ГАММАСПЕКТРОМЕТР

ГАММА-СПЕКТРОМЕТР, прибор для измерения спектра гамма-излучения. В большинстве Г.-с. энергия и интенсивность потока-квантов определяются не непосредственно, а измерением энергии и интенсивности потока вторичных заряженных частиц, возникающих в результате взаимодействия-излучения с веществом. Исключение составляет кристалл-дифракционный Г.-с., непосредственно измеряющий длину волны -излучения (см. ниже).

Основными характеристиками Г.-с. являются эффективность и разрешающая способность. Эффективность определяется вероятностью образования вторичной частицы и вероятностью её регистрации. Разрешающая способность Г.-с. характеризует возможность разделения двух гамма-линий, близких по энергии. Мерой разрешающей способности обычно служит относительная ширина линии, получаемой при измерении монохроматич. -излучения; количественно она определяется отношением - энергия вторичной частицы, - ширина линии на половине её высоты (в энергетич. единицах) (см. Ширина спектральных линий).

В магнитных Г.-с. вторичные частицы возникают при поглощении -у-квантов в т. н. радиаторе; их энергия измеряется так же, как и в магнитном бета-спектрометре (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение магнитного гамма-спектрометра. В магнитном поле Н, направленном перпендикулярно плоскости рисунка, вторичные электроны движутся по окружностям, радиусы которых определяются энергией электронов и полем Н. При изменении поля детектор регистрирует электроны разных энергий. Штриховкой показана защита из свинца.

Величина магнитного поля Н в спектрометре и радиус кривизны траектории электронов определяют энергию электронов, регистрируемых детектором. Если радиатор изготовлен из вещества с малым атомным номером, то вторичные электроны образуются в основном в результате комптон-эффекта; если радиатор изготовлен из тяжёлого вещества (свинец, уран), а энергия -квантов невелика, то вторичные электроны будут возникать гл. обр. вследствие фотоэффекта. При энергиях Мэв становится возможным образование гамма-квантами электронно-позитронных пар. На рис. 2 изображён магнитный парный Г.-с. Образование пар происходит в тонком радиаторе, расположенном в вакуумной камере. Измерение суммарной энергии электрона и позитрона позволяет определить энергию -кванта. Магнитные Г.-с. обладают высокой разрешающей способностью (обычно порядка 1 % или долей % ), однако эффективность таких Г.-с. невелика, что приводит к необходимости применять источники -излучения высокой активности.

В сцинтилляционных Г.-с. вторичные электроны возникают при взаимодействии -квантов со сцинтиллятором (веществом, в котором вторичные электроны возбуждают флюоресценцию). Световая вспышка преобразуется в электрический импульс с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ, рис. 3),

причём величина сигнала, создаваемого ФЭУ, пропорциональна энергии электрона и, следовательно, связана с энергией -кванта. Для измерения распределений сигналов по амплитуде используются спец. электронные устройства - амплитудные анализаторы (см. Ядерная электроника).

Рис. 2. Схематическое изображение парного гамма-спектрометра. В однородном магнитном поле Н, направленном перпендикулярно плоскости чертежа, электроны и позитроны движутся по окружностям в противоположных направлениях.

Эффективность сцинтилляционного Г.-с. зависит от размеров сцинтиллятора и при не очень большой энергии может быть близка к 100%. Однако его разрешающая способность невысокая. Для гамма-квантов с энергией 662 кэв и уменьшается с увеличением энергии примерно как (подробнее см. Сцин-тилляционный спектрометр).

Действие полупроводниковых Г.-с. основано на образовании -излучением в объёме полупроводникового кристалла (обычно Ge с примесью Li) электронно-дырочных пар. Возникающий при этом заряд собирается на электродах и регистрируется в виде электрического сигнала, величина которого определяется энергией -квантов (рис. 4). Полупроводниковые Г.-с. обладают весьма высокой разрешающей способностью, что обусловлено малой энергией, расходуемой на образование одной электронно-дырочной пары. Для ~0,5%. Эффективность полупроводниковых Г.-с. обычно ниже, чем сцинтилля-ционных Г.-с., т. к. гамма-излучение в Ge поглощается слабее, чем, напр., в сцин-тилляционном кристалле NaJ. Кроме того, размеры используемых полупроводниковых детекторов пока ещё невелики. К недостаткам полупроводниковых Г.-с. следует отнести также необходимость их охлаждения до темп-р, близких к темп-ре жидкого азота (подробнее см. Полупроводниковый спектрометр).

Наивысшую точность измерения энергии гамма-квантов обеспечивают кристалл-дифракционные Г.-с., в к-рых непосредственно измеряется длина волны гамма-излучения. Такой Г.-с. аналогичен приборам для наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Излучение, проходя через кристалл кварца или кальцита, отражается плоскостями кристалла в зависимости от его длины волны под тем или иным углом и регистрируется фотоэмульсией или счётчиком фотонов. Недостаток таких Г.-с.- низкая эффективность.

Для измерения спектров -излучения низких энергий (до 100 кэв) нередко применяются пропорциональные счётчики, разрешающая способность которых в области низких энергий значительно выше, чем у сцинтилляционного Г.-с. При hv > 100 кэв пропорциональные счётчики не используются из-за слишком малой эффективности. Измерение спектра-излучения очень больших энергий осуществляется с помощью ливневых детекторов, к-рые измеряют суммарную энергию частиц электронно-позитрон-ного ливня, вызванного гамма-квантом высокой энергии. Образование ливня обычно происходит в радиаторе очень больших размеров (к-рые обеспечивают полное поглощение всех вторичных частиц). Вспышки флюоресценции (или черепковского излучения) регистрируются с помошью ФЭУ (см. Черепковский счётчик).

В нек-рых случаях для измерения энергии гамма-квантов используется процесс фоторасщепления дейтрона. Если энергия -кванта превосходит энергию связи дейтрона (~ 2,23 Мэв), то может произойти расщепление дейтрона на протон и нейтрон. Измеряя кинетич. энергии этих частиц, можно определить энергию падающих у-квантов.

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., под ред. К. Зигбана, в. 1, М., 1969; Методы измерения основных величин ядерной физики, пер. с англ., М., 1964; Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, М.у 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, ч. 1).

В. П. Парфёнова, Н. Н. Делягин.