Энергетические спектрометры

Характерные области применения. Измерения энергетических распределений наиболее распространены в спектрометрии ионизирующих излучений – как в научных исследованиях, так и в лабораторно–производственной практике.

В экспериментальной ядерной физике энергетические спектрометры необходимы для проведения широкого круга измерений, связанных с фундаментальными исследованиями: определением сечения взаимодействия частиц или квантов, изучением, ядерных реакций и механизма деления, идентификацией новых элементов, возникающих в реакциях, по испускаемому ими излучению, изучением энергетических уровней ядер в процессе радиоактивных превращений и т. п. Многие исследования проводят на ускорителях заряженных частиц, что обусловливает широкий диапазон измеряемых энергий частиц и квантов. Значительная группа экспериментов выполняется на импульсных нейтронных потоках; так определяют сечения взаимодействия нейтронов с различными ядрами, рассеяние нейтронов разной энергии на различных мишенях и т. п. Таким образом, в число необходимой аппаратуры входят спектрометры энергии γ– ирентгеновского излучений (сопровождающего внутреннюю конверсию возбужденных ядерных уровней продуктов распада), спектрометры электронов (β -частиц), протонов, тяжелых заряженных частиц (в том числе α -частиц) и спектрометры нейтронов.

В исследованиях космического пространства и в работах по физике плазмы энергетические спектрометры являются основными приборами. Значительная часть экспериментов, проводимых с искусственных спутников Земли и космических кораблей, связана с измерениями радиации и, в частности, с определением; энергетического распределения потоков частиц и квантов в околоземном и межпланетном пространствах. Аппаратура, используемая в космических исследованиях, должна измерять энергию в широком диапазоне величин (от десятков электронвольт до 1000 МэВ и выше) при значительной вариации плотностей потоков. Объектом измерения служат заряженные частицы – электроны, протоны, ионы гелия и более тяжелые ионы, а также нейтральные частицы (нейтроны, молекулярные потоки) и электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, рентгеновское и γ -излучения). В плазменных исследованиях измеряют энергетические распределения потоков частиц и квантов, испускаемых плазмой.

Для различных анализов во многих областях науки и техники используют радиометрические измерения по отдельным компонентам излучения: частицам или квантам, обладающим фиксированной энергией и обусловленным распадом некоторых изотопов. Подобные измерения проводят для определения содержания отдельных изотопов или их соотношения по α -, β - и γ -излучениям в диапазоне энергий до нескольких мегаэлектронвольт. Отработка методик определения изотопов в препаратах, выбор оптимальных условий измерения, оценка влияния вещественного состава препаратов на результаты определений тесно связаны с измерениями энергетических распределений излучения, испускаемого препаратами.

Энергетические спектрометры широко используют также для решения прикладных задач в лабораторно–производственной практике. Например, такая аппаратура необходима в медицинских исследованиях для определения содержания естественных и искусственных радиоактивных изотопов в теле человека и их идентификации. Подобные измерения, основанные, как правило, на спектрометрии γ -излучения, непосредственно связаны с выявлением концентрации радиоактивных веществ в организме и обеспечением радиационной безопасности. Для обеспечения радиационной безопасности необходимо также определение качества излучения и дозовых эквивалентов, выполняемое на основе измерения энергетического распределения действующих потоков излучения – заряженных частиц, нейтронов, γ- квантов и рентгеновских лучей.

Измерение энергетического распределения излучения (чаще всего γ -излучения) используют для идентификации изотопов и определения их содержания в отбираемых пробах для выявления недостатков технологических процессов на атомных предприятиях, для контроля за степенью выгорания твэлов и т. п. Наконец, часто при определении содержания определенных изотопов (особенно по β - и γ -излучениям) идентификация затрудняется наличием дополнительного тормозного излучения, возникающего при поглощении β -частиц в веществе пробы и стенках контейнера, наложением непрерывных комптоновских распределений и др.; для выделения определенного пика приходится обрабатывать спектр (часто машинным методом), для чего необходимо определить энергетическое распределение излучения, испускаемого препаратом, в некотором интервале энергий.