Гамма-спектрометрия — методика изучения энергетического спектра гамма-излучения радиоактивных изотопов с целью количественного и качественного анализа радионуклидов. Гамма-кванты, являясь электромагнитным излучением высокой энергии, не обладают зарядом и сравнительно малой массой, что обеспечивает им высокую проникающую способность. Это позволяет проводить спектрометрический анализ без сложной химической подготовки проб, что отличает гамма-спектрометрию от методов анализа альфа- и бета-излучения.
Ключевые параметры гамма-спектров:
Наиболее часто используются сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.
Сцинтилляционные материалы (NaI(Tl), CsI(Tl), пластмассовые сцинтилляторы) при взаимодействии с гамма-квантами испускают световые вспышки. Фотокатод фотоумножителя преобразует свет в электрический сигнал. Преимущества: высокая эффективность регистрации, возможность работы с большими энергиями. Ограничения: относительно низкая энергетическая разрешающая способность (5–10% для NaI(Tl) при 662 кэВ).
Наиболее распространены детекторы на основе германия с высокой чистотой (HPGe). При поглощении гамма-кванта создаются электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля формируют токовый сигнал. Преимущества: высокая энергетическая разрешающая способность (0,1–0,2% при 1,33 МэВ), возможность точной идентификации изотопов. Требуют охлаждения жидким азотом.
Для точной идентификации пиков спектра проводится калибровка детектора по энергии. Используются стандартные источники с известными гамма-линиями (например, (^{60})Co, (^{137})Cs, (^{152})Eu). Калибровка строится на зависимости канала анализатора от энергии, обычно аппроксимируемой линейной функцией с возможной небольшой квадратичной поправкой. Энергетическая точность критична при анализе сложных смесей радионуклидов.
Разрешающая способность детектора определяется шириной пика на половине его высоты (FWHM, Full Width at Half Maximum). Она зависит от:
Высокая разрешающая способность позволяет отделять близкие по энергии гамма-линии, что важно при наличии спектров с перекрывающимися изотопами.
Абсолютная эффективность (()) — отношение числа зарегистрированных квантов к числу излученных квантов. Относительная эффективность — сравнение с эталонным детектором (обычно NaI(Tl) 3”×3”).
Эффективность зависит от:
Расчёт эффективности часто осуществляется экспериментально с помощью стандартных образцов.
Гамма-излучение взаимодействует с веществом через:
Необходимо учитывать поправки на:
Современные гамма-спектрометры состоят из детектора, предварительного усилителя, мультиканального анализатора (MCA) и программного обеспечения. Обработка спектров включает:
Методы анализа могут быть:
Гамма-спектрометрия позволяет неразрушающе определять состав и активность радиоактивных материалов с высокой точностью, что делает её незаменимым инструментом в радиохимии.