7.2.1 Гамма-спектрометрия

Гамма-спектрометрия – один из наиболее широко применяемых методов определения радионуклидов и их активности в технологических растворах, в объектах окружающей среды, в отходах и т.п. Метод очень удобен и обычно не требует вскрытия проб, концентрирования и разделения радионуклидов. Пробоподготовка чаще всего сводится к приготовлению препарата для измерений.

Широкое использование данного метода для определения природы радионуклидов и их активности связанно с тремя определяющими составляющими:

• спектр фотонного излучения дискретный;

• в большинстве случаев α- или β-распад сопровождается испусканием гамма- или рентгеновского излучения;

• высокая проникающая способность фотонного излучения.

Прежде, чем рассматривать влияние составных элементов спектрометра на точность воспроизведения спектра, рассмотрим, как формируется гамма-спектр. Гамма-кванты возникают при ядерных переходах, сопровождаемых специфическими изменениями энергии ядра, и идеальный монохроматический спектр можно представить как линию c энергией Е₀ (рисунок 8.4a). Но гамма кванты испускаются ядром, входящим в состав того или иного вещества, в следствие чего часть из них успевает рассеяться и приобрести энергию меньшую, чем Е₀. Поэтому спектр будет иметь расширение в области энергий, меньших, чем Е₀. (рисунок 8.4б). Это размывание спектра тем шире, чем больший слой материала проходит гамма-квант перед попаданием в детектор.

В детекторе гамма-кванты передают свою энергию частично или полностью атомному электрону детектирующего материала в результате фотоэффекта или комптон - эффекта. При фотоэффекте происходит полное поглощение гамма-кванта с образованием электрона, который в конечном итоге формирует на выходе сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии потерянной гамма-квантом. Из-за флуктуаций при образовании ионов происходит дальнейшее размывание импульса, и пик приобретает форму колокола, которая описывается распределением Гаусса. Такой пик называется пиком полного поглощения или фотопиком.

Рис. 7.4 Искажение монохроматической линии с энергией E₀.

При комптоновском рассеянии с углом рассеяния фотона на 180⁰ также получаются импульсы большой амплитуды, которые приводят к образованию пика с энергией Е_с (рисунок 8.4, в). Все остальные импульсы, получающиеся при комптоновском рассеянии, имеют меньшую амплитуду и образуют фон в области энергий ниже Е_с.

На рисунке 8.5 представлен реальный спектр источника, испускающего моноэнергетические фотоны с энергией E_0.

Рис. 7.5 Реальный спектр моноэнергетического гамма-излучения.

На рисунке область «А» относится к пику полного поглощения. Область «В» комптоновского фона, импульсы, равномерно распределенные до максимальной энергии E_c. Они получены от взаимодействий с частичной потерей энергии.

В – комптоновский край. Эта часть спектра соответствует максимальной потере энергии в процессе комптоновского рассеяния. Это чаще всего широкий асимметричный пик с вершиной в районе энергии E_c.

Г – комптоновская долина. Для этой области спектра характерно образование импульсов в результате многократного комптоновского рассеяния с полным рассеянием на небольшие углы в материале источника или в промежуточных материалах перед попаданием в чувствительный объем детектора.

Д – пик обратного рассеяния. Этот пик образован гамма-квантами, подвергнувшимися комптоновскому рассеянию в материалах, окружающих детектор. Максимальная энергия при этом лежит в области 200-250 кэВ.

Е – область избыточной энергии. Импульсы, зарегистрированные в данной области, в основном получаются при попадании в детектор гамма-квантов с энергией больше чем энергия E₀ или мюонов космического фона. Часть импульсов может образоваться в результате наложения импульсов друг на друга в электронных трактах анализатора при больших загрузках.

Ж – подъем в области низких энергий. Наибольший вклад в эту область дает электронный шум аппаратуры и на практике его отсекают (дискриминируют).

В случае, когда энергия регистрируемых фотонов больше чем 1,022 МэВ, в спектре появляются дополнительные пики.

_{Практическое использование гамма-спектрометра}

Практическое использование гамма-спектрометрии определяется спецификой измерительной задачи, например, гамма-каротаж скважин, нейтронно-активационный анализ, и др. Но наиболее часто встречающееся применение гамма-спектрометров - это лабораторная гамма-спектрометрия, т.е. измерение источников неизвестных активности и радионуклидного состава в стандартной геометрии. Решение этой задачи состоит из двух этапов.

На первом этапе проводят градуировку спектрометра по образцовым источникам в четко определенной геометрии.

Далее проводится процедура измерения и обработки неизвестного образца. Она происходит в несколько этапов:

• непосредственно измерение образца;

• поиск пиков полного поглощения и определение их центроид;

• по энергиям найденных пиков идентифицируются радионуклиды;

• расчет площади пиков полного поглощения и определение активности соответствующих радионуклидов.

Операция поиска пиков осуществляется либо в ручном режиме, либо в программе обработки спектров автоматически. Программа находит пик и определят его центр (центроиду) в соответствии с определенным математическим алгоритмом (рисунок 8.6). Центроида пика соответствует энергии фотонов, испускаемых источником. Используя найденное значение энергии, можно определить по таблицам, какому нуклиду принадлежит данная энергия.

Рис. 7.6 Определение центроиды пика и ее энергии.

После того, как пики идентифицированы, программа обработки спектров определяет площадь каждого пика полного поглощения (рисунок 8.7).

В силу специфики конкретных спектрометров, зависимости аппаратурного спектра от режима измерения и т.д. невозможно выбрать некую универсальную процедуру определения площади пика для всех спектрометров. Поэтому на практике используют самые разнообразные модели, различающиеся сложностью и числом варьируемых параметров. Для многих измерительных задач оказывается удовлетворительной простая гауссова модель пика. Как видно из приведенного рисунка, фотопик находится на фоновой подложке, образованной фотонами с большей энергии. В простейшем случае, проводя прямую «y₁y₂» через точки, лежащие в основании фотопика, можно определить площадь фоновой подложки, которая будет учтена при расчете площади фотопика. Тогда итоговую активность радионуклида по линии можно рассчитать по формуле с учетом поправки на эффективность:

,

где – площадь пика с энергией Е_i с учетом фона;

_абс(Е_i) – значение абсолютной эффективности регистрации при энергии Е_i;

p_i – выход линии с энергией Е_i.

Рис. 7.7 Фрагмент аппаратурного спектра для определения площади пика.