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

  Основными характеристиками Гамма-спектрометр являются эффективность и разрешающая способность. Эффективность определяется вероятностью образования вторичной частицы и вероятностью её регистрации. Разрешающая способность Гамма-спектрометр характеризует возможность разделения двух гамма-линий, близких по энергии. Мерой разрешающей способности обычно служит относительная ширина линии, получаемой при измерении монохроматического g-излучения; количественно она определяется отношением DE/E, где E — энергия вторичной частицы, DE — ширина линии на половине её высоты (в энергетических единицах) (см. Ширина спектральных линий).

В магнитных Гамма-спектрометр вторичные частицы возникают при поглощении g-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 r кривизны траектории электронов определяют энергию e 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 g-квантов невелика, то вторичные электроны будут возникать главным образом вследствие фотоэффекта. При энергиях hv³ 1,02 Мэв становится возможным образование гамма-квантами электронно-позитронных пар. На рис. 2 изображен магнитный парный Гамма-спектрометр Образование пар происходит в тонком радиаторе, расположенном в вакуумной камере. Измерение суммарной энергии электрона и позитрона позволяет определить энергию -g-кванта. Магнитные Гамма-спектрометр обладают высокой разрешающей способностью (обычно порядка 1% или долей %), однако эффективность таких Гамма-спектрометр невелика, что приводит к необходимости применять источники g-излучения высокой активности.

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.

  В сцинтилляционных Гамма-спектрометр вторичные электроны возникают при взаимодействии g-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 g-кванта. Для измерения распределении сигналов по амплитуде используются специальные электронные устройства — амплитудные анализаторы (см. Ядерная электроника).

Рис. 3. Схема сцинтилляционного гамма-спектрометра.

  Эффективность сцинтилляционного Гамма-спектрометр зависит от размеров сцинтиллятора и при не очень большой энергии может быть близка к 100%. Однако его разрешающая способность невысокая. Для g-квантов с энергией 662 кэвDE/E³ 6% и уменьшается с увеличением энергии E примерно как E^-1/2 (подробнее см. Сцинтилляционный спектрометр).

  Действие полупроводниковых Гамма-спектрометр основано на образовании g-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 g-квантов (рис. 4). Полупроводниковые Гамма-спектрометр обладают весьма высокой разрешающей способностью, что обусловлено малой энергией, расходуемой на образование одной электронно-дырочной пары. Для hv = 662 кэв DE/E~ 0,5%. Эффективность полупроводниковых Гамма-спектрометр обычно ниже, чем сцинтилляционных Гамма-спектрометр, т. к. g-излучение в Ge поглощается слабее, чем, например, в сцинтилляционном кристалле NaJ. Кроме того, размеры используемых полупроводниковых детекторов пока ещё невелики. К недостаткам полупроводниковых Гамма-спектрометр следует отнести также необходимость их охлаждения до температур, близких к температуре жидкого азота (подробнее см. Полупроводниковый спектрометр).

Рис. 4. Схема полупроводникового гамма-спектрометра.

  Наивысшую точность измерения энергии g-квантов обеспечивают кристалл-дифракционные Гамма-спектрометр, в которых непосредственно измеряется длина волны g-излучения. Такой Гамма-спектрометр 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 Гамма-спектрометр — низкая эффективность.

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

  В некоторых случаях для измерения энергии g-квантов используется процесс фоторасщепления дейтрона. Если энергия g-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 g-квантов.

 

  Лит.: Альфа-, бетаи 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., 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, ч. 1).

  В. П. Парфенова, Н. Н. Делягин.