Что бы понимать, что изображено на спектре надо понимать некоторые физические процессы, которые происходят при измерении в сцинтилляционном детекторе. На этой странице будет накапливаться небольшая помощь и описание некоторых базовых основ спектрометрии, адресованные в первую очередь начинающим.
Содержание:
- простой спектр с одним пиком
- пик одиночного вылета (single escape)
- пик случайного суммирования
- пик каскадного (истинного) суммирования
Описание частей спектра изотопа с одним пиком полного поглощения
Линейный масштаб спектра 137Cs:
Логарифмический масштаб:
Для изотопа, имеющего всего один пик полного поглощения (ППП) на спектре всегда будет присутствовать следующий набор частей спектра:
Пики спектра вещества самого изотопа:
- Сам пик полного поглощения (ППП). Это основной пик энергии выхода гамма-кванта. В этом пике собрана статистика по гамма-квантам изотопа, которые были захвачены кристаллом сцинтиллятора и полностью провзаимодействовали в нём, передав кристаллу всю свою энергию.
- Пик характерного рентгеновского излучения (ХРИ) изотопа. Само вещество изотопа, кроме испускания гамма-квантов в результате процесса распада, может возбуждаться от других атомов гамма-квантами процесса распада и порождать характерное именно для данного вещества рентгеновское излучение. Это вторичное возбуждённое излучение.
Аппаратурные артефакты измерения:
- Псевдопик (край комптона) и плато (континуум) комптоновского рассеяния. Это энергия гамма-квантов изотопа, которая попала в кристалл, но не смогла полностью провзаимодействовать с ним и гамма-квант передал кристаллу сцинтиллятора только часть энергии, остальная часть энергии покинула кристалл ни с чем не провзаимодействовав. Энергия таких регистрируемых рассеянных квантов всегда меньше энергии источника, поэтому комптон всегда левее пика энергии, от которых он формируется. Максимум значений энергий комптона имеет вполне конкретную величину, описываемую математически и не достигая ППП комптон имеет резкий спад до почти нулевых значений (край комптоновского континуума), который часто путают с пиком на детекторах низкого разрешения.
- Пик обратного рассеяния образуется когда гамма-квант испытал комптоновское рассеяние, но не в веществе кристалла сцинтиллятора, а в окружающем его материале, и уже рассеянный попал в детектор. Например, квант прошёл насквозь кристалл или рядом с кристаллом детектора не провзаимодействовав, попал в электрон вещества уже в оболочке или защите детектора и оттуда остаток энергии уже рассеянного кванта вернулся обратно в кристалл детектора, где подвергся полному поглощению. Или, как вариант, квант вылетел изначально в сторону противоположную детектору, испытал комптоновское рассеяние в защитной оболочке установки в обратном от изначального направлении и рассеянный квант вернулся в детектор, где был зарегистрирован. Энергия такого кванта будет составлять только часть изначальной энергии. Такие кванты провзаимодействовав с детектором образуют пик обратного рассеяния.
Так же на спектре могут присутствовать (но не обязательно) дополнительные пики, которые не являются пиками измеряемого вещества. Это пики ХРИ не вещества изотопа, а материалов измерительной установки:
- Пики характерного рентгеновского излучения свинца (Pb). Данный спектр снимался в защите (оболочке) из свинца с толщиной стенок ~20 мм. Гамма-кванты изотопа, вылетев в сторону оболочки поглощались ей и порождали в атомах материала оболочки ХРИ.
Пик одиночного вылета, Single Escape
Пик одиночного вылета — это аппаратурный артефакт, который визуально может быть немного похож на пик обратного рассеяния, но физика его возникновения несколько другая.
При энергии гамма-кванта Eγ больше чем 1022 кэВ (двукратная энергия заряда электрона = 511×2) возможен процесс образования пар электрон-позитрон в материале детектора, при этом позитрон может проаннигилировать с образованием двух квантов энергии 511 кэВ.
Если один из этих двух аннигиляционных квантов энергии не провзаимодествует в кристалле детектора и покинет его (вылетит), то суммарная энергия всех взаимодействий, поглощённая кристаллом от изначального гамма кванта, будет меньше Eγ на величину ровно 511 кэВ. Таким образом формируется пик одиночного вылета (single escape peak) с энергией:
ESE = Eγ — 511 кэВ
Если оба аннигиляционных кванта покинули кристалл детектора не провзаимодействовав, то остаточная энергия образует пик двойного вылета (double escape peak) с энергией:
EDE = Eγ — (2×511) кэВ
В спектре 232Th пик одиночного вылета присутствует, хорошо виден и имеет энергию 2103 кэВ, образуется этот пик от гамма-квантов энергии 2614 кэВ (208Tl).
Отличить данный пик от пика обратного рассеяния можно по следующим критериям:
- энергия породившего пика > 1022 кэВ,
- у 232Th нет собственных пиков на 2103 кэВ,
- пик одиночного вылета ровно на 511 кэВ ниже по шкале энергии от породившего пика,
- пик одиночного вылета имеет форму гауссианы и ширину соответствующую ширине пиков данного детектора с данной разрешающей способностью (пик обратного рассеяния намного шире чем нормальный пик).
Пик одиночного вылета на спектре 232Th в логарифмическом масштабе:
Пик случайного суммирования
При высокой активности источника, в нём могут образовываться независимо друг от друга два кванта энергии от разных атомов вещества, промежуток времени между которыми будет близок к нулю или существенно меньше времени, чем величина в течении которой детектор способен определить что это было два разных кванта. Детектор регистрирует такие пары квантов как один квант энергии равный сумме энергий квантов прилетевших в него одновременно и претерпевших полное поглощение. Чем выше активность источника и чем хуже временная характеристика детектора (большая инертность) тем больше вероятность регистрации таких квантов как один суммированный.
Так на спектре 137Cs от источника высокой активности пик полного поглощения будет равен:
Eγ = 662 кэВ
При этом формируется второй пик, ложный, амплитуда которого будет примерно на 3 порядка меньше, с энергией вдвое больше энергии основного пика полного поглощения:
ERS = 2×Eγ = 1324 кэВ
Пример с источником 137Cs высокой активности является простейшим примером, поскольку у этого изотопа только один ППП. Образование ложных пиков случайного суммирования возможно и у других изотопов с одновременной регистрацией гамма-квантов разной энергии.
Пик каскадного (истинного) суммирования
При распаде некоторых изотопов возможно образование каскадов гамма-переходов, когда выход энергий гамма-квантов различных уровней энергии одной цепи распада происходит практически одновременно, со скоростью на много порядков быстрее, чем время, в течении которого детектор способен распознать два разных кванта. В этом случае детектор зарегистрирует один пик равный сумме энергий исходных пиков. Принципиальное различие от случайного суммирования в том, что при случайном суммировании суммировались кванты от двух разных атомов, а при каскадном суммируются кванты одной цепи распада, т.е. по сути от одного атома.
На гамма-спектре лютеция-176 можно увидеть от 1 до 3-х пиков каскадного суммирования. Изотоп лютеций-176 претерпевает быстрый каскадный распад, что при определённой геометрии проба-детектор позволяет получить ложные пики каскадного (истинного) суммирования.
Чем ближе проба расположена относительно детектора, тем больше шансов что каскадные гамма-кванты одной цепи распада попадут в детектор. При удалении пробы от детектора и точечном удалённом источнике вероятность регистрации каскадных квантов уменьшается.
Примечание: относительно пика 395-400 кэВ в спектре 176Lu нет окончательного понимания природы его происхождения.
Каскадную природу пиков 360-370 кэВ и 508.6 кэВ хорошо видно на спектре оксида лютеция полученном с помощью детектора ⌀100×100 мм с колодцем. Детектор с колодцем за счёт геометрии увеличивает в разы эффективность регистрации от источника и повышает вероятность регистрации пиков каскадных сумм.
