Лабораторная работа 7 СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР С ОРГАНИЧЕСКИМ СЦИНТИЛЛЯТОРОМ

Цель работы: Ознакомиться с типичными аппаратурными спектрами при регистрации бета и гамма излучения и с методами анализа таких спектров.

При выполнении этой работы необходимо предварительно ознакомиться с содержанием главы «Спектры и спектрометры» в лабораторной работе 6.

Спектрометры с органическими сцинтилляторами

Органические сцинтилляторы являются ароматическими органическими веществами, состоящими из нескольких бензольных колец. Применяют органические сцинтилляторы как в виде монокристаллов (антрацен, стильбен и др.), так и в виде твердых или жидких растворов. Органические сцинтилляторы в виде твердых растворов характеризуются очень хорошими механическими свойствами в отличие от монокристаллов, которые весьма непрочны.

Состав вещества органических сцинтилляторов представлен только легкими элементами (водород, углерод), т. е. элементами с небольшим порядковым номером, что определяет взаимодействие частиц с этими веществами. Как известно, в таких веществах γ-кванты взаимодействуют в основном только посредством комптоновского рассеяния, так как сечения фотоэффекта и образования электрон-позитронных пар весьма малы. Обратное рассеяние β-частиц, которое усложняет процесс их регистрации, в легких веществах значительно меньше.

Плотность вещества органических сцинтилляторов невелика и лишь немного превосходит плотность воды.

Следует отметить высокое быстродействие органических сцинтилляторов поскольку постоянная времени высвечивания для них порядка 10–8 с.

Основным недостатком органических сцинтилляторов, как, впрочем, и неорганических, является невысокое энергетическое разрешение спектрометров, созданных на их основе.

Измерение спектров β-излучения

Рассмотрим аппаратурную форму линии для спектрометров с неорганическими сцинтилляторами при регистрации бета частиц, т. е. электронов.

Как известно, электроны отдают свою энергию веществу в основном посредством ионизационных потерь, которые происходят по всей длине трека частицы. При энергиях ~ 1 МэВ электроны имеют длину трека порядка нескольких миллиметров. Если такой трек полностью укладывается внутри рабочего вещества детектора (сцинтиллятора), то электрон передает веществу всю свою энергию и величина энерговыделения e совпадает с энергией электрона Е. Если же трек полностью «не помещается» в рабочем веществе (например, из-за малых размеров сцинтиллятора), то электрон успеет отдать веществу лишь только часть своей энергии и покинет рабочий объем детектора. При этом очевидно, что энерговыделение будет меньше, чем энергия электрона.

Пусть на сцинтилляционный детектор спектрометра с достаточно большой толщиной сцинтиллятора падает пучок моноэнергетических электронов с энергией . Спектр энерговыделений e в рабочем веществе детектора от таких частиц схематично показан на рис. 1, А. В целом он совпадает с энергетическим спектром регистрируемых частиц, несколько отличаясь лишь участком с e < . В этой области формируется непрерывный спектр неполных энерговыделений электронов в основном за счет процесса обратного рассеяния, при котором электроны изменяют направление своего движения и могут покинуть сцинтиллятор, унося с собой некоторую часть первоначальной энергии .

На рис. 1, B показана соответствующая АФЛ, т. е. распределение выходных импульсов детектора по амплитуде. Этот спектр в большей степени отличается от исходного распределения электронов по энергии, поскольку он как бы «размазан» за счет флуктуаций в процессе преобразования энергии e в амплитуду сигнала V.

Степень размытия аппаратурного спектра характеризуется величиной энергетического разрешения R, которое определяется отношением ширины пика DЕ, взятой на уровне половины его максимальной высоты, к энергии частиц :

R = .

Рис. 1. Спектр энерговыделений в рабочем веществе детектора при регистрации заряженных частиц (А) и аппаратурная форма линии для заряженных частиц (B)

При этом ширину пика, выраженную в каналах DV, находят из аппаратурного спектра U(V) и переводят в энергетические единицы DЕ.

Для перевода используют зависимость средней величины амплитуды сигнала V от энерговыделения e, которое можно считать равным энергии частиц . Например, в случае линейной зависимости V = A+ B, где A и B – Некоторые постоянные, разрешение можно найти по формуле

R = . (1)

Чем меньше величина R, тем лучше энергетическое разрешение спектрометра и тем лучше полученный аппаратурный спектр U(V) соответствует исходному спектру электронов Ф(E). При достаточно хорошем энергетическом разрешении спектрометра аппаратурный спектр в некоторой степени «подобен» энергетическому спектру электронов и неплохо отражает его основные особенности. Поэтому необходимую информацию о спектре электронов Ф(E) в ряде случаев можно получить, не прибегая к решению интегрального уравнения 1, приведенного в лабораторной работе 6.

Измерение спектров γ-излучения

Совсем другая ситуация будет при регистрации γ-квантов детектором с органическим сцинтиллятором. Спектр энерговыделений в веществе детектора в этом случае будет определяться энергиями электронов отдачи, которые образуются при комптоновском рассеянии γ-квантов.

Энергия электрона отдачи ЕE связана с энергией γ-кванта соотношением

, (2)

Где θ – угол рассеяния γ-кванта; Mc2 – энергия массы покоя электрона.

Из формулы (2) видно, что энергия комптоновского электрона может заключаться в пределах от нуля (это соответствует углу рассеяния θ = 0°) до некоторой максимальной величины (это соответствует углу рассеяния θ = 180°). Величина зависит от энергии γ-квантов и соответствует краю непрерывного энергетического распределения комптоновских электронов.

Рассмотрим формирование АФЛ при регистрации γ-квантов. Пусть на сцинтилляционный детектор спектрометра падает пучок γ-квантов с энергией . Спектр энерговыделений в детекторе, который практически совпадает с энергетическим спектром комптоновских электронов, показан на рис. 2, А. Преобразование спектра энерговыделений в аппаратурный спектр U(V) происходит с тем же «размытием» за счет флуктуаций, как и в рассмотренном ранее случае регистрации электронов. Получаемый при этом спектр U(V) показан на рис. 2, B.

Как нетрудно установить, рассматривая рис. 2, B, восстановление исходного спектра γ-излучения Ф(E) по аппаратурному спектру U(V) не является легкой задачей и требует, как правило, решения уравнения 1, приведенного в лабораторной работе 6. Это обстоятельство существенно ограничивает использование органических сцинтилляторов для γ-спектрометрии.

Спектрометры с органическими сцинтилляторами в основном применяются для измерения спектров электронов. При необходимости их можно использовать и для γ-спектрометрии, когда применение неорганических сцинтилляторов нецелесообразно (например, при необходимости очень высокого временного разрешения).

Рис. 2. Спектр энерговыделений в рабочем веществе детектора при регистрации γ-излучения (А) и аппаратурная форма линии

Для того γ-излучения (B)

Экспериментальная часть

В данной работе используется сцинтилляционный спектрометр с детектором на основе органического сцинтиллятора стильбена. Детектор изготовлен из монокристалла стильбена цилиндрической формы диаметром 20 мм и высотой 10 мм. Такие размеры позволяют измерять энергии β-частиц вплоть до 3 МэВ, поскольку пробег β-частиц таких энергий может полностью укладываться в рабочем объеме детектора. Эффективность регистрации β-частиц близка к 100 %.

Этот же детектор может регистрировать и γ-кванты в указанном диапазоне энергий. Однако эффективность регистрации γ-квантов при таких размерах будет заметно ниже (порядка 1/10). Это связано с тем, что пробеги для взаимодействия γ-квантов в используемом органическом сцинтилляторе существенно превышают его размеры, и большинство γ-квантов будет проходить через сцинтиллятор без взаимодействия.

Многие источники излучений, созданные на основе радиоактивных изотопов, одновременно испускают и β- и γ-излучение. Источники только β- или только γ-излучения встречаются достаточно редко. Поэтому, как правило, приходится иметь дело со смесью спектров β- и γ-излучения. Для разделения этих спектров используется фильтр β-излучения в виде алюминиевой пластинки толщиной несколько миллиметров. Такая пластинка полностью задерживает β-излучение, не поглощая заметным образом γ-излучение. Спектр, полученный при экранировке источника такой пластинкой, практически будет совпадать с чистым γ-спектром. В качестве β-спектра источника используется разность суммарного спектра (без фильтра) и чистого γ-спектра.

Полная градуировка спектрометра, т. е. определение функции G(V, E), довольно трудоемкая операция. Поэтому часто ограничиваются только нахождением зависимости среднего значения сигнала V от величины энерговыделения e в рабочем веществе детектора. С хорошей точностью эта зависимость может быть представлена линейной функцией V = AE + B, где A и B – некоторые коэффициенты. С учетом того, что величина сигнала V измеряется в номерах каналов N, удобнее использовать связь между N и Е, а не между V и Е:

Е = ЕС + KN. (3)

Параметры ЕС И K определяются в процессе калибровки энергетической шкалы спектрометра. Калибровку энергетической шкалы часто дополняют нахождением зависимости энергетического разрешения спектрометра от энергии регистрируемых частиц.

Для калибровки спектрометров с органическими сцинтилляторами достаточно удобно использовать образцовые спектрометрические источники конверсионных электронов (ОСИКЭ). Также для этой цели можно использовать и образцовые спектрометрические источники γ-излучения (ОСГИ). При использовании ОСГИ приходится работать с краями комптоновских распределений для отдельных линий γ-излучения.

Перед выполнением задания необходимо изучить схемы распада радионуклидов Sr-90, Na-22, Cs-137; выяснить, какие частицы испускаются при их распаде, каковы энергии испускаемых частиц. Схемы радиоактивного распада изотопов Sr-90, Na-22 и Cs-137 приведены на рис. 3, 4, 5.

Рис. 3. Схема радиоактивного распада Sr-Y-90

Рис. 4. Схема радиоактивного распада Cs-137

Рис. 5. Схема радиоактивного распада Na-22

Порядок проведения эксперимента и обработка результатов

Включить компьютер. Зайти в программу «Спектр». После регистрации включить электронный блок; нажать на клавишу «Спектрометр» и задать на панели дисплея рабочий режим установки; нажать на клавишу «Установка».

Напряжение питания ФЭУ и коэффициент усиления должны быть такими, чтобы граничная энергия β-спектра Sr-90 (2,27 МэВ) приходилась примерно на 900-й канал. Время измерения выбрать равным 5 мин.

Задание 1. Регистрация и анализ состава излучения изотопа Sr-90.

Получить суммарный аппаратурный спектр излучения Sr-90 без использования поглотителя β-частиц (спектр 1) и с поглотителем β-частиц (спектр 2). Получить спектр фонового излучения (без источника) спектрометра с органическим сцинтиллятором (спектр 3). Сравнить полученные спектры 1 и 2 со спектром фонового излучения 3 и сделать вывод о целесообразности или нецелесообразности учета фонового излучения. Сравнить спектры излучения, регистрируемые с поглотителем и без него и сделать вывод о составе излучения Sr-90.

Задание 2. Регистрация и анализ состава излучения изотопа Na-22.

Получить спектр Na-22 без поглотителя (спектр 4) и с ним (спектр 5). Сравнить эти спектры и убедиться, что кроме β-излучения регистрируется γ-излучение.

Задание 3. . Регистрация спектра излучения изотопа Сs-137.

Получить спектр Cs-137 без поглотителя (спектр 6) и с ним (спектр 7). Убедиться, что регистрируется и γ-, и β-излучение.

Задание 4. Калибровка энергетической шкалы спектрометра.

Найти положение комптоновских краев (в каналах) двух линий γ-излучения Na-22 с энергиями 511 и 1274 кэВ (спектр 5). По формуле (2) вычислить энергии, соответствующие этим краям комптоновских распределений. Рассчитать коэффициенты линейной зависимости Е и N в формуле (3).

Задание 5. Определение энергии линии γ-излучения изотопа Cs-137.

Найти положение комптоновского края линии γ-излучения Cs-137 (Спектр 7). По калибровочной зависимости Е и N определить энергию края, а потом с помощью соотношения (2) рассчитать энергию линии γ-излучения.

Задание 6. Анализ аппаратурного β-спектра Cs-137.

Выделить спектр β-излучения Cs-137 (разность спектров 6 и 7). Определить канал, соответствующий положению пика конверсионных электронов. По калибровочной зависимости Е и N рассчитать энергию конверсионных электронов и сравнить с табличным значением 624 кэВ.

Задание 7. Оценка энергетического разрешения спектрометра.

Оценить ширину пика конверсионных электронов на половине высоты и рассчитать энергетическое разрешение для энергии 624 кэВ по формуле (1).

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой каналы спектра?

2. Почему и как аппаратурный спектр отличается от истинного энергетического спектра?

3. Чем органические сцинтилляторы отличаются от неорганических?

4. Почему при регистрации γ-излучения органическими сцинтилляторами нет пиков полного поглощения?

5. Как находится соответствие между каналами и энергией излучения?

6. Можно ли считать, что положение края комптоновского распределения пропорционально энергии γ-излучения ?

7. Как будет выглядеть аппаратурный спектр, если источник электронов имеет две различные моноэнергетические линии излучения?

8. Как будет выглядеть аппаратурный спектр, если источник γ-излучения имеет две различные по энергии линии?