiego jak cez-137 lub kobalt-60. Ponieważ numer kanału jest proporcjonalny do energii, skala kanału może być następnie przekonwertowana na skalę energii. Znając wielkość kryształu detektora, można również przeprowadzić kalibrację intensywności, aby określić nie tylko energie, ale także intensywności nieznanego źródła – lub ilość określonego izotopu w źródle.

Ponieważ pewna radioaktywność jest obecna wszędzie (tj. promieniowanie tła ), widmo powinno być analizowane przy braku źródła. Promieniowanie tła należy następnie odjąć od rzeczywistego pomiaru. Wokół aparatu pomiarowego można umieścić absorbery ołowiowe w celu zmniejszenia promieniowania tła.

Zobacz też

Prace cytowane

Gilmore G, Hemingway J. Praktyczna spektrometria promieniowania gamma. John Wiley & Sons, Chichester: 1995, ISBN 0-471-95150-1 .
Knoll G, wykrywanie i pomiar promieniowania. John Wiley & Sons, Inc. NY: 2000, ISBN 0-471-07338-5 .
Nukleonika Wiki. Generator widma gamma . Dostęp 8 października 2008.

Languages

In other projects