Гамма-спектрометрия является одним из основных методов исследования ядерных процессов и состава радиоактивных веществ. Она основана на измерении энергии и интенсивности гамма-квантов, испускаемых радиоактивными ядрами при их распаде или ядерных реакциях. Метод позволяет выявлять изотопный состав вещества, определять активность радионуклидов и проводить качественный и количественный анализ материалов.
Гамма-кванты представляют собой электромагнитное излучение высокой энергии (от нескольких кэВ до десятков МэВ), которое характеризуется высокой проникающей способностью. Основные механизмы взаимодействия гамма-лучей с веществом:
Фотоэффект – полное поглощение фотона с выбиванием электрона из атомной оболочки. Энергия фотона полностью передается электрону, а вероятность процесса сильно зависит от атомного номера поглощателя.
Комптоновское рассеяние – частичное передача энергии фотона электрону с изменением направления и уменьшением энергии фотона. Этот процесс преобладает для гамма-лучей средней энергии и является основной причиной образования непрерывного фона в спектрах.
Производство электрон-позитронных пар – возникает при энергии фотона, превышающей 1,022 МэВ, когда фотон превращается в пару электрон-позитрон в поле ядра.
Понимание этих процессов критично для правильной интерпретации гамма-спектров и выбора оптимальных детекторов.
Основными детекторами для гамма-спектрометрии являются:
Сцинтилляционные детекторы – используют сцинтилляционные кристаллы (NaI(Tl), CsI(Tl), LaBr₃). При прохождении гамма-кванта кристалл испускает световой импульс, который преобразуется фотоумножителем в электрический сигнал. Преимущества: высокая чувствительность, возможность работы с большими энергиями. Недостаток: относительно низкое энергетическое разрешение (около 7–10 % на линии 662 кэВ).
Полупроводниковые детекторы – на основе кремния (Si) или германий (Ge(Li), HPGe). Электроны, выбиваемые гамма-квантами, создают электрический сигнал, пропорциональный энергии фотона. Отличаются высоким энергетическим разрешением (до 0,2 %), что позволяет детально исследовать спектры с близкими линиями. Недостаток: требование к криогенной или низкотемпературной эксплуатации для германиевых детекторов.
Газовые детекторы – газоразрядные камеры, счётчики Гейгера–Мюллера. Обеспечивают лишь подсчет частиц, но не дают высокой энергетической информации, поэтому применяются в основном для радиационного контроля.
Гамма-спектр представляет собой график числа зарегистрированных событий (ось Y) в зависимости от энергии фотонов (ось X). Он состоит из следующих компонентов:
Фотоэлектронные пики – узкие линии на спектре, соответствующие полному поглощению энергии гамма-кванта в детекторе. Эти пики позволяют точно идентифицировать радионуклиды по известным энергиям гамма-излучения.
Комптоновский континуум – непрерывный фон под пиками, обусловленный комптоновским рассеянием.
Пик аугера и эскейп-пики – возникают при побочных процессах, таких как выбивание К-электрона с последующим испусканием характерного рентгеновского фотона или уход фотона из детектора.
Энергетическое разрешение детектора, выражаемое как отношение ширины пика на половине высоты (FWHM) к энергии гамма-кванта, является ключевым параметром для качественного анализа.
Для точного количественного анализа гамма-спектры подлежат калибровке:
Энергетическая калибровка – осуществляется с помощью стандартных источников с известными энергиями гамма-линий (например, ^137Cs, ^60Co). Позволяет перевести канал детектора в энергетическую шкалу.
Калибровка по эффективности – определяет вероятность регистрации гамма-квантов данной энергии. Необходима для расчета активности радионуклидов.
Анализ спектров включает идентификацию пиков по известным энергиям, выделение фоновых процессов и расчет активности радионуклидов. Для сложных спектров применяются методы деконволюции и многопикового фитирования.
Современная гамма-спектрометрия развивается в направлении:
Развитие методов цифровой обработки сигналов позволяет уменьшить влияние фонового шума, повысить точность измерений и проводить онлайн-мониторинг радионуклидного состава сложных образцов.