СПОСОБ ГАММА СПЕКТРОМЕТРИИ Российский патент 2014 года по МПК G01V5/04 

Изобретение относится к области прикладной гамма-спектрометрии и может быть использовано в экологии, геологии, геохимии.

Известен способ гамма-спектрометрии (например, патент RU 2159451), при котором интенсивность линии определяют по площади пика полного поглощения линии в детекторе. Техническим недостатком такого способа является то, что вероятность регистрации детектором линии в пике полного поглощения в гамма-области излучения мала, что обуславливает большую величину статистической погрешности, связанной с флуктуациями счета импульсов.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ, реализованный в патенте UK 3291992. В этом патенте реализован способ, заключающийся в том, что для измерения интенсивности линии излучения используются два детектора (германиевый и кремниевый) разной толщины, установленные рядом, а результирующий спектр получают вычитанием из спектра излучения, зарегистрированного детектором с большим Z спектра излучения, зарегистрированного детектором с меньшим Z. Техническим недостатком такого способа является то, что вероятность регистрации детектором линии в пике полного поглощения в гамма-области излучения мала, что обуславливает большую величину статистической погрешности, связанной с флуктуациями счета импульсов.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение величины статистической погрешности, связанной с флуктуациями счета импульсов, за счет учета регистрации импульсов в низкоэнергетическом горбе потерь, возникающем в области низких энергий регистрируемого излучения при комптоновском рассеянии гамма-фотона в детекторе с последующим выходом рассеянного фотона из детектора.

На Фиг.1 представлена зависимость массовых коэффициентов фотопоглощения (тонкая линия) и комптоновского рассеяния (толстая линия) Ge в зависимости от энергии излучения. Из рисунка видно, что в гамма-области излучения основным процессом, приводящим к поглощению фотона, является комптоновское рассеяние, при этом существует значительная вероятность того, что после комптоновского рассеяния фотон покинет детектор.

В результате взаимодействия фотона с веществом детектора [3], фотон, попавший в детектор с энергией Е₀, может быть полностью поглощен, преобразовавшись в поток электронов, которые в дальнейшем дадут импульс тока с зарядом Q₀=C*E₀ (С - коэффициент пропорциональности), и будет зарегистрирован аппаратурой как импульс напряжения, соответствующий E₀. В то же время фотон может быть рассеян веществом детектора, и может покинуть его с энергией E_det__out. Тогда оставшиеся в детекторе свободные электроны будут зарегистрированы как фотон с энергией E_det′=E₀-E_{det_out}. В этом случае при регистрации образуются пик потерь в результате фотопоглощения с последующей флуоресценцией и горб потерь в результате комптоновского рассеяния. В гамма-области излучения наиболее вероятными процессами являются регистрация фотона в пике полного поглощения и в горбе потерь в результате комптоновского рассеяния фотона, причем более вероятным событием является регистрация в горбе потерь. Это обуславливает возможность использования подобных событий для уточнения результатов измерения интенсивности спектральной линии.

Для численной оценки результатов многократных взаимодействий излучения с веществом детектора может быть использован метод Монте-Карло, который позволяет учесть геометрические особенности детектора и возможность многократных взаимодействий.

На Фиг.2 показаны зависимости вероятности полного поглощения энергии фотона в детекторе Рпп (тонкая непрерывная линия), регистрации фотона в горбе потерь Ргп (толстая непрерывная линия) для Ge детектора толщиной 5 мм от энергии фотона. Из Фиг.2 видно, что в области энергий фотона примерно 250 кэВ для Ge детектора вероятность регистрации в горбе потерь будет выше, чем вероятность регистрации в пике полного поглощения.

На Фиг.3 показана структура функции отклика Ge детектора в гамма-области излучения: пик полного поглощения энергии фотона в детекторе (непрерывная линия), горб потерь (пунктирная линия). Функция отклика детектора К_дет(Е₀, Е) есть вероятность регистрации сигнала с амплитудой, соответствующей энергии Е при попадании в детектор фотона с энергией Е₀.

В случае полного поглощения энергии фотона в детекторе он будет зарегистрирован в пике полного поглощения с энергией E₀, в случае комптоновского рассеяния с выходом рассеянного фотона из детектора - в горбе потерь с энергией от 0 до максимальной энергии электронов отдачи

При рассмотрении спектра, регистрируемого детектором, обычно к сигналу относят часть спектра, регистрируемую в пиках полного поглощения, а часть спектра, регистрируемую в горбе потерь, относят к мешающему фону. Однако эта часть спектра (горб потерь) также несет информацию об интенсивности регистрируемой спектральной линии и может использоваться для уточнения информации об интенсивности регистрируемой спектральной линии, поскольку интенсивность регистрации в этой области спектра выше, чем вероятность регистрации в пике полного поглощения.

Исходя из сказанного выше, становится возможным следующий способ гамма-спектрометрии, заключающийся в последовательности действий со спектром, зарегистрированным гамма-спектрометром:

1. Расчет или измерение вероятностей регистрации спектральной линии в области пиков полного поглощения и горба потерь;

2. Измерение энергии спектральной линии Е₀;

3. Вычисление максимальной энергии электронов отдачи E_комп__эл__max(E₀);

4. Измерение площади горба потерь;

5. Вычисление интенсивности падающего на детектор излучения с энергией Е₀ как отношения измеренной интенсивности регистрации излучения в горбе потерь к вероятности регистрации данной линии с энергией Е₀ в области горба потерь.

Техническим результатом является уменьшение статистических флуктуаций счета импульсов.

Литература

1. Патент RU 2159451, 1997.

2. Patent UK 3291992, 1966.

3. Портной А.Ю. Метод оценки энергетических и пространственных параметров рентгеновских и гамма-детекторов//Научное приборостроение, 2009, т.19, №4, 13-23.

Способ гамма-спектрометрии, заключающийся в измерении энергии и интенсивности линии гамма-излучения, регистрируемого полупроводниковым детектором, отличающийся тем, что для измерения энергии используется положение пика линии, а для измерения интенсивности этой линии - интенсивность регистрации этой спектральной линии в горбе потерь (т.е. области спектра регистрируемого излучения с энергией от нуля до максимальной энергии электронов отдачи), возникающем при комптоновском рассеянии гамма-фотона в детекторе с последующим выходом рассеянного фотона из детектора. Техническим результатом является уменьшение статистических флуктуаций счета импульсов. 3 ил.

Способ гамма-спектрометрии, заключающийся в расчете или измерении вероятностей регистрации спектральной линии в области пиков полного поглощения и горба потерь, измерении энергии и интенсивности линии гамма-излучения, регистрируемого полупроводниковым детектором, отличающийся тем, что для измерения энергии используется положение пика полного поглощения линии, а для измерения интенсивности этой линии - отношение измеренной интенсивности регистрации этой спектральной линии в горбе потерь (т.е. области спектра регистрируемого излучения с энергией от нуля до максимальной энергии электронов отдачи), возникающем при комптоновском рассеянии гамма-фотона в детекторе с последующим выходом рассеянного фотона из детектора к вероятности регистрации данной линии c измеренной энергией в области горба потерь.