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
![](content/dinodsm.JPG) |
![](content/image020.gif) |
ФЭУ со счищенным зачернененным покрытием
|
Схема устройства сцинтилляционного детектора. Частица,
попадая в сцинтиллятор, порождает фотоны флуоресценции, которые по
светопроводу попадают на фотокатод ФЭУ |
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.