Сцинтилляционный спектрометр гаммаизлучения введение
 Скачать 4.9 Mb.
|
1 2 В аппаратурном спектре все пики, за исключением пика с максимальной для данного спектра энергией, расположены на “пьедестале” комптоновского распределения от -квантов с максимальной энергией. Если пик расположен на склоне непрерывного распределения, то центр пика смещается он как бы поднимается по склону. Точное измерение положения пиков и площадей под ними требует выделения их из аппаратурного спектра. Обработка отдельных пиков может проводиться вручную прямо по спектрограмме, нанесенной на миллиметровку. Пик с максимальной энергией в обрабатываемом спектре с низкоэнергетической стороны вырезают симметрично его высокоэнергетической стороне и получают кривую, близкую по форме к гауссовской. Для выделения остальных пиков нужно экстраполяцией выделить линию пьедестала, на котором находится пик, и вычесть его из спектра в области пика. За положение пика может быть принят канал с максимальным отсчетом или средневзвешенный канал. При графической обработке за положение пика можно принять точку, в которой обращается в нуль первая производная аппроксимирующей функции. Если одну из границ пика выделить нельзя (например, из-за наложения близлежащего пика), то ее можно выбрать симметричной другой границе. Площадь под пиком можно определить поканальным суммированием, либо вычислить как площадь гауссиана:  (28)где  ширина пика на половине его высоты;  высота пика.Точность такого определения 2,65%. Большую точность определения параметров пика дает аппроксимация гауссианом с использованием метода наименьших квадратов для оптимального выбора параметров гауссиана. При решении ряда задач требуется разложения спектра от источника, испускающего несколько линий -излучения, на более простые аппаратурные спектры, обусловленные каждой линией излучения в отдельности. В этом случае необходимо знать форму аппаратурной линии спектрометра для каждой энергии -квантов. Она может быть найдена экстраполяцией аппаратурных линий, полученных экспериментально с использованием -источников, испускающих кванты одной энергии. При выполнении заданий данного раздела выделение пиков полного поглощения осуществляется на ЭВМ в полуавтоматическом режиме: из общего спектра вычитается гауссиан, параметры которого задаются машине. Варьируя эти параметры, необходимо стремиться к тому, чтобы остаток после вычитания пика представлял собой гладкое комптоновское распределение. Задание 14 Проверить линейность энергетической шкалы сцинтилляционного спектрометра. Измерить зависимость разрешения и фотовклада от энергии -квантов. Лабораторная установка В данной работе для накопления, записи и сохранения спектра используется программно-аппаратный комплекс «Анализатор аппаратурного спектра». Состав комплекса и порядок работы с ним изложен в Приложении. Коллимированный пучок -квантов от источника попадает на сцинтиллятор, расположенный вместе с ФЭУ в светонепроницаемом кожухе. Датчик помещен в свинцовый домик, сменные коллиматоры устанавливаются на домик сверху. Для получения аппаратурной линии для неколлимированного источника корпус одного из коллиматоров не залит свинцом. Блок высокого напряжения служит для питания ФЭУ, низковольтный источник – для питания эмитерного повторителя ЭП. Сигнал усиливается спектрометрическим усилителем (СУ), который объединен с амплитудно-цифровым преобразователем (АЦП). Крейт КАМАК обеспечивает связь между компьютером и датчиком БДЭГ. Для записи исследуемых спектров используется компьютер. На рис.12 показано крепление сменных сцинтилляторов в датчике. В зависимости от размеров кристалла применяются сменные светозащитные колпачки 3 и центрирующие кольца 5. Перед установкой кристалла необходимо: а) тщательно протереть соприкасающиеся поверхности кристалла и ФЭУ; б) в центр входного окна ФЭУ поместить каплю масла для обеспечения оптического контакта; в) при установке кристалла следить за тем, чтобы в момент соприкосновения поверхности кристалла и ФЭУ были параллельны друг другу. В  Н И М А Н И Е: ПРИ СМЕНЕ КРИСТАЛЛА ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, ПОДАВАЕМОЕ НА ФЭУ, ДОЛЖНО БЫТЬ ОТКЛЮЧЕНО. В ПРОТИВНОМ СЛУЧАЕ ФЭУ ВЫХОДИТ ИЗ СТРОЯ ПРИ ПОПАДАНИИ СВЕТА НА ФОТОКАТОД. Рис.13. Установка сцинтиллятора в датчике: 1 – ФЭУ, 2 – уплотнитель, 3 – светозащитный колпак, 4 – сцинтиллятор, 5 – центрирующее кольцо, 6 – манжета, 7 – кожух ФЭУ Порядок выполнения работы Изучить описание комплекса «Анализатор аппаратурного спектра», освоить приёмы работы с анализатором (см. Приложение). Изучить порядок снятия и обработки спектров (см. Приложение). Установить в сцинтилляционном датчике кристалл NaI(Tl) диаметром 63 мм. Установить на свинцовый домик коллиматор с наименьшим диаметром отверстия. Включить все приборы в сеть и прогреть их не менее 15 минут. Установить источник -излучения с максимальной энергией. Подобрать напряжение на ФЭУ и коэффициент усиления усилителя таким образом, чтобы спектр заполнял всю шкалу анализатора (пик полного поглощения должен быть в конце шкалы). Снять амплитудное распределение, выбрав время измерения таким образом, чтобы в максимуме пика полного поглощения было зарегистрировано не менее 2000 отсчетов. Сохранить спектр. Не меняя напряжение на ФЭУ и коэффициент усиления последовательно измерить амплитудные распределения с другими источниками. Повторить измерение с первым источником для контроля отсутствия дрейфа электронной аппаратуры и питания ФЭУ. С помощью программы «Spectral» или «Spectralnew» провести обработку аппаратурных спектров с целью определения положения пиков полного поглощения, энергетического разрешения и фотовклада. Порядок обработки аппаратурных спектров Изучить порядок обработки спектров с помощью программ «Spectral» или «Spectralnew» (см. Приложение) Ввести в ЭВМ экспериментальные данные, произвести сглаживание и обработку спектров. В отчете привести графики исходных спектров, а также непрерывных распределений, оставшихся после вычитания пиков, параметры пиков. Обязательно указать имя, которое вы присвоили файлам своих данных. Построить калибровочную кривую «номер канала – энергия», аппроксимируя ее прямой линией согласно уравнению (21). Параметры прямой  и  найти с использованием метода наименьших квадратов на ЭВМ.Оценить степень нелинейности энергетической шкалы спектрометра. Построить зависимость энергетического разрешения спектрометра от энергии -квантов в координатах  . При определении полуширины пиков в единицах энергии воспользоваться найденным уравнением для калибровочной кривой. Построить зависимость фотовклада от энергии -квантов. Контрольные вопросы Какие процессы взаимодействия -квантов с веществом сцинтилляторов NaI и CsI являются преобладающими при энергии -излучения единицы МэВ? За счёт каких процессов формируется пик полного поглощения в сцинтилляционном спектрометре? Как и почему зависит энергетическое разрешение спектрометра и фотовклад от энергии -квантов? Задание №15 Исследовать зависимость формы аппаратурной линии -спектрометра от размера и типа сцинтиллятора, геометрии опыта. Исследовать зависимость фотовклада и разрешения спектрометра от размеров кристалла NaI(Tl). Порядок работы 1. Повторить пункты 1– 6 задания №14. 2. Снять амплитудный спектр с кристаллом NaI(Tl) 63 мм без коллиматора. Для этого использовать корпус коллиматора, не залитый свинцом. 3. Снять спектры амплитуд импульсов с несколькими кристаллами NaI(Tl) меньших размеров, используя коллиматор. Измерить и записать размеры сцинтилляторов: диаметр и высоту. Спектры необходимо снимать для двух -источников с разными энергиями, один из которых используется только для калибровки энергетической шкалы. 4. Снять спектры амплитуд импульсов с двумя пластмассовыми сцинтилляторами разных размеров. Поскольку световой выход этих сцинтилляторов в несколько раз меньше, чем у NaI(Tl), коэффициент усиления нужно соответственно увеличить. Измерить и записать размеры сцинтилляторов. Здесь спектр калибровочного источника снимать не нужно. 5. Провести обработку спектров, полученных с кристаллами NaI(Tl) с помощью программы «Spectral» или «Spectralnew». Порядок обработки аппаратурных спектров Определить паразитные пики, которые могут иметь место при энергии -квантов используемого источника. Рассчитать энергию, соответствующую этим пикам. Выполнить обработку спектров, полученных с использованием коллиматора и кристаллов NaI(Tl), на ЭВМ с целью выделения пика полного поглощения и всех других имеющихся пиков и определения параметров этих пиков. Распечатать на принтере исходные спектры и оставшиеся непрерывные распределения после вычитания пиков. На распечатках указать имя файла с исходными данными. Для удобства сравнения аппаратурных спектров для кристаллов разных размеров при распечатке желательно масштабы по осям ординат для разных спектров выбирать одинаковыми. Для каждого из указанных в п.2 аппаратурных спектров провести калибровку по двум точкам, предполагая линейность энергетической шкалы анализатора. Отметить положение возможных паразитных пиков на спектрах. Построить зависимости фотовклада и разрешения от размеров кристалла. Размеры кристалла задать произведением его диаметра на высоту. Проанализировать деформацию аппаратурной линии при изменении размеров кристалла. Объяснить причины наличия или отсутствия тех или иных паразитных пиков. Проанализировать зависимость отношения площади под паразитным пиком к площади под всем спектром от размеров кристалла. Построить спектры амплитуд импульсов для кристалла 63 мм, снятые с коллиматором и без него. При построении спектры отнормировать таким образом, чтобы амплитуды пиков полного поглощения были одинаковы. Объяснить влияние коллиматора на форму спектра. Построить амплитудные распределения для пластмассовых сцинтилляторов. Объяснить характер зависимости формы распределений от размеров сцинтиллятора. 7. Контрольные вопросы Чем вызвана асимметрия пика полного поглощения? В чём отличие между фотопиком и пиком полного поглощения? Почему некоторые пики в аппаратурном спектре называют «паразитными»? Как они формируются? Почему фактор Фано для сцинтилляционного спектрометра принимают равным единице? В каком диапазоне энергий -квантов энергетическая шкала сцинтилляционного спектрометра линейна? Почему в спектрометрии -излучения не применяются пластмассовые сцинтилляторы? Список литературы Абрамов А.И. и др. Основы экспериментальных методов ядерной физики. – М.: Атомиздат, 1977,стр.28-246, 370-375. Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия// Под ред.К.Зигбана. – М.: Изд. ИЛ, 1969г. вып.1,стр.261-275. Вяземский В.О. Сцинтилляционный метод в радиометрии. – М.: Госатомиздат, 1961г. стр.21-26,286-299,317-318. Вартанов Н.А., Самойлов П.С. Прикладная сцинтилляционная гамма спектрометрия. – М.: Атомиздат, 1975г. стр.10-23,102-128. Экспериментальные исследования полей гамма-излучения и нейтронов. – М.: Атомиздат, 1974г. стр.238-244. Столярова Е.Л. Прикладная спектрометрия ионизирующих излучений. – М.: Атомиздат, 1964г. стр.208-214,219-235. 1 2 |