Оценка хирургических гамма-детекторов для локализации сигнального лимфоузла при раке шейки матки и влагалища. Детекторы для гамма-спектрометрии Характеристики детекторов гамма излучения

Изобретение относится к области спектрометрической регистрации рентгеновского и мягкого гамма-излучения. Технический результат изобретения: повышение оперативности и достоверности гамма-спектрометрических исследований, обеспечение возможности получения аппаратурного спектра, не искаженного комптоновским распределением от фотопиков полихроматической смеси гамма-излучения различаемых радионуклидов. Сущность: детектор выполнен в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде в виде органического сцинтиллятора. Органический сцинтиллятор регистрирует комптоновские электроны. Также детектор содержит схему отбора, представляющую собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений. Схема отбора осуществляет отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах. 1 ил.

Изобретение относится к детекторам ионизирующего излучения, а именно к детекторам, предназначенным для спектрометрической регистрации гамма-излучения.

Основная область применения предлагаемого детектора - гамма-спектрометрический анализ смеси радиоактивных изотопов по их гамма-излучению для целей экологического мониторинга окружающей среды за выбросами предприятий атомной промышленности, изучения литологического состава почвогрунтов в сельском хозяйстве по концентрации естественных радионуклидов, радиобиологии, изотопных исследований в растениеводстве и медицине методом меченых атомов, геофизических исследований.

Одним из основных отрицательных факторов при регистрации гамма-квантов по величине энергии с помощью сцинтилляционных детекторов является сложный характер аппаратурного спектра, обусловленный регистрацией не только фотопика полного поглощения, но и гамма-квантов комптоновского рассеяния при неполном поглощении энергии фотоэлектронов. При этом вклад комптоновского рассеяния тем больше, чем меньше размеры детектора и его плотность.

Известно, что для снижения уровня комптоновского рассеяния в устройствах, регистрирующих ионизирующее излучение, используют два детектора, представляющие собой два кристалла йодистого натрия или йодистого цезия, причем, один из детекторов регистрирует само гамма-излучение, а другой фиксирует под определенным углом комптоновское излучение, рассеянное в первом кристалле и которое с помощью схемы совпадений вычитается из спектра первого детектора [см. журнал: Константинов И.Е., Страхова В.А. «Приборы и техника эксперимента», 5, 125 (1960)].

Основным недостатком таких устройств является низкая эффективность регистрации рассеянных гамма-квантов из-за малого угла его регистрации и вследствие этого низкий уровень вычитания комптоновского рассеяния в спектре рабочего детектора.

Некоторое повышение эффективности вычитания комптоновского рассеяния достигается использованием в качестве детектора рассеянного излучения кольцевого кристалла, окружающего рабочий [см. журнал: Бурмистров В.Р., Казанский Ю.А. «Приборы и техника эксперимента», 2, 26 (1957)].

Кроме того, использование двух и более детекторов вызывает необходимость применения такого же количества фотоэлектронных умножителей, что усложняет установку, увеличивает ее габариты и стоимость.

Известен детектор рентгеновского и мягкого гамма-излучений (а.с. СССР №1512339, кл. 5 G 01 T 1/20, 1988, прототип), выполненный в виде сцинтилляционного слоя поликристаллических сферических гранул в иммерсионной среде, помещенного между двумя оптическими стеклами. Иммерсионная среда выполнена на основе полимерной композиции с тиксотропной добавкой, составляющей 2-2,5 мас.%.

Недостатком данного детектора является невозможность исключения комптоновского рассеяния при регистрации ионизирующего излучения смеси радионуклидов, поскольку коэффициент преломления иммерсионной среды, в качестве которой обычно используют масла: вазелиновое, кедровое и др., близок к коэффициенту преломления неорганических сцинтилляторов, поэтому свет от сцинтилляционной вспышки, как результат взаимодействия ионизирующего излучения с сцинтиллятором, беспрепятственно проникает к фотоумножителю, и назначение данного детектора ограничивается лишь регистрацией рентгеновского и мягкого (низкоэнергетического) гамма-излучений.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в исключении мешающего влияния комптоновского рассеяния при регистрации гамма-излучения смеси радионуклидов сцинтилляционным детектором.

Поставленная в изобретении задача решена путем использования в качестве иммерсионной среды органического сцинтиллятора в детекторе гамма-излучения, выполненном в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде, в неорганическом сцинтилляторе происходят световые вспышки от гамма-излучения. Органический сцинтиллятор регистрирует комптоновые электроны, а схемой отбора, представляющей собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений, осуществляют отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является совмещение в одном оптически связанном объеме не просто сцинтиллирующих поликристаллических гранул и иммерсионной среды, а совмещение в одном оптически связанном объеме двух сцинтилллирующих материалов с различным временем высвечивания, что позволяет регистрировать возникающие вспышки фотоэлектронным умножителем с последующим разделением сигналов по форме импульсов, что обеспечивает выполнение дополнительной функции, которой не обладает прототип - подавление комптоновского рассеяния в аппаратурном спектре устройства.

Изображение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображена конструкция предлагаемого детектора.

Детектор гамма-излучения включает в себя слой поликристаллических сферических гранул 1 неорганического сцинтиллятора (йодистый натрий, йодистый цезий), которые погружены в жидкий оптически связанный с ними органический сцинтиллятор 2.

Оптимальный диаметр гранул 1 неорганического сцинтиллятора, рассчитанный по формуле Клейна-Нишины-Тамма, составляет 2-3 мм. Оба сцинтиллятора 1 и 2 заключены в корпусе 3 с оптически связанным с ними окном 4.

Схема отбора представляет собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений.

Работает детектор гамма-излучения следующим образом.

Световые вспышки от гамма-излучений происходят преимущественно в зернах 1 неорганического сцинтилятора, имеющего более высокую массовую плотность и которые имеют очень низкую эффективность взаимодействия с органическим сцинтиллятором 2, тогда как комптоновские электроны регистрируются органическим сцинтиллятором 2, имеющим гораздо более высокую эффективность регистрации электронов, чем гамма-квантов. Фотоэлектронный умножитель преобразует вспышки в электрические импульсы, длительность которых пропорциональна времени высвечивания, которое у неорганического сцинтиллятора 1 намного больше, чем у органического 2. Схемой отбора для регистрации отбираются только те импульсы, которые соответствуют вспышке в неорганическом сцинтилляторе 1. Исключение комптоновского распределения из аппаратурного спектра детектора достигается исключением из него импульсов, соответствующих одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтиляторах, когда органическим сцинтиллятором 2 регистрируются комптоновские электроны. Таким образом, в апппаратурном спектре остаются только фотопики полного поглощения энергии гамма-излучения.

Применение предлагаемого детектора значительно повышает оперативность и достоверность гамма-спектрометрических исследований как лабораторных, так и полевых, позволяя получить аппаратурный спектр, не искаженный комптоновским распределением от фотопиков полихроматической смеси гамма-излучения различных радионуклидов.

Детектор гамма-излучения, выполненный в виде слоя поликристаллических сферических гранул неорганического сцинтиллятора в оптически связанной с ним иммерсионной среде, в неорганическом сцинтилляторе происходят световые вспышки от гамма-излучения, отличающийся тем, что в качестве иммерсионной среды используют органический сцинтиллятор, регистрирующий комптоновские электроны, а схемой отбора, представляющей собой комбинацию дискриминатора формы импульсов и схемы антисовпадений, осуществляют отбор импульсов, соответствующих вспышке в неорганическом сцинтилляторе, причем из аппаратурного спектра исключают импульсы, соответствующие одновременно происходящим вспышкам в обоих сцинтилляторах.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучений и применяемых для их визуализации в томографии, микротомографии, радиографии, в системах таможенного контроля, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, а так же при телемеханическом мониторинге промышленных изделий и технологий.

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, предназначенной для регистрации -, -, - и рентгеновского излучения, и может быть использовано в радиационной технике, в дозиметрии, в ядерно-физических экспериментальных исследованиях, для контроля доз и спектрометрии -, -, - и рентгеновского излучения.

Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений, чувствительных к электронному и -излучению, предназначенных для определения энергии электронного и -излучения и применяемых в дозиметрической и таможенной практике для идентификации источников, электронного и -излучения, а также при работе с радиоизотопами в медицинской диагностике и терапии.

Изобретение относится к области детектирования и визуализации рентгеновского излучения и электронных пучков и может быть использовано в дозиметрической практике в системах радиационного мониторинга, особо в интроскопах медицинского назначения (томография, рентгенография, сцинтиграфия), а также в рентгеновских интроскопических системах неразрушающего радиационного контроля изделий автомобилестроения, кораблестроения, самолетостроения и ответственных элементов космической техники.

Изобретение относится к неорганическим сцинтилляционным материалам, предназначенным для регистрации тепловых нейтронов и пригодным для создания на их основе радиационных детекторов для радиоэкологического мониторинга территорий и акваторий, контроля космического и техногенного нейтронного фона, для создания комплексов технического контроля за первичным ядерным топливом и за изделиями из делящихся материалов.

Изобретение относится к области создания датчиков ионизирующих излучений в виде сцинтилляционных экранов высокого пространственного разрешения, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучения и применяемых для визуализации в томографии, микротомографии, радиографии высокого разрешения, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, в системах таможенного контроля, для телемедицинских приложений, телемеханического мониторинга промышленных технологий и в системах предпроцессорной визуализации излучений, передающих информацию специалистам через Интернет для последующей полной обработки.

Изобретение относится к области датчиков ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением, чувствительных к пучкам рентгеновского и электронного излучений и применяемых для их визуализации в томографии, микротомографии, радиографии, в системах таможенного контроля, в системах неразрушающего контроля промышленных изделий, а также при телемеханическом мониторинге промышленных изделий и технологий.

• Предпосылки: Сцинтиграфическое исследование сигнальных (сторожевых) лимфоузлов (СУ) при раке шейки матки и влагалища позволяет онкологу-гинекологу находить метастатические лимфоузлы в процессе лимфаденэктомии. Роль хирургических гамма-детекторов в концепции СУ в гинекологической онкологии состоит в локализации СУ как в процессе операции (интраоперационно), так и через кожу (транскутанно). Интраоперационные ручные коллимирующие гамма-детекторы всё больше используются для распознавания сигнальных лимфоузлов.
• Материалы и методы: Сравнительная оценка ручных гамма-детекторов: Neoprobe 1500, Europrobe, Gamma Finder ® , Gamma Ray Prospector GRP1 и GRP2 была выполнена с использованием различных методов обнаружения. Были выполнены лабораторные испытания, проведены оценки сенситивности (чувствительности), пространственного разрешения и ангулярной (угловой) сенситивности.
• Результаты: Результаты каждой гамма-пробы обобщались и обсуждались.
• Заключение: Информация о возможностях и недостатках гамма-проб должна рассматриваться в связи с выбором подходящего устройства.
• Ключевые слова: Интраоперационные гамма-детекторы, гамма-детекторы, сигнальный лимфоузел.

Введение

Лимфоузлы при раке шейки матки и влагалища могут быть идентифицированы с помощью радиоизотопов с синькой или комбинации обоих изотопов . Технология использования ручных детекторов для локализации препарированной ткани была впервые описана Майерсом (Myers) в 1960 г. , и в то же время термин «сигнальный лимфоузел» был впервые использован Ernest Gould и другими . В 1977 году Ramon Cabanas был первым, кто объединил два элемента этого приближения: лимфатическое картирование и идентификацию СУ . С тех пор оказался доступным широкий спектр ручных гамма-детекторов с различными материалами, различными размерами детекторов и коллиматоров. Гамма-детекторы для хирургического применения состоят из двух основных компонентов: ручного датчика, содержащего гамма-чувствительный кристалл с усилителем, и считывающего устройства. Отношение между количеством гамма-фотонов, входящих в детектор, и количеством обнаруженных фотонов отражает эффективность детектора в пробе. Это зависит от материала кристалла, его размеров и гамма-энергии. Базовая работоспособность пробы определяется пространственным разрешением, сенситивностью, линейностью скорости счёта и ангулярной сенситивностью.

Целью настоящего исследования является сравнение имеющихся гамма-детектоов и их ранжирование по способности локализации лимфоузлов.

Материал и методы

Измерения по сравнению нижеперечисленных ручных детекторов проводились в медицинской ядерной лаборатории:

• Neoprobe 1500 (Neoprobe Corporation, Dublin, Ohio, США)
• Europrobe (Eurorad, Sevres, Франция)
• Gamma Finder ® (W.O.M., Ludwigsstadt, Германия)
• Gamma Ray Prospector GRP1 (Технический университет Гданьска, Польша)
• Gamma Ray Prospector GRP2 (Технический университет Гданьска, Польша)

Ниже приводится краткое описание этих имеющихся на рынке устройств, включающее подробности их конструкции, методы обнаружения, имеющие значение для максимизации вероятности обнаружения:

• Neoprobe 1500, детектор 19 мм (Рис. 1)
  • тип детектора – кристалл CdTe
  • диапазон по энергопотреблению: от 20 до 150 кэВ
  • экранирование: вольфрамовый коллиматор с диаметром отверстия 9 мм
  • длина: 170 мм, диаметр 19 мм (25 мм – с внешним коллиматором)
• Europrobe, Детектор 1 (Рис. 2)
  • тип детектора – кристалл CSl(Tl) с лавинным фотодиодом (APD)
  • диапазон по энергопотреблению: от 110 кэВ до 1 МэВ
  • экранирование: вольфрамовый коллиматор с диаметром отверстия 6 мм
  • длина: 174 мм, диаметр 16 мм (19 мм – с внешним коллиматором)
• Europrobe, Детектор 2 (Рис. 2)
  • тип детектора – кристалл CdTe
  • диапазон по энергопотреблению: от 20 до 364 кэВ
  • экранирование: вольфрамовый коллиматор с диаметром отверстия 4 мм
• Gamma Finder ® (Рис. 3)
  • тип детектора – кристалл CdTe
  • диапазон по энергопотреблению: от 40 до 150 кэВ
  • экранирование: отсутствует, диаметр пробы 10 мм
  • длина: 165 мм, диаметр 11 мм (14 мм – с внешним коллиматором)
• Gamma Ray Prospector GRP1 и GRP2 (Рис. 4)
  • тип детектора – Nal(Tl) с фотоувеличителем (PMT)
  • диапазон по энергопотреблению: от 20 кэВ до 1 МэВ
  • экранирование: свинцовый коллиматор, диаметр отверстия 10 мм
  • проба GRP1 (ранняя версия)
  • длина: 170 мм, диаметр 25 мм
  • проба GRP2 (поздняя версия)
  • длина: 150 мм, диаметр 19 мм (25 мм – с внешним коллиматором)

Процедура проведения измерений

Все замеры производились с использованием различной активности technetium-99m в диапазоне от 0,185 до 18,5 МБк. Измерялись характеристики сенситивности, ангулярной сенситивности и пространственного разрешения. В Таблице 1 обобщены базовые характеристики типов детекторов, которые были использованы в гамма-пробах.

Таблица 1. Основные параметры детекторов различного типа

Испытание оборудования проводилось на technetium-99m с активностью 0,185 МБк и 18,5 МБк. Испытания включали три группы измерений:

• Испытание на сенситивность (чувствительность) – определение числа отсчётов по отношению к расстоянию между пробой и источником. Измерения проводились на трёх расстояниях: 30, 50 и 100 мм при времени собирания 1 с и активности источника 18,5 МБк. Расстояние 30 мм представляется наиболее типичным во время хирургической идентификации СУ в случаях рака влагалища, а расстояние 100 мм – в случаях парааортального обследования.
• Испытание на ангулярную сенситивность - определение числа отсчётов по отношению к степени отклонения от оси пробы при постоянном расстоянии от источника. Замеры проводились в диапазоне углов от -90° до +90° при времени собирания 1 с и активности источника 18,5 МБк.
• Измерение пространственного разрешения – определение способности пробы различать два близко друг к другу расположенных радиоактивных источника. Измерения проводились с использованием двух радиоактивных меток на стекле на расстоянии 15 мм, 20 мм и 25 мм от радиоактивного источника (0,185 МБк) при времени собирания 1 с. Схему проведённых измерений иллюстрируют Рис. 5-7.

Результаты

Измерения проводились в соответствии со схемами, приведёнными на Рис. 5-7. Результаты испытаний вне организма представлены в Таблице 2 и на Рис. 5-7. Таблица 2 показывает результаты сравнения чувствительности испытанных проб.

Наибольшая чувствительность получена на устройствах GRP, средняя - на Gamma Finder ® и Europrobe и наименьшая – на системе Neoprobe 19 мм.

Хотя GRP имеют наибольшую скорость счёта, максимальное ангулярное разрешение было показано на Europrobe 1, затем среднее разрешение продемонстрировали GRP1, GRP2 и Europrobe 2, минимальное было получено на Gamma Finder ® и Neoprobe 1500.

Для уточнения анализа пространственного разрешения использовался коэффициент качества (до самого низкого уровня), который представляет собой соотношение между числом отсчётов по фантомам к числу отсчётов между ними (Рис. 8-11). На расстоянии 15 мм Europrobe 1 продемонстрировала лучшие результаты, затем Europrobe 2, Gamma Finder ® и GRP2 (Рис. 9).

Для 20 мм аналогичные хорошие результаты были показаны Europrobe 1 и GRP2, затем Europrobe 2 и Gamma Finder ® (Рис. 10).

Для 25 мм лучшие результаты показаны GRP2, затем Europrobe 1, Europrobe 2 и Gamma Finder ® (Рис. 11).

Обсуждение

Распознавание СУ во время операции основано не только на визуальном осмотре лимфатического коллектора для обнаружения узлов с синькой, но и для оценки радиоактивного коллоида в СУ при использовании гамма-пробы . Проба с гамма-детектором стала стандартной при осуществлении лимфатического картирования. Такая процедура в настоящее время применяется при раке молочной железы и меланоме. Несколько групп исследователей оценивали эту технику также при раке щитовидной железы и гинекологических и нейроэндокринных опухолях . Это стало ценным инструментарием ядерной медицины и хирургии с идентификацией любого лимфоузла, получающего непосредственный лимфатический дренаж со стороны очага повреждения .

В соответствии с хирург и дозиметрист должны вместе работать над выбором операционной гамма-пробы, и необходимые для операции требования должны согласовываться с показателями имеющихся в продаже проб. Большинство испытанных проб удовлетворительно работали при лабораторных испытаниях. В рамках нашего исследования, в соответствии с оценкой врачей, Europrobe показала наилучшие эргономические качества. При анализе сенситивности лучший результат показала GRP2. Сенситивность является важным фактором при распознавании лимфатических узлов с низким накоплением или при глубоком размещении и для снижения активности вводимых радионуклидов, уменьшения дозы радиации, поглощаемой пациентами и персоналом, участвующими на всех стадиях в процедурах СУ-технологии. Безопасность является ключевым фактором в процессе выбора оборудования.

Различие результатов оценки сенситивности объясняется различными типами датчиков, применяемых в детекторах. Наибольшую сенситивность показала детекторы с сцинтилляционным счётчиком Nal(Tl) с фотоэлектронным умножителем (PMT), затем следовали детекторы с использованием Csl(Tl) с усовершенствованным фотоприёмником (APD) и датчиками c кристаллом CdTe (Таблица 2). Несмотря на хорошую сенситивность датчика, Csl(Tl) + APD Europrobe показала немного более низкую степень распознаваемости, чем Gamma Finder ® . Это скорее всего связано с конструкцией коллиматора Europrobe. Neoprobe 1500 дала самое низкое число отсчётов. Это могло быть связано с его ранним внедрением и, по сути дела, это – наиболее старая модель в проводимом сравнении.

Те же исследователи предлагают считать, что для достижения пространственного разрешения требуется угловое (ангулярное) разрешение. Несмотря на то, что в нашем исследовании Gamma Finder ® давала хорошее пространственное разрешение, сравнимое с Europrobe 2 (Рис. 9), её угловое разрешение было самым низким (Рис. 8). Несмотря на отсутствие информации о подробностях конструкции датчика, по результатам можно рекомендовать малый кристалл CdTe, размещаемый близко к активной поверхности детекторы с простым экранированием по краю.

Эта особенность может особенно хорошо использоваться для распознавания малых радиоактивных источников (горячие узлы) при близком контакте. Поэтому Gamma Finder ® предполагается к использованию для оценки состояния СУ при раке щитовидной железы, женских половых органов, молочной железы или при меланомах. Её размеры могут привести в процессе идентификации СУ к осложнениям внутри брюшной полости, особенно в области таза, при наличии рака шейки матки или прямой кишки. Хорошее угловое разрешение было получено с помощью технологически усовершенствованных вольфрамовых коллиматоров в Europrobe 1, при использовании высокочувствительных датчиков и качественном экранировании. Наиболее низкие показатели были отмечены у Gamma Finder ® с неуточнённым типом коллиматора (возможно, простой конструкции).

Детекторы с хорошим экранированием и усовершенствованным коллиматором обеспечивали наилучшую угловую чувствительность. Это необходимо при глубокой локализации СУ, парааортальных СУ, или в случаях, когла СУ расположен вблизи емкости с инжектируемым веществом. Максимальное пространственное и угловое разрешение было продемонстрировано Europrobe 2 (детектора 16 мм), затем GRP2 (Рис. 7-11). Результаты по пространственному разрешению были непосредственно связаны с конструкцией коллиматора в детекторах. На расстоянии 15 мм видны преимущества усовершенствованного коллиматора, использованного в Europrobe 1; на расстоянии более 20 мм подходят дешёвые свинцовые коллиматоры. Плохие результаты GRP2 объясняются относительно большим (10 мм) диаметром отверстия коллиматора. Использование коллиматора с диаметром отверстия 5 мм даёт результаты, сопоставимые с Europrobe. Недостатком является низкая сенситивность, хотя она всё же выше, чем у Europrobe 1.

При дальнейшем рассмотрении и принятии решения в гинекологии о выборе ручных детектор для обнаружения СУ важным параметром может стать ценовая эффективность. Можно с лёгкостью показать, что выбор GRP2 является интересным решением при анализе её хороших показателей в сочетании с низкой стоимостью.

После проведения лабораторного исследования мы можем заключить, что успешное обнаружение СУ в хирургии может зависеть от качества работы ручной гамма-детекторы. В области гинекологической онкологии особенно важно иметь детектору с оптимальными рабочими характеристиками – такими как угловое разрешение, чувствительность и соответствующие эргономические параметры. Перед выбором детекторы следует оценить информацию о возможностях гамма-детекторы и внутриоперативных ограничениях.

Перечень иллюстраций

• Рис. 1. Детектор с датчиком Neoprobe, диаметр 19 мм с коллиматорами
• Рис. 2. Детектор с датчиком Europrobe, диаметр 16 мм – на фото справа, диаметр 14 мм – на фото слева
• Рис. 3. Беспроводной Gamma Finder ®
• Рис. 4. Детектор с гаммалучевым датчиком для исследований, GRP1, объединённый с коллиматором (на фото сверху); GRP2 и коллиматор (на фото снизу)
• Рис. 5. Геометрические параметры при проведении измерений чувствительности
• Рис. 6. Геометрические параметры при проведении измерений угловой чувствительности
• Рис. 7. Геометрические параметры при проведении измерений пространственного разрешения
• Рис. 8. Угловое разрешение для испытанных детектор
• Рис. 9. Пространственное разрешение с воображаемыми горячими узлами на расстоянии 15 мм
• Рис. 10. Пространственное разрешение с воображаемыми горячими узлами на расстоянии 20 мм
• Рис. 11. Пространственное разрешение с воображаемыми горячими узлами на расстоянии 25 мм

Рис.7. Блок-схемы спектрометрических детекторов

1) Сцинтилляционные. 2) Полупроводниковые.

Сцинтилляционные детекторы представляют собой кристалл-сцинтиллятор, оптически связанный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Чаще всего в качестве сцинтиллятора используется монокристалл иодида натрия, активированный таллием NaI(Tl); применяют также кристаллы CsI(Tl) и Bi 4 Ge 3 O 12 . Электроны (позитроны), появляющиеся при прохождении потока γ-квантов через кристалл, ионизируют и/или возбуждают большое число атомов. Максимальный пробег этих частиц, как правило, заведомо меньше размеров кристалла и практически вся кинетическая энергия передается сцинтиллятору. Основная часть энергии возбуждения трансформируется в тепловую, часть – высвечивается: число световых фотонов составляет в среднем 10÷100 на 1 кэВ поглощенной энергии γ-излучения. При этом доля энергии возбуждения, преобразуемой в световые импульсы, – величина постоянная для данного кристалла. Поэтому число фотонов, составляющих отдельную сцинтилляцию, пропорционально кинетической энергии заряженных частиц, т.е. доле энергии γ-кванта, переданной кристаллу. Вспышки света, попадая на фотокатод ФЭУ, вызывают эмиссию электронов, которые в электрическом поле ускоряются и попадают на первый динод. Поток электронов, проходя систему динодов, увеличивается лавинообразно примерно в 10 5 ÷10 7 раз, и электрический импульс с анода ФЭУ поступает в регистрирующую аппаратуру. Количество электронов в лавине пришедших на анод, пропорционально числу электронов, выбитых с фотокатода, что, в свою очередь, определяется интенсивностью световых вспышек. Таким образом, амплитуды сигналов (импульсов) на выходе ФЭУ пропорциональны энергии, передаваемой γ-квантами атомам сцинтиллятора в первичных процессах. Развитие электронной лавины и формирование сигнала на аноде ФЭУ занимает 10 − 9 ÷10 − 8 с. Этот период меньше времени высвечивания фотонов неорганическими кристаллами (в случае NaI(Tl) ~2·10 − 7 с), которое определяет разрешающее время сцинтилляционных детекторов.

Действие полупроводниковых детекторов основано на ионизации рабочего вещества детектора (монокристалл кремния или сверхчистого германия) заряженными частицами, появляющимися при его γ-облучении. Средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары электрон-вакансия, составляет 2,9 и 3,8 эВ для германия и кремния, соответственно. Электроны (позитроны) при торможении внутри рабочего объема детектора создают большое число свободных носителей заряда (пар электрон – вакансия), которые под действием приложенного напряжения движутся к электродам. В результате во внешней цепи детектора возникает электрический импульс, пропорциональный поглощенной энергии γ-кванта. Этот сигнал затем усиливается и регистрируется. Большая подвижность носителей заряда в Ge и Si позволяет собрать заряд за время примерно 10 − 8 −10 − 7 с, что обеспечивает высокое временное разрешение полупроводниковых детекторов. Эти детекторы (как и сцинтилляционные) позволяют регистрировать высокие скорости счета без поправки на разрешающее время.

Исходя из выше изложенного при взаимодействии γ - квантов с веществом детектора происходят следующие эффекты:

Фотоэффект: γ- квант выбивает электрон с электронной оболочки атома и передает ему всю энергию.

Комптоновское рассеивание: γ- квант выбивает электрон и передает ему часть энергии. В результате образуется электрон и вторичный γ-квант, который может вылететь из детектора.

Образование пары электрон – позитрон: образуется пара е + и е - , при этом энергия γ-кванта уменьшается на 511 х 2 = 1022 кэВ.

Таким образом при попадании γ-кванта в детектор он может:

1) Полностью поглотиться в детекторе. При этом амплитуда электрического импульса будет пропорциональна энергии γ-кванта.

2) Потерять часть энергии в детекторе (комптоновское рассеивание или образование пары) и вылететь из детектора. Амплитуда электрического импульса пропорциональна той части энергии, которую γ-квант оставил в детекторе.

Позиция пика полного поглощения энергии (ППП) пропорциональна энергии γ-квантов. Можно построить зависимость позиции от энергии. Как правило, она линейна. Число импульсов, аккумулированных в каждом канале за время измерения t, подсчитывается и в результате получается аппаратурный спектр. Он представляет собой дискретное распределение, по оси абсцисс которого отложены номера каналов (амплитуды сигналов, энергия Е γ), а по оси ординат – число накопленных в каналах импульсов (рис.8).

Рис.8. Спектры 60 Co, полученные с помощью полупроводникового (HPGe) и сцинтилляционного (NaI) детекторов

Таким образов, амплитуды сигналов, поступающих на вход АЦП, измеряются, и в каждый канал попадают соответствующие ему импульсы с амплитудой v 1 ±Δv 1 , v 2 ±Δv 2 ,...v n ±Δv n , которая зависит от поглощенной детектором энергии E 1 ±ΔЕ 1 , E 2 ±ΔЕ 2 , … E n ±ΔЕ n . В дальнейшем эта гистограмма аппроксимируется плавной кривой с использованием той или иной математической модели, например, функции Гаусса.

Для того чтобы соотнести номера каналов значениям энергии γ-квантов, проводят калибровку спектрометра по энергии. С этой целью набирают спектры нескольких стандартных источников и в каждом спектре определяют номера каналов, отвечающие центрам пиков полного поглощения. Этим каналам присваивают соответствующие табличные значения Еγ (или Е Х) и проводят линейную аппроксимацию зависимости энергии от номера канала спектрометра n:

E γ = a +b⋅n (1)

Важной характеристикой детекторов, применяемых для спектрометрии излучений, является их относительное энергетическое (амплитудное) разрешение - отношение ширины фотопика на его полувысоте (W) к энергии кванта Е γ , соответствующей этому пику. Чем меньше значение W/Е γ , тем лучше разрешены линии аппаратурного спектра (рис.9).

Рис. 9. Относительное энергетическое (амплитудное) разрешение детектора

Ширина пика W отражает флуктуацию амплитуд сигналов на выходе детектора, обусловленную, главным образом, статистическим разбросом числа носителей заряда (n e). Чем больше образуется носителей заряда, тем меньше (по закону Пуассона) относительное среднеквадратичное отклонение δ=1/(n e) ½ и лучше амплитудное разрешение Статистические колебания амплитуд выходного импульса сцинтилляционного детектора обусловлены флуктуациями весьма небольшого числа электронов, выбитых с фотокатода и приходящих на первый динод ФЭУ, а полупроводникового – большого числа пар электрон-вакансия. Например, при поглощении в кристалле NaI энергии Е γ =600 кэВ на первый динод попадает менее 200 электронов, что дает ~7% разброс в величине выходного импульса. При поглощении γ-кванта такой же энергии в кристалле германия образуется ~ 20000 носителей заряда, что в конечном счете предопределяет значительно лучшее относительное энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов (W/Е γ =0,003÷0,009 в диапазоне 1000÷100 кэВ) по сравнению со сцинтилляционными (0,06÷0,1).

Некоторые радионуклиды на один акт распада излучают несколько γ-квантов. Например, при распаде Tl-208 могут одновременно образоваться два γ-кванта с энергиями 583 и 2614 кэВ. Если они оба попадут в детектор, то будут там зафиксированы как один γ-квант с энергией 583 + 2614 = 3197кэВ. Вероятность одновременного попадания γ-квантов в детектор особенно велика, когда проба размещается внутри детектора – в "колодце". В результате этого явления на спектрограмме появится пик с энергией равной сумме энергий двух γ-квантов. Этот пик называется пиком суммирования (рис.10).

Рис.10. Пик суммирования

Основные отличия сцинтилляционного детектора от полупроводникового следующие:

Полупроводниковый детектор обладает более высоким разрешением;

Позиция ППП для полупроводникового детектора не зависит от высокого напряжения, следовательно, меньший температурный и временной дрейф позиции ППП;

Сцинтилляционный детектор, как правило, обладает большей чувствительностью;

Сцинтилляционный детектор дешевле и более прост в эксплуатации.

Обычно гамма-излучение связано с предшествующими ему альфа- или бeта-распадами изотопов образца. Бета-, а тем более альфа-частицы обычно поглощаются, не доходя до чувствительных области детекторов.
В детекторах энергии и интенсивности гамма-квантов определяются не непосредственно, а с помощью вторичных заряженных частиц (электронов и позитронов), которые возникают в результате взаимодействия детектируемых гамма-квантов с веществом детектора.
Когда гамма-квант попадает в детектор, заряженные частицы образуются в результате трех процессов: фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электрон-позитронных пар. Фотоэффект пропорционален Z 5 , эффект Комптона
В результате фотоэффекта выбитый из атома электрон приобретает энергию

E e = E γ – E b – E r ,

где E γ – энергия гамма-кванта, E b – энергия связи электрона и E r – энергия ядра отдачи, которой можно пренебречь. Фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением или эмиссией оже-электронов. Характеристическое рентгеновское излучение в свою очередь вызывает фотоэффект. Образующиеся в результате всех этих процессов электроны возникают практически одновременно, они чаще всего поглощаются в детекторе и сигналы от них суммируются. Таким образом практически вся энергия гамма-кванта передается электронам.

В функции отклика детектора фотоэффекту соответствует пик – фотопик .
В результате комптоновского рассеяния электронам передается только часть энергии.

E e = E γ - E γ´ ,

где E γ и E γ´ – энергии гамма-квантов до и после рассеяния, E e – энергия фотоэлектрона, mc 2 – энергия покоя электрона, θ – угол рассеяния гамма кванта. Максимальная энергия, которая в результате комптоновского рассеяния может быть передана электрону (при θ = 180 о),

В детекторах большого объема часть рассеянных гамма-квантов может испытать еще одно или несколько неупругих взаимодействий, в результате которых вся энергия попавшего в детектор первичного гамма-кванта будет полностью поглощена. В связи с этим, фотопик обычно называют пиком полного поглощения . На рис.1 Показан экспериментальный спектр 137 Cs и его теоретическая "идеализация". Размытие пика полного поглощения и края комптоновского распределения связана с энергетическим разрешением системы.

Пик обратного рассеяния связан с комптоновским рассеянием на материалах, окружающих детектор под углом близким к 180 о, которые затем попадают в детектор и вызывают фотоэффект. Их энергия соответственно равна

На рис. 2 показана зависимости сечений фотоэффекта, эффекта Комптона и образования пар от энергии для германия и кремния.

От соотношения этих сечений зависит форма измеряемого спектра. Так при энергии 100 кэВ сечение фотоэффекта в Ge составляет ~55 барн/атом, а сечение эффекта Комптона − ~18 барн/атом. Величины сечений относятся приблизительно как 3:1. На рис.3 показан спектр при энергии гамма-квантов 100 кэВ. При увеличении энергии форма спектра меняется.

Так при энергии 1 МэВ отношение комптоновского сечения к сечению фотоэффекта составляет ~90. На рис. 4 показан спектр при энергии гамма-квантов 1 МэВ.

Образование пар электрон-позитрон становится возможным при энергии гамма квантов больших 2mc 2 = 1022 кэВ. При этом вся энергия гамма-кванта передается электрону и позитрону. Если и электрон и позитрон поглотятся в веществе детектора, то суммарный импульс будет пропорционален энергии гамма-кванта и событие будет зафиксировано в пике полного поглощения. Однако позитрон может проаннигилировать. При этом образуются два гамма кванта, каждый с энергией 511 кэВ. Если один из этих аннигиляционных гамма-квантов, не вступив во взаимодействие, вылетит из детектора, то суммарная энергия поглощенная в детекторе будет
E γ – 511 кэВ. Такие события будут вносить вклад в так называемый пик одиночного вылета (см. рис. 5). Если из детектора вылетят оба аннигиляционных гамма-кванта, то это событие будет зафаксировано в пике двойного вылета (E γ – 1022 кэВ).

Рис. 5. Спектр источника гамма-квантов с энергией E γ > 1022 кэВ

Рис. 6. Схема распада 60 Co. Бета распад 60 Co в основном происходит на возбужденное состояние 4 + 60 Ni, который сопровождается каскадной эмиссией Е2 двух гамма-квантов с энергиями E γ1 = 1.17 МэВ, E γ2 = 1.33 МэВ.

Рис. 7. Схема β + - распада 22 Na. В результате аннигиляции позитронов возникают гамма-кванты с энергией 0.511 МэВ. Бета-распад происходит в основном на возбужденное состояние 22 Ne с энергией 1.274 МэВ, которое испытывает гамма-переход на основное состояние. На спектре видны пики от этих гамма квантов и суммарный пик.

Суммирование сигналов от нескольких генетически связанных гамма-квантов.
Если в образце реализуется каскад гамма-переходов, они как правило происходят практически одновременно. Существует не равная нулю вероятность, что каскадные гамма-кванты, сопровождающие данный распад, попадут в детектор и их энергии будут просуммированы. На рис.6 показана схема распада 60 Co. Образовавшееся в результате бета-распада возбужденное состояние 60 Ni сбрасывает свою энергию возбуждения каскадом, причем среднее время жизни возбужденного состояния (2 +) 60 Ni (7∙10 -13 с), которое испытывает второй гамма-переход каскада, ничтожно мало по сравнению со временем реакции спектрометра (~1 мкс). Таким образом, если оба гамма-кванта попали в детектор и полностью в нем поглотились, спектрометр фиксирует это так, как будто в него попал один гамма-квант с суммарной энергией гамма-квантов каскада. Вероятность таких событий определяется эффективностью регистрации каскадных гамма-квантов, их угловой корреляцией и геометрией источник-детектор. Похожая ситуация возникает при регистрации гамма-квантов, сопровождающих β + - распад. На рис. 7. показан спектр гамма-квантов β + -активного источника 22 Na, где виден пик суммирования энергии аннигиляционного гамма-кванта и энергии гамма-перехода с возбужденного состояния на основное состояние ядра 22 Ne.

Влияние объема детектора.
На рис. 8 показаны спектры 60 Co измеренные тремя германиевыми детекторами различного объема (с различной относительной эффективностью). Спектры были нормализованы по пикам полного поглощения. Видно, что увеличение объема детектора ведет к заметному уменьшению вклада комптоновского распределения (увеличению отношения пик/комптон (peak-to-compton ratio)). От объема детектора зависят также вклады пиков одиночного и двойного вылета. Так в спектре измеренном с детектором небольшого объема виден только пик двойного вылета (DE), пик одиночного вылета незаметен. При увеличении объема вклад пика двойного вылета уменьшается, а вклад пика одиночного вылета (SE) растет.

Детекторы для гамма- и рентгеновских спектрометров.
Среди сцинтилляционных детекторов, которые применяются в гамма-спектрометрии, лидирующее положение занимает детекторы NaI(Tl). До недавнего времени они считались лучшими среди всех сцинтилляционных детекторов по энергетическому разрешени (~10%). Детекторы NaI(Tl) могут быть изготовлены большого объема, соответственно соответственно большой эффективности и относительно недороги. Для спектрометрии также используются детекторы из германата висмута (BGO) и бромида лантана (LaBr 3 (Ce)). Детекторы BGO имеют худшее по сравнению с NaI(Tl) детекторами разрешение, но из-за бó льшего Z имеют лучшее отношения пик/комптон . Детекторы нового поколения – LaBr 3 (Ce) обладают разрешением приблизительно в два раза лучшим, чем детекторы NaI(Tl). Их эффективность по пику полного поглощения при одинаковых с NaI(Tl) детекторами объемах выше в ~1.3 раза. Кроме того, временные характеристики LaBr 3 (Ce) заметно лучше, чем у NaI(Tl).
Использование Ge детекторов вместо сцинтилляторов, позволило существенно расширить возможности гамма-спектроскопии, особенно когда была освоена технология изготовления германиевых детекторов большого объема. Энергетическое разрешение HPGe детекторов приблизительно в 30 раз лучше, чем детекторов NaI(Tl). В результате многие уровни, которые не были видны были легко идентифицированы германиевыми детекторами (см. рис. 9).

В ядерной физике и физике элементарных частиц, а также в многочисленных областях науки, использующих в своей практике радиоактивные частицы (медицина, судебная экспертиза, промышленный контроль и т. п.), существенное место отводится вопросам обнаружения, идентификации, спектрального анализа заряженных частиц и фотонов высоких энергий (рентгеновских лучей и гамма-лучей). Сначала рассмотрим детекторы рентгеновского и гамма-излучения, а затем детекторы заряженных частиц.

Детекторы рентгеновского и гамма-излучения.

Классический образ искателя урана предполагает седеющего, измученного жарой субъекта, который бродит по пустыне со счетчиком Гейгера в руке. В наши дни в отношении детекторов достигнут значительный прогресс. Во всех современных детекторах используется следующий эффект: энергия поступающего в детектор фотона используется для ионизации какого-либо атома, при этом благодаря фотоэлектрическому эффекту излучается электрон. С этим электроном поступают по-разному в различных типах датчиков.

Рис. 15.19. Пропорциональный счетчик частиц.

Ионизационная камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера. Эти детекторы состоят из цилиндрической (как правило) камеры, имеющей в диаметре несколько сантиметров, и проходящего в центре тонкого провода. Камера бывает заполнена каким-либо газом или смесью газов. С одной стороны имеется узкое «окошко» из материала, пропускающего интересующее вас излучение (пластик, бериллий и т.п.). Центральный провод имеет положительный потенциал и подключается к некоторой электронной схеме. Типичная конструкция такого детектора представлена на рис. 15.19.

Когда в камере появляется квант излучения, он ионизирует атом, и тот испускает фотоэлектрон, последний затем отдает энергию, ионизируя атомы газа до тех пор, пока запас энергии не иссякнет. Оказывается, что электрон отдает около 20 В энергии в расчете на создаваемую им пару электрон-ион, следовательно, полный заряд, высвобожденный фотоэлектроном, пропорционален энергии, которую первоначально несло излучение. В ионизационной камере этот заряд собирается и усиливается усилителем заряда (интегрирующим), который работает также как фотоумножитель. Итак, выходной импульс пропорционален энергии излучения. Аналогичным образом работает пропорциональный счетчик, но на его центральном проводе поддерживается более высокое напряжение, следовательно, притягиваемые к нему электроны вызывают дополнительную ионизацию и результирующий сигнал получается большим. Эффект умножения заряда позволяет использовать пропорциональные счетчики при небольших значениях энергии излучения (порядка киловольт и ниже), когда ионизационные счетчики использовать невозможно. В счетчике Гейгера на центральном проводе поддерживается достаточно высокое напряжение, при котором любая начальная ионизация порождает большой одиночный выходной импульс (фиксированной величины). В данном случае вы получаете хороший большой выходной импульс, но не имеете никакой информации об энергии рентгеновского излучения.

В разд. 15.16 вы познакомитесь с интересным прибором, называемым анализатором ширины импульсов, который позволяет преобразовать последовательность импульсов различной ширины в гистограмму. Если ширина импульса является мерой энергии частицы, то с помощью такого прибора получим не что иное, как энергетический спектр! Итак, с помощью пропорционального счетчика (но не счетчика Гейгера) можно проводить спектрографический анализ излучения.

Подобные газонаполненные счетчики используют в диапазоне значений энергии от до . Пропорциональные счетчики обладают разрешающей способностью порядка 15% при значении энергии (распространенная для излучения калибровка, которую обеспечивает распад железа-55). Они недороги и могут иметь как очень большие, так и очень маленькие габариты, но для них требуется высокостабильный источник питания (умножение растет по экспоненциальному закону с напряжением), и они не отличаются высоким быстродействием (максимальная практически достижимая скорость счета грубо определяется величиной 25 000 имп/с).

Сцинтилляторы. Сцинтилляторы преобразуют энергию фотоэлектрона, электрона Комптона или пары электрон-позитрон в световой импульс, который воспринимается подключенным к прибору фотоумножителем.

Распространенным сцинтиллятором является кристаллический иодид натрия с примесью талия. Как и в пропорциональном счетчике, в этом датчике выходной импульс пропорционален поступающей энергии рентгеновского (или гамма) излучения, а это значит, что с помощью анализатора ширины импульсов можно производить спектрографический анализ (разд. 15.16). Обычно кристалл обеспечивает разрешение порядка 6% при значении энергии 1,3 МэВ (распространенная для гамма-излучения калибровка, которую обеспечивает распад ) и используется в энергетическом диапазоне от до нескольких ГэВ. Световой импульс имеет длительность порядка , следовательно, эти детекторы обладают достаточно высоким быстродействием. Кристаллы могут иметь различные размеры, вплоть до нескольких сантиметров, однако они сильно поглощают воду, следовательно, хранить их следует в закрытом виде. В связи с тем, что свет нужно каким-то образом устранять, кристаллы обычно поставляют в металлическом корпусе, имеющем окошко, закрытое тонкой пластинкой алюминия или бериллия, в котором находится интегральный фотоумножитель.

В сцинтилляторах используют также пластики (органические материалы), которые отличаются тем, что они очень недороги. Разрешение у них хуже, чем у иодида натрия, и используют их в основном в тех случаях, когда имеют дело с энергией выше 1 МэВ. Световые импульсы получаются очень короткими - их длительность составляет примерно 10 не. В биологических исследованиях в качестве сцинтилляторов используют жидкости («коктейли»). При этом материал, исследуемый на радиоактивность, примешивается к «коктейлю», который помещается в темную камеру с фотоумножителем. В биологических лабораториях можно встретить очень красивые приборы, в которых процесс автоматизирован; в них через камеру счетчика одна за другой помещаются различные ампулы и регистрируются результаты.

Детекторы на твердом теле. Как и в других областях электроники, революцию в области обнаружения рентгеновского и гамма-излучения произвели достижения в технологии изготовления кремниевых и германиевых полупроводников. Детекторы на твердом теле работают точно так же, как классические ионизационные камеры, но активный объем камеры заполняется в данном случае непроводящим (чистым) полупроводником. Приложенный потенциал порядка 1000 В вызывает ионизацию и генерирует импульс заряда. При использовании кремния электрон теряет всего около 2 эВ на пару электрон-ион, значит, при той же энергии рентгеновского излучения создается гораздо больше ионов, чем в пропорциональном газонаполненном детекторе, и обеспечивается лучшее энергетическое разрешение благодаря более представительным статистическим данным. Некоторые другие, менее значительные эффекты также способствуют тому, что прибор имеет улучшенные характеристики.

Выпускают несколько разновидностей детекторов на твердом теле: на основе (называются ), («жил-ли») и чистого германия (или IG), отличающихся друг от друга материалом полупроводника и примесей, используемых для того, чтобы обеспечить изолирующие свойства. Все они работают при температуре жидкого азота , и все типы полупроводников с примесью лития нужно постоянно держать в холодном состоянии (повышенная температура влияет на детектор так же плохо, как на свежую рыбу). Типовые детекторы на основе имеют диаметр от 4 до 16 мм и используются в энергетическом диапазоне от 1 до . Детекторы на основе и IG используют при работе с более высокими значениями энергии, от до 10 МэВ. Хорошие детекторы на основе обладают разрешением 150 эВ при значении энергии разрешение в 6-9 раз лучше, чем у пропорциональных счетчиков), германиевые детекторы обладают разрешением порядка при значении энергии 1,3 МэВ .

Рис. 15.20. Рентгеновский спектр листа нержавеющей стали, полученный с помощью аргонового пропорционального счетчика и детектора на основе .

Для того чтобы проиллюстрировать, что дает такое высокое разрешение, мы бомбардировали лист нержавеющей стали протонами с энергией 2 МэВ и проанализировали полученный рентгеновский спектр. Это явление называют рентгеновской эмиссией за счет протонов, и оно является мощным средством анализа веществ, при котором используется взаимное расположение спектров элементов. На рис. 15.20 показан энергетический спектр (полученный с помощью анализатора ширины импульсов), каждому элементу соответствуют два видимых рентгеновских импульса, по крайней мере при использовании детектора на основе . На графике можно видеть железо, никель и хром. Если нижнюю часть графика укрупнить, то можно будет увидеть и другие элементы. При использовании пропорционального счетчика получается «каша».

Рис. 15.21 иллюстрирует аналогичное положение для детекторов гамма-излучения.

Рис. 15.21. Гамма-спектр кобальта-60, полученный с помощью сцинтиллятора на основе иодида натрия и детектора на основе Ge(Li). (Из брошюры Canberra Ge(Li) Detector Systems фирмы Canberra Industries, Inc.)

Рис. 15.22. Криостат с датчиком . (С разрешения фирмы Canberra Industries, )

На этот раз сравниваются между собой сцинтиллятор на основе и датчик на основе . Этот график нам помогли получить коллеги из фирмы Canberra Industries. Выражаем благодарность мистеру Тенчу. Как и в предыдущем случае, преимущество в отношении разрешающей способности оказалось на стороне детекторов на твердом теле.

Детекторы на твердом теле обладают самым высоким энергетическим разрешением среди всех детекторов рентгеновского и гамма-излучения, но у них есть и недостатки: маленькая активная область в большом и неуклюжем корпусе (см., например, рис. 15.22), относительно невысокое быстродействие (время восстановления составляет и более), высокая стоимость и, кроме того, для работы с ними нужно запастись большим терпением (но может быть вам и понравится нянчиться с «пожирателем» жидкого азота, кто знает).

Детекторы заряженных частиц.

Детекторы, которые мы только что описали, предназначены для определения энергии фотонов (рентгеновских и гамма-лучей), но не элементарных частиц. Детекторы элементарных частиц имеют несколько иной облик; кроме того, заряженные частицы отклоняются электрическим и магнитным полями в соответствии с их зарядом, массой и энергией, благодаря чему измерять энергию заряженных частиц значительно проще.

Детекторы с поверхностным энергетическим барьером. Эти германиевые и кремниевые детекторы аналогичны детекторам из . Однако их не требуется охлаждать, а это намного упрощает конструктивное оформление прибора. (А у вас появляется шанс получить свободное время!) Детекторы с поверхностным энергетическим барьером выпускают с диаметрами от 3 до 50 мм. Их используют в энергетическом диапазоне от 1 МэВ до сотен МэВ, они обладают разрешением от 0,2 до 1% при значении энергии альфа-частиц, равном 5,5 МэВ (распространенная энергетическая калибровка, которая обеспечивается при распаде америция-241).

Детекторы Черенкова. При очень высоких значениях энергии (1 ГэВ и выше) заряженная частица может опередить свет в материальной среде и вызвать излучение Черенкова, «видимую ударную волну». Они находят широкое применение при экспериментах в физике высоких энергий.

Ионизационные камеры. Классическую газонаполненную камеру, которую мы рассмотрели выше в связи с рентгеновским излучением, можно использовать также в качестве детектора заряженных частиц. Простейшая ионизационная камера состоит из камеры, заполненной аргоном, и проходящего по всей ее длине провода. В зависимости от того, для работы с какими энергиями предназначена камера, ее длина может составлять от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров; в некоторых разновидностях прибора используют не один, а несколько проводов или пластин и другие газы-наполнители.

Душевые камеры. Душевая камера является электронным эквивалентом ионизационной камеры. Электрон попадает в камеру, заполненную жидким аргоном, и создает «душ» из заряженных частиц, которые затем притягиваются к заряженным пластинам.

Специалисты в области физики высоких энергий любят называть такие приборы калориметрами.

Сцинтилляционные камеры. Заряженную частицу можно обнаружить с очень хорошим энергетическим разрешением с помощью фотоумножителей по ультрафиолетовым вспышкам, которые возникают при движении заряженной частицы в камере, заполненной жидким или газообразным аргоном или ксеноном. Сцинтилляционные камеры обладают более высоким быстродействием по сравнению с ионизационными и душевыми камерами.

Дрейфовые камеры. Это новейшее достижение в области физики высоких энергий, которое обусловлено успехами в области быстродействующих диалоговых вычислительных систем. Концепция их проста: камера, в которой под атмосферным давлением находится газ (обычная смесь аргона с этаном) и множество проводов с приложенным к ним напряжением. В камере действуют электрические поля, и когда в нее попадает заряженная частица, ионизирующая газ, ионы оказываются в сфере действия проводов. Отслеживаются амплитуды сигналов и моменты времени по всем проводам (вот здесь и приходит на помощь ЭВМ), и на основе этой информации строится траектория движения частицы. Если в камере действует еще магнитное поле, то можно также определить количество движения.

Дрейфовая камера завоевала положение универсального детектора заряженных частиц для физики высоких энергий. Она может обеспечить пространственное разрешение порядка 0,2 мм и выше для объемов, которые могут вместить даже вас.