Блок- схема установки

Позитроны, вылетающие из источника S, тормозятся в веществе источника и его защитной оболочке и аннигилируют. Толщина защитной оболочки превышает пробег позитронов ( 1 мм в алюминии), поэтому местом аннигиляции с большой точностью можно считать центр источника позитронов. Регистрация γ-квантов осуществляется сцинтилляционными спектрометрами, состоящими из кристаллов NaI и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Импульсы от ФЭУ поступают на усилители. После усиления импульсов от спектрометров производится анализ их амплитудного распределение (энергетический спектр регистрируемых фотонов)
Так же в установках задействована схема совпадений - электронное устройство, выдающее на выходе сигнал лишь в том случае, когда на ее входы поступают сигналы с интервалом, не превышающим разрешающее время t схемы совпадений. В данном случае используется схема совпадений с t = 5 мкс. Схемы совпадений широко применяются в современных экспериментах по изучению атомного ядра и частиц. Совпадение по времени моментов регистрации двух или более частиц является доказательством того, что они образовались в одном и том же процессе ядерной реакции или распаде.
Регистрация γ-квантов осуществляется двумя сцинтилляционными спектрометрами. Один из спектрометров закреплен неподвижно, другой расположен на вращающемся относительно источника стержне. Регистрация аннигиляционных фотонов в режиме совпадений позволяет проводить измерения для различных углов разлета фотонов. Для этого сигналы от усилителей после предварительной амплитудной дискриминации, выделяющей тот участок γ-спектра, который отвечает аннигиляционной линии 0,511 МэВ, поступают на вход схемы совпадений.  Кроме того, подвижный спектрометр может быть установлен в непосредственной близости от источника позитронов, что увеличивает скорость счета и обеспечивает измерение спектра γ-квантов с высокой статистической точностью.

Сцинтилляционный спектрометр

Для регистрации γ-квантов часто используются сцинтилляционные детекторы. Когда гамма-квант попадает в детектор, в результате трех процессов: фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электрон-позитронных пар - образуются заряженные частицы. В сцинтилляторах при прохождении через них заряженных частиц возникают световые вспышки. Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе.

В результате фотоэффекта выбитый из атома электрон приобретает энергию Ee = Eγ – Eβ – Er,

где Eγ – энергия гамма-кванта, Eβ – энергия связи электрона и Er – 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, Eγ = ∑Ee и в сцинтилляторе возникает световая вспышка, интенсивность которой пропорциональна энергии γ-кванта. В функции отклика детектора фотоэффекту соответствует пик – фотопик.

В результате комптоновского рассеяния электронам передается только часть энергии.

, Ee = Eγ - Eγ´,

где Eγ и Eγ´ – энергии гамма-квантов до и после рассеяния, Ee  – энергия фотоэлектрона, mc2 – энергия покоя электрона, θ – угол рассеяния гамма кванта. Максимальная энергия, которая в результате комптоновского рассеяния может быть передана электрону (при θ = 180о),
Сравнение теоретического распределения энергии электрон и экспериментального спектра в детекторе Nal(Tl) в случае, когда γ-кванты регистрируют в результате фотоэффекта и комптон-эффекта. Уширение монохроматической линии, соответствующей фотопику, определяется разрешением детектора.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. 4 показан экспериментальный спектр 137Cs и его теоретическая "идеализация". Размытие пика полного погло­щения и края комптоновского распределения связана с энергетическим разрешением системы.
Образование пар электрон-позитрон становится возможным при энергии гамма квантов больших 2mc2 = 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 Eγ = 511 кэВ. Такие события будут вносить вклад в так называемый пик одиночного вылета. Если из детектора вылетят оба аннигиляционных гамма-кванта, то это событие будет зафиксировано в пике двойного вылета (Eγ = 1022 кэВ).
Сцинтилляционный спектрометр состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. Для регистрации γ-излучения в сцинтилляционных спектрометрах используют взаимодействия γ-квантов с веществом сцинтиллятора. Результатом всех трех основных процессов взаимодействия γ-квантов с веществом (фотоэффекта, комптоновского рассеяния и рождения пар) является передача энергии γ-кванта вторичным частицам - электронам и позитронам. При прохождении заряженных вторичных частиц через вещество их энергия тратится на возбуждение и ионизацию среды. Переходы с возбужденных состояний сцинтиллятора на более низкие уровни энергии сопровождаются излучением фотонов: в сцинтилляторе возникает световая вспышка. Таким образом, сцинтиллятор трансформирует энергию падающего γ-кванта в большое количество вторичных γ-квантов низких энергий - фотонов флюоресценции.
Возникшие в сцинтилляторе под действием падающего пучка γ-квантов вторичные фотоны попадают на фотокатод. Фотокатод нанесен на внутреннюю торцевую поверхность стеклянного баллона ФЭУ, в котором создан вакуум, необходимый для свободного движения электронов. Под действием фотонов происходит фотоэффект на фотокатоде с вылетом электронов, которые попадают в электронно-оптическую систему фотокатод - диноды

Схема устройства сцинтилляционного детектора

Частица, попадая в сцинтиллятор, порождает фотоны флуоресценции, которые по светопроводу попадают на фотокатод ФЭУ(электроды). В результате вторичной электронной эмиссии на динодах электроны выбивают из них вторичные электроны, образуя нарастающую от динода к диноду электронную лавину. Форма динодов подобрана для эффективного ускорения и фокусировки вторичных электронов. Между динодами поддерживается разности потенциалов 100-150 В. Общий коэффициент усиления ФЭУ, имеющих обычно от 10 до 14 динодов, достигает величин порядка 106-109. Амплитуда импульса напряжения, создаваемого на нагрузке последнего динода (анода) ФЭУ, обычно составляет несколько десятых вольта и пропорциональна энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе.
ФЭУ со счищенным зачернененным покрытием Схема устройства сцинтилляционного детектора. Частица, попадая в сцинтиллятор, порождает фотоны флуоресценции, которые по светопроводу попадают на фотокатод ФЭУ