Физические основы гамма спектрометрии

Задачу детектирования гамма квантов решают посредством сведе́ния её к хорошо разработанным методам детектирования заряженных частиц [1, 2, 3], возникающих при взаимодействия гамма квантов с веществом.

Имеются три вида взаимодействий гамма излучения с веществом [1, 2, 3], в которых появляются быстрые электроны:

- рассеяние гамма квантов на электронах (Комптон эффект),

- поглощение гамма квантов атомом (фотоэффект),

- образование электрон-позитронных пар.

Вероятность взаимодействия характеризуют линейным коэффициентом поглощения

, (2.1)

где μ_к, μ_п и μ_фэ, соответственно, парциальные линейные коэффициенты поглощения гамма квантов вследствие Комптон эффекта, образования электрон-позитронных пар и фотоэффекта. Эти коэффициенты зависят от энергии гамма квантов Е_γ, концентрации ядер N и заряда ядер Z:

(2.2)

при Е_γ > 1,02 МэВ (2.3)

(2.4)

Комптон эффект – рассеяние гамма квантов наэлектронах При рассеянии энергия гамма кванта лишь частично передается электронам отдачи, энергия которых Е_е, в зависимости от параметра удара, попадает в диапазон от 0 до некоторого максимального значения Е_е^макс<Е_γ.

Образование электрон - позитронной пары возможно при Е_γ >1,02 МэВ. Кинетическая энергия электрона и позитрона Е_е-р = Е_γ - 1,02 МэВ выделяется в детекторе. Замедленный позитрон аннигилирует с электроном. Энергия аннигиляции выделяется в виде двух аннигиляционных фотонов с энергией 511 кэВ, разлетающихся в противоположных направлениях. В зависимости от степени поглощения аннигиляционных фотонов в детекторе будет выделяться энергия в диапазоне от Е_e-р до Е_γ.

Фотоэффект – поглощение гамма кванта электроном, находящимся в поле ядра, сопровождающееся выбиванием электрона с одной из низколежащих электронных оболочек (например, К оболочки) атома. Энергия выбитого электрона Е_е = Е_γ - W_e меньше энергии гамма кванта Е_γ на величину энергии связи электрона на этой оболочке W_e. Освободившаяся вакансия замещается электроном с вышерасположенных оболочек. Энергия связи замещающего электрона высвобождается посредством испускания электронов Оже или характеристического рентгеновского излучения. Эти фотоны также могут поглощаться на более высоких атомных оболочках. Суммарная кинетическая энергия электронов, образовавшихся в этих процессах, практически равна энергии гамма кванта Е_γ.

Вышесказанное позволяет сделать вывод, что фотоэффект – предпочтительный процесс взаимодействия гамма кванта с веществом для определения его энергии. Для обеспечения максимальной вероятности фотоэффекта (2.4) в детекторе гамма квантов следует использовать вещество с бо́льшим зарядом ядра Z.