Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия ((4He{2+})), испускаемых радиоактивными нуклидами с коротким пробегом в веществе и высокой линейной энергией потери ((LET)). Основной особенностью альфа-частиц является их высокая ионизирующая способность, что позволяет регистрировать отдельные события с минимальной вероятностью пропуска. Энергетический диапазон альфа-частиц обычно составляет от 4 до 9 МэВ, что позволяет дифференцировать различные радионуклиды по их характерной энергии испускания.
Принцип спектрометрии основан на измерении кинетической энергии отдельных альфа-частиц, испускаемых ядерными изотопами, с высокой разрешающей способностью. Высокая энергоразрешающая способность альфа-спектрометров позволяет различать нуклиды с близкими энергиями альфа-излучения, например (^{238}U) и (^{234}U).
Силиконовые поверхностные детекторы (PIPS, SSD) являются наиболее распространёнными. Они обеспечивают прямое преобразование энергии альфа-частицы в электрический сигнал с минимальными потерями. Толщина детектора выбирается с учётом пробега альфа-частиц (обычно 300–500 мкм), что исключает их полное поглощение внутри детектора и сохраняет линейность энергетической шкалы.
Газонаполненные детекторы (например, ионизационные камеры или пропорциональные счётчики) применяются реже из-за ограниченной энергии разрешения, но обладают высокой стабильностью и допускают измерение интенсивности с высокой статистической точностью.
Для получения высококачественного спектра требуется тонкий слой радиоактивного вещества на подложке, толщиной, не превышающей пробег альфа-частиц в материале. Пробы готовят методами осаждения на металлические или стеклянные подложки, либо методом электролитического осаждения на тонкие фольги. Толщина осадка должна обеспечивать минимальное затухание альфа-частиц и избегать самоабсорбции. Важным этапом является очистка и концентрирование изотопов с использованием радиохимических методов, таких как ионный обмен или экстракция.
Калибровка спектрометра проводится с использованием стандартных альфа-источников, например (^{241}Am), (^{239}Pu), (^{244}Cm). Ключевой параметр — соответствие между амплитудой электрического сигнала и энергией альфа-частицы. Высокая стабильность калибровки обеспечивает точность определения энергии в пределах 10–20 кэВ.
Разрешающая способность ((R)) определяется как отношение ширины пика на полувысоте ((FWHM)) к энергии альфа-частицы:
[ R = %]
Типичные значения FWHM для силиконовых детекторов составляют 15–25 кэВ, что позволяет чётко разделять пики, различающиеся на 50–100 кэВ. Факторы, влияющие на разрешающую способность, включают качество детектора, толщину осадка и стабильность электрической схемы.
Альфа-частицы теряют энергию при прохождении через воздух, подложку или покрытие пробы. Потери энергии рассчитываются по формуле Бете–Блоха или измеряются экспериментально. Для минимизации потерь спектрометры оснащают вакуумной камерой с давлением порядка (10{-2})–(10{-3}) мм рт. ст. Это позволяет практически исключить затухание альфа-частиц и улучшить разрешение пиков.
После регистрации альфа-спектра проводится идентификация пиков по энергии и интегрирование площади под пиком для количественного анализа. Используются методы де-конволюции для разделения перекрывающихся пиков, статистическая обработка для оценки погрешностей и коррекция фона, включая естественный радиационный фон и космическое излучение. Современные системы оснащены программным обеспечением, позволяющим автоматически строить спектры, идентифицировать пики и вычислять концентрацию радионуклидов с учётом коэффициентов детекции.
Альфа-спектрометрия применяется для анализа тяжелых элементов: урана, плутония, тория, америция и других трансурановых элементов. Метод позволяет проводить исследование ядерных материалов, мониторинг окружающей среды, радиоактивных отходов, а также оценку содержания изотопов в биологических и геологических объектах. Особое значение имеет возможность высокоточного определения соотношения изотопов для изотопного датирования и радиохимического контроля.
При низких уровнях активности требуется увеличение времени накопления и использование детекторов с низким фоновым шумом. Дополнительно применяются методики подавления фона: экранирование свинцом, антикосмические сцинтилляционные счётчики и детекторы с антикоинцидентной схемой. Для количественного анализа малых количеств используют методы предварительного концентрирования и очистки, что повышает отношение сигнал/фон до допустимых значений для точного измерения.
Регулярная проверка энергетической калибровки, стабильности детектора и статистическая обработка данных обеспечивает высокую воспроизводимость результатов. Важным аспектом является учет фонового излучения, самоабсорбции и потерь на подложках. Современные альфа-спектрометры обеспечивают точность измерения содержания радионуклидов до 1–5% при средней активности пробы.