ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5807
Скачиваний: 1
166
изображение в спектре в виде некоторых распределений (узкого или
протяженного), носящих название спектральных кривых. Функцию,
характеризующую экспериментально полученное распределение
монохроматических частиц или квантов, называют формой кривой.
Узкие
спектральные
распределения
называют
обычно
спектральными пиками. Спектральные пики характеризуют базисной
шириной (шириной пика у его основания) или шириной пика на
половине его высоты – полушириной пика.
Из-за конечной ширины пики с близкими значениями параметра А
на спектрограмме не могут быть разделены. Способность
спектрометра разделить две группы частиц или квантов,
различающихся по значению параметра А, характеризуют
разрешением R. Под разрешением понимают тот наименьший
интервал измеряемого параметра А, при котором группы частиц или
квантов еще воспринимаются раздельно. Принимая условно, что два
спектральных пика можно наблюдать раздельно, если они сдвинуты
на половину их ширины, в качестве параметра, характеризующего
разрешение, используют величину полуширины пика. Чаще всего
для численной оценки разрешения используют относительное
разрешение – η, полуширину пика, отнесенную к соответствующему
этому пику значению измеряемого параметра А и выраженную в
процентах. Чем меньше относительное разрешение, тем более тонкие
детали спектра может выделить спектрометр. Для различных видов
спектрометров вводят понятия энергетического разрешения,
разрешения по массе, заряду, углового разрешения и др.
Важным параметром спектрометров считается их эффективность.
От эффективности спектрометра зависит время, необходимое для
измерения спектра. Поскольку реально на спектрометр действует
помимо измеряемого также мешающее (фоновое) излучение, при
малой эффективности спектральные пики могут маскироваться
фоном и точность измерений ухудшается.
Как уже отмечалось, из-за ступенчатого представления гладкого
распределения
в результаты измерений спектра вносятся
погрешности. Полученное распределение тем ближе к истинному,
чем из большего числа ступеней состоит гистограмма, т. е. чем
больше число каналов спектрометра т. Если диапазон измеряемого
параметра от начальной до конечной величины А
н
и А
к
разделен
равномерно на т интервалов (каналов), то величина каждого
интервала:
167
m
А
А
A
н
к
(12.5)
Эта величина названа шириной канала.
По результатам измерения спектра, т. е. по спектральным линиям,
можно установить значение параметра А частиц или квантов. Из-за
несовершенства
спектрометра
как измерительного прибора
(погрешностей в коэффициентах преобразования) между истинным
значением параметра А и полученным из эксперимента А' имеется
расхождение – погрешность измерения. Связь между величинами А'
и А обычно выражают измерительной характеристикой. При
отсутствии систематических погрешностей связь между величинами
А' и А отображалась бы прямой линией. Величину отклонения
измерительной характеристики спектрометра от аппроксимирующей
ее прямой называют интегральной нелинейностью. Для точного
воспроизведения исходного спектра в спектрометрах с равномерным
разделением интервала измерения на каналы необходимо, чтобы
ширина всех каналов была одинаковой. При различной ширине
каналов распределения искажаются, в них появляются ложные пики
или провалы, соответствующие более широким или узким каналам.
Однородность ширины каналов характеризуют дифференциальной
нелинейностью – относительным отклонением ширины канала от
среднего значения.
Следует иметь в виду, что в общем случае все характеристики
спектрометра – разрешение, эффективность, интегральная и
дифференциальная нелинейности–зависят от значения измеряемого
параметра и меняются в пределах диапазона измеряемых величин.
Поэтому указанные характеристики следует рассматривать как
функцию значения параметра А.
Спектрометры обеспечивают качественный (т. е. определение
вида излучения, энергии и т. д.) или количественный (определение
соотношений между плотностями потока излучений разного вида,
энергии, определение доли излучения определенного вида или
энергетического диапазона в общем потоке излучения) анализ
ионизирующего излучения. Качественный анализ осуществляется по
положению спектральных линий на спектрограмме, размеченной с
помощью предварительной градуировки в значениях измеряемого
параметра А. Для количественного анализа необходимо знать
эффективность диапазона измерений.
168
12.2 Энергетические спектрометры
Характерные области применения. Измерения энергетических
распределений
наиболее
распространены
в
спектрометрии
ионизирующих излучений – как в научных исследованиях, так и в
лабораторно–производственной практике.
В
экспериментальной
ядерной
физике
энергетические
спектрометры необходимы для проведения широкого круга
измерений, связанных с фундаментальными исследованиями:
определением сечения взаимодействия частиц или квантов,
изучением, ядерных реакций и механизма деления, идентификацией
новых элементов, возникающих в реакциях, по испускаемому ими
излучению, изучением энергетических уровней ядер в процессе
радиоактивных превращений и т. п. Многие исследования проводят
на ускорителях заряженных частиц, что обусловливает широкий
диапазон измеряемых энергий частиц и квантов. Значительная
группа экспериментов выполняется на импульсных нейтронных
потоках; так определяют сечения взаимодействия нейтронов с
различными ядрами, рассеяние нейтронов разной энергии на
различных мишенях и т. п. Таким образом, в число необходимой
аппаратуры входят спектрометры энергии γ– и рентгеновского
излучений
(сопровождающего
внутреннюю
конверсию
возбужденных ядерных уровней продуктов распада), спектрометры
электронов (β-частиц), протонов, тяжелых заряженных частиц (в том
числе α-частиц) и спектрометры нейтронов.
В исследованиях космического пространства и в работах по
физике плазмы энергетические спектрометры являются основными
приборами. Значительная часть экспериментов, проводимых с
искусственных спутников Земли и космических кораблей, связана с
измерениями радиации и, в частности, с определением;
энергетического распределения потоков частиц и квантов в
околоземном
и
межпланетном
пространствах.
Аппаратура,
используемая в космических исследованиях, должна измерять
энергию в широком диапазоне величин (от десятков электронвольт
до 1000 МэВ и выше) при значительной вариации плотностей
потоков. Объектом измерения служат заряженные частицы –
электроны, протоны, ионы гелия и более тяжелые ионы, а также
нейтральные частицы (нейтроны, молекулярные потоки) и
электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, рентгеновское и γ-
169
излучения). В плазменных исследованиях измеряют энергетические
распределения потоков частиц и квантов, испускаемых плазмой.
Для различных анализов во многих областях науки и техники
используют
радиометрические
измерения
по
отдельным
компонентам излучения: частицам или квантам, обладающим
фиксированной энергией и обусловленным распадом некоторых
изотопов. Подобные измерения проводят для определения
содержания отдельных изотопов или их соотношения по α-, β- и γ-
излучениям в диапазоне энергий до нескольких мегаэлектронвольт.
Отработка методик определения изотопов в препаратах, выбор
оптимальных условий измерения, оценка влияния вещественного
состава препаратов на результаты определений тесно связаны с
измерениями
энергетических
распределений
излучения,
испускаемого препаратами.
Энергетические спектрометры широко используют также для
решения прикладных задач в лабораторно–производственной
практике. Например, такая аппаратура необходима в медицинских
исследованиях для определения содержания естественных и
искусственных радиоактивных изотопов в теле человека и их
идентификации. Подобные измерения, основанные, как правило, на
спектрометрии γ-излучения, непосредственно связаны с выявлением
концентрации радиоактивных веществ в организме и обеспечением
радиационной безопасности. Для обеспечения радиационной
безопасности необходимо также определение качества излучения и
дозовых эквивалентов, выполняемое на основе измерения
энергетического распределения действующих потоков излучения –
заряженных частиц, нейтронов, γ-квантов и рентгеновских лучей.
Измерение энергетического распределения излучения (чаще всего
γ-излучения)
используют
для
идентификации
изотопов
и
определения их содержания в отбираемых пробах для выявления
недостатков технологических процессов на атомных предприятиях,
для контроля за степенью выгорания твэлов и т. п. Наконец, часто
при определении содержания определенных изотопов (особенно по
β- и γ-излучениям) идентификация затрудняется наличием
дополнительного тормозного излучения, возникающего при
поглощении β-частиц в веществе пробы и стенках контейнера,
наложением непрерывных комптоновских распределений и др.; для
выделения определенного пика приходится обрабатывать спектр
(часто машинным методом), для чего необходимо определить
170
энергетическое распределение излучения, испускаемого препаратом,
в некотором интервале энергий.
12.3 Методы построения спектрометров
Определение энергии частиц или квантов, как правило, основано
на измерении функции распределения по параметру, однозначно
связанному с величиной энергии. Можно выделить четыре основных
метода измерения энергетических распределений:
с линейным преобразованием энергии частиц или квантов в
амплитуду сигнала и определением полученного амплитудного
распределения;
с измерением интервалов времени, в течение которых частицы
проходят определенное расстояние (по времени пролета);
с измерением спектра удельных потерь энергии в веществе
детектора (спектра линейных потерь) и по координатам, через
которые проходят частицы после их отклонения в электрическом или
магнитном поле.
Все эти методы основаны на процессе взаимодействия излучения с
веществом детектора и на прохождении его через электрические и
магнитные поля.
12.4 Спектрометры с линейным энергетическо–
амплитудным преобразованием
Для реализации этого метода необходимо использовать детекторы,
в которых амплитуда выходного сигнала пропорциональна энергии
измеряемых частиц или квантов. Помимо линейного (или
квазилинейного) коэффициента преобразования энергии – амплитуда
в детекторе необходимо обеспечить также полную передачу энергии
частиц или квантов чувствительному элементу (полное поглощение
энергии).
Тогда
распределение
f(E)
будет
однозначно
соответствовать распределению f(А). Измерительные устройства
спектрометра должны обеспечить измерение амплитудного спектра
сигналов с детектора и представление распределения φ(A). Для
линейной связи распределений f(E) и φ(A) необходимо использовать
детекторы, в которых коэффициент преобразования энергии E в
амплитуду сигнала А не зависит от величины энергии (т. е. с малой,
нелинейностью
коэффициента
преобразования
Е
А).
Для
достижения
лучшего
энергетического
разрешения
нужно,