Описание процесса формирования гамма-спектров при регистрации линейчатого гамма-излучения ксеноновым гамма-детектором

Евразийский Национальный университет имени Л.Н. Гумилева

Физико-технический факультет

Международная кафедра ядерной физики, новых материалов и технологий

СРС

«ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА
НА ОСНОВЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ, НАПОЛНЕННОЙ СЖАТЫМ КСЕНОНОМ»

Выполнила: студентка группы ЯФ-42

Жарлгапова Аида

Проверил: Жумадилов К.Ш.

Астана, 2015

Введение

Современная гамма-спектрометрия предоставляет уникальные возможности для проведения различных исследований во многих областях знаний, в том числе при космофизических измерениях. Основная задача спектрометрических измерений заключается в определении энергии, интенсивности дискретных гамма-линий от различных гама-источников, их идентификации и локализации. Однако наличие естественного и искусственного фонов, процессы рассеяния и поглощения гамма-излучения в среде, несовершенство детектирующей аппаратуры существенно осложняют решение этой задачи. Поэтому, для надежного выявления гамма-линий от различных радионуклидов, гамма-спектрометрии необходимы приборы, обладающие следующими свойствами: хорошим энергетическим разрешением, высоким быстродействием, высокой эффективностью регистрации по пику полного поглощения, хорошими эксплуатационными параметрами (такими, как простота в эксплуатации, надежность, долговечность и др.), устойчивостью к воздействию внешних факторов, низкой стоимостью. В настоящее время используются различные типы гамма-детекторов: полупроводниковые, сцинтилляционные, пластиковые, жидкостные, газовые и т.д. Они существенно отличаются как по своим спектрометрическим свойствам, так по эксплуатационным характеристикам и по технологии и стоимости изготовления.

Среди гамма-спектрометров лидирующее положение, безусловно, занимают полупроводниковые детекторы (ППД) - их энергетическое разрешение на гамма-линии 662 кэВ (¹³⁷Сs) составляет 1.5-2 кэВ, и сцинтилляционные детекторы, благодаря своей высокой чувствительности и достаточно хорошим эксплутационным свойствам. Основными недостатками этих детекторов являются: низкое энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов (8-10% для гамма-квантов с энергией 1 МэВ) и необходимость охлаждения до температуры жидкого азота при работе с ППД, а для Ge(Li) и при хранении, а также высокая стоимость ППД больших размеров.В последнее время разработаны полупроводниковые гамма-детекторы на основе различных кристаллов (LaCl₃, CZT), которые обеспечивают достаточно хорошее энергетическое разрешение (3-4%) и работают без охлаждения при комнатных температурах. Их основным недостатком является зависимость энергетического разрешения от размеров кристалла. Приемлемые значения энергетического разрешения были получены лишь для кристаллов с объемом порядка 1см³. Это означает, что чувствительность таких детекторов ограничивается их размерами.

Поэтому актуальной является разработка новых типов детекторов гамма-излучения, обладающих хорошим энергетическим разрешением (на уровне 1-3%), по возможности простых и долговечных, имеющих высокую чувствительность, хорошие эксплуатационные свойства, низкую себестоимость и сохраняющих свои параметры в широком диапазоне изменения характеристик окружающей среды. Одним из направлений решения этой проблемы является разработка детекторов гамма-излучения на основе ионизационных камер, наполненных сжатыми благородными газами.

Основу гамма-спектрометра, изучаемого в данной работе, составляет цилиндрическая ионизационная камера с экранирующей сеткой. Камера работает в импульсном режиме, что обеспечивает возможность регистрировать отдельную частицу и определять ее энергию. В качестве рабочего вещества ионизационной камеры используется сжатый ксенон (Хе) высокой чистоты, имеющий атомный вес 131 и заряд 54. С помощью ксеноновых гамма-детекторов можно получить предельное энергетическое разрешение, связанное со статистикой ионообразования и процессами, происходящими на треках вторичных электронов и определяемое по формуле:

(1)

где F = 0.13 - фактор Фано, W = 21.9 эВ - средняя энергия образования пар, Еγ - энергия гамма-квантов. Величина предельного энергетического разрешения составляет примерно 0.4 % для гамма-квантов с Еγ = 1 МэВ [1, 2] и зависит только от состава и плотности газовой смеси. По этой причине детекторы на основе сжатого ксенона можно рассматривать после полупроводниковых гамма-детекторов, как наиболее информативные для гамма-спектрометрических измерений. Однако кроме данного фактора в величину полного энергетического разрешения ксеноновых гамма-детекторов входят такие факторы, как неэффективность экранирования сетки и влияние шумов электроники. Тем не менее гамма-спектрометры на основе ионизационных камер, наполненных сжатым ксеноном имеют энергетическое разрешение, которое в 5-6 раз превосходит энергетическое разрешение сцинтиллятора и работает без охлаждения. Ксеноновый гамма-спектрометр регистрирует гамма-кванты в диапазоне энергий 0.1÷5 МэВ и устойчив к термо- и вибровоздействиям. Главным преимуществом ксеноновых детекторов является то, что его высокое энергетическое разрешение практически не зависит от температуры и размеров самого детектора. Это позволяет создать высокочувствительную аппаратуру на основе ксеноновых детекторов.

Основу гамма-спектрометра на сжатом ксеноне составляет цилиндрическая ионизационная камера с экранирующей сеткой, работающая в импульсном режиме. В цилиндрической камере напряженность электрического поля зависит от расстояния до центра камеры и описывается следующим выражением:

Описание процесса формирования гамма-спектров при регистрации линейчатого гамма-излучения ксеноновым гамма-детектором.

(2)

где U_k - напряжение приложенное к камере, r - расстояние от оси камеры, на котором определяется напряженность электрического поля, r_k - радиус внешнего электрода камеры (катода), r_a - радиус внутреннего электрода камеры (анода).

Тогда напряжение на собирающем электроде (аноде) цилиндрической ионизационной камеры с электронным собиранием без сетки для RC >> r_k/w определяется по формуле [1]:

(3)

где w(t) = dr/dt скорость дрейфа электронов, е - заряд электрона, n - число пар ионов, созданных гамма-квантом в рабочем объеме камеры, С - эквивалентная емкость камеры.

При этом максимальное напряжение на выходе камеры равно:

(4)

где r₀ - место образования заряда от центра камеры.

Из выражения (4) видно, что на выходе импульсной цилиндрической камеры без сетки максимальное значение амплитуды импульса, обусловленное движением электронов, зависит от места ионизации и от ориентации пути гамма-кванта в камере (так называемый индукционный эффект). Этот эффект приводит к ухудшению энергетического разрешения детектора, поскольку гамма-кванты с одинаковой энергией могут создать импульсы с различными амплитудами. От индукционного эффекта можно избавиться, если отделить рабочую область камеры, где происходит образование ионов и электронов, от области, где движение электронов индуцирует ток на собирающем электроде. Объем камеры разделяется третьим электродом - экранирующей сеткой. Расположение сетки и схема включения такой камеры показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схема импульсной цилиндрической ионизационной камеры с экранирующей сеткой:r_k - радиус катода, r_a - радиус анода, r_c - радиус экранирующей сетки, x - шаг сетки,d - диаметр проволок сетки, r₀ - место образования заряда Q, U_k - напряжение на катоде,U_c - напряжение на сетке.

Образованные в рабочем объеме катод-сетка электроны дрейфуют в направлении собирающего электрода. Но пока дрейф происходит в области катод-сетка, возникает лишь сеточный ток, поскольку анод экранирован сеткой. Движение электронов в объеме сетка-анод индуцирует ток на аноде. Таким образом, независимо от места ионизации в рабочем объеме катод-сетка все электроны индуцируют ток на собирающем электроде только в течение времени движения по объему сетка-анод. Очевидно, что собранный заряд в данном случае пропорционален числу пар ионов, созданных ионизирующей частицей, а значение напряжения на выходе камеры, для постоянной скорости дрейфа электронов w, что справедливо в случае больших полей [1], существующих в области сетка-анод, равно:

(5)

Экранирующая сетка в ионизационной камере должна отвечать двум основным противоречащим друг другу требованиям. Сетка должна быть достаточно прозрачной, чтобы электроны не оседали на ней, но с другой стороны, достаточно плотной, чтобы обеспечить надежное экранирование собирающего электрода. Оседание электронов на сетке уменьшается, если увеличивать электрическое поле между сеткой и анодом. Но поле и в области катод-сетка должно быть достаточно большим, чтобы препятствовать рекомбинации и образованию электроотрицательных ионов.

Энергетическое разрешение гамма-детектора определяется как ширина на полувысоте пика (δ) распределения импульсов, возникающих на выходе детектора при регистрации моноэнергетических частиц (рис. 2).

Рис. 2. Распределение импульсов на выходе ионизационной камеры при регистрации моноэнергичных гамма-квантов.

Основной вклад в полное энергетическое разрешение d цилиндрической ионизационной камеры с экранирующей сеткой вносят следующие факторы:

(6)

где d_f – разрешение, обусловленное статистикой образования электрон-ионных пар,d_e - относительное уширение линии, обусловленное шумами электроники, d_s – разрешение, обусловленное неэффективностью экранирования сеткой собирающего электрода, d_p – разрешение, обусловленное прилипанием электронов, d_d – разрешение, обусловленное другими факторами.

Разрешение, обусловленное статистикой образования электрон-ионных пар для сжатого ксенона оценивается по формуле (1) и для энергии гамма-квантов E_γ = 1 МэВ составляет d_f = 0.4%.

Шумы собственно зарядочувствительного усилителя при нулевой входной емкости составляют около 4 - 5 кэВ, что близко к статистическим флуктуациям в образовании электрон-ионных пар. При больших емкостях лучшая конструкция усилителя позволяет достичь шумов 8.5 кэВ при входной емкости 50 пФ, что соответствует d_e = 0.9% приE_γ = 1 МэВ [1].

Разрешение, обусловленное неэффективностью экранирования сеткой собирающего электрода можно оценить по следующей формуле, учитывая, что неэффективностью экранирования клетчатой сетки будет примерно в два раза меньше, чем обычной сетки, сделанной из параллельных проволок [1].

(7)

где

d - диаметр проволок сетки, x - шаг сетки.

При достаточно полагать . Обычно неэффективность экранировки сетки составляет около 2 %.

Как отмечалось выше, на энергетическое разрешение детектора оказывают влияние чистота ксенона и время собирания электронов в рабочем объеме детектора. Так при плотности ксенона 0.4 г/см³ напряженности поля Е ³ 2 кВ/см и концентрации водорода 0.3 % скорость дрейфа электронов составляет порядка w = 3.6×10⁵ см/с. Тогда в ксеноне с чистотой соответствующей времени жизни электронов t = 1 мс на длине дрейфового промежутка L = 3.5 см теряется за счет прилипания d_p = 1-e^-t/t = 1-e^-L/t×w = 0.96%, а приt = 2 мс 0.48% электронов, что говорит о необходимости добиваться чистоты ксенона в детекторе лучшей, чем 1 мс.

Член d_d в формуле (6) учитывает влияние на энергетическое разрешение таких факторов как вылет фотоэлектронов из рабочего объема детектора, рассеяние гамма-квантов в стенках камеры, рекомбинация и других. Вклад d_d в энергетическое разрешение составляет не более 1%.

Таким образом, полное энергетическое разрешение спектрометра составляет порядка 2.6% при энергиях 1 МэВ, основной вклад в которое вносит неэффективность экранирования сетки d_s = 2.2%.

На рис. 3-6 приведены спектры, полученные при регистрации гамма-квантов ксеноновым гамма-спектрометром.

Рис. 3. Экспериментальный спектр ¹³⁷Cs.

Рис. 4. Экспериментальный спектр ²²Na

Спектры, представленные на рис. 3-4, хорошо иллюстрируют тот факт, что при регистрации гамма-излучения спектр, получаемый на выходе детектора, сильно отличается от исходной гамма-линии. Таким образом, получая в результате регистрации гамма-квантов размытый спектр, не всегда возможно визуально определить все пики (энергии регистрируемых квантов). Некоторые пики могут быть просто не видны из-за малого количества гамма-квантов с такой энергией, вследствие чего не исключена «потеря» пиков и неправильная идентификация радиоактивного вещества. Рассмотрим процесс формирования гамма-спектров при регистрации линейчатого гамма-излучения.

Процесс регистрации гамма-спектра детектором можно описать с помощью уравнения Фредгольма первого рода:

, (8)

где K(x,y) – ядро интегрального уравнения – совокупность приборных функций детектора (отклик детектора на поток моноэнергетического гамма-излучения), Z(y) – распределение падающего излучения по энергии, f(x) – спектр, получаемый при регистрации. Так как ксеноновый гамма-детектор регистрирует гамма-кванты в широком диапазоне энергий, отклик прибора на поток гамма-излучения состоит из большого числа функций и образует матрицу. Матрицу приборных функций можно представить в графическом виде, как это показано на рис. 7.

Рис. 7. Схематическое представление отклика ксенонового гамма-детектора на набор моноэнергетических источников гамма-излучения.

По осям x и y отложена энергия падающего на детектор гамма-излучения, по оси z – число гамма-квантов в секунду. Каждый спектр, изображенный на рисунке, представляет собой результат регистрации гамма-излучения определенной энергии. Как видно из рисунка, спектр, полученный на выходе с детектора, отличается от спектра падающего излучения, который представляет собой набор моноэнергетических гамма-линий. В зарегистрированном спектре появляются компоненты, которые являются результатом взаимодействия гамма-излучения с рабочим веществом детектора. Таким образом, в результирующем спектре мы видим компоненты, связанные с фотоэффектом, эффектом Комптона, экспоненту, описывающую фон, пик характеристического излучения, а также пик обратного вылета, образующийся в результате рассеивания гамма-квантов на большие углы на материалах конструктивных элементов детектора и защиты. На рис. 7 помимо спектров для конкретной энергии, указан суммарный спектр (от гамма-квантов разных энергий). Масштаб по оси N для суммарного спектра уменьшен для удобства изображения. Эффективность регистрации КГД зависит от энергии гамма-квантов, т.е., чем выше энергия, тем ниже эффективность регистрации, что наглядно изображено на рис. 5.