Гамма-спектроскопия

Принципы гамма-спектроскопии

Гамма-спектроскопия представляет собой один из важнейших методов исследования структуры атомного ядра, основанный на регистрации и анализе энергии гамма-квантов, испускаемых при переходах между ядерными уровнями. Являясь высокоэнергетической формой электромагнитного излучения, гамма-кванты несут в себе информацию о разности энергий между ядерными состояниями, спиновых характеристиках, паритетах и переходных вероятностях.

Гамма-излучение может испускаться как при распадах (альфа-, бета-), так и при возбуждении ядер в реакциях (например, (n,γ), (p,γ) и др.). Типичный энергетический диапазон гамма-квантов — от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Анализ этих излучений позволяет реконструировать ядерную энергетическую схему, уточнять модели ядерной структуры и измерять параметры слабых взаимодействий в ядре.

Типы гамма-переходов

Переходы между ядерными уровнями классифицируются в зависимости от:

Мультипольности излучения (E1, M1, E2, M2 и т.д.): она отражает изменение углового момента ядра и определяется по правилам отбора;
Типа перехода — электрический (Eλ) или магнитный (Mλ);
Вероятности перехода, зависящей от энергии гамма-кванта, типа перехода и структуры начального и конечного уровней.

Наиболее вероятны дипольные переходы (E1 и M1), однако в случае запрета по правилам отбора доминируют квадрупольные или даже более высокие мультипольные компоненты.

Ширина и форма гамма-линий

Энергетическая ширина гамма-линии (Γ) определяется временем жизни возбуждённого состояния ядра (τ), в соответствии с соотношением неопределённостей:

$$ \Gamma = \frac{\hbar}{\tau} $$

Для большинства ядерных уровней характерны очень малые ширины линий — порядка электронвольт и меньше, поэтому наблюдаемая ширина обусловлена в основном разрешающей способностью детектора.

Форма линии приближается к лоренцовой, но с учётом эффектов рассеяния, доплеровского уширения и фона она искажается. Это особенно важно при анализе линий в сложных спектрах.

Аппаратура для гамма-спектроскопии

Главным элементом гамма-спектрометра является детектор и система обработки сигнала. Наиболее распространены следующие типы детекторов:

Полупроводниковые детекторы: прежде всего, детекторы на основе германий-литиевых кристаллов (Ge(Li)) и высокочистого германия (HPGe). Они обеспечивают высокое энергетическое разрешение (порядка 1–2 кэВ при энергии 1,33 МэВ).
Сцинтилляционные детекторы: например, на основе NaI(Tl), CsI(Tl), LaBr₃(Ce). Они имеют более высокую эффективность, но худшее разрешение (до 50–100 кэВ при 1 МэВ).
Газовые пропорциональные и комптон-детекторы — используются реже, в основном в специализированных исследованиях (например, в экспериментах по измерению углового распределения).

Сигналы от детектора усиливаются, обрабатываются и поступают в аналого-цифровой преобразователь, откуда информация о зарегистрированной энергии кванта передаётся в накопитель или компьютер для последующего анализа.

Калибровка и спектральный анализ

Для точного определения энергии гамма-квантов необходимо провести энергетическую калибровку спектрометра. Для этого используют эталонные источники излучения с известными энергиями и интенсивностями линий (например, ^60Co, ^137Cs, ^152Eu). Полученная зависимость между каналом детектора и энергией строится в виде функции E = a + b ⋅ N, где N — номер канала, a и b — коэффициенты калибровки.

После калибровки проводится анализ спектра, включающий:

Определение положения и интенсивности пиков;
Расчёт фоновой компоненты;
Устранение вкладов комптоновского рассеяния;
Расчёт эффективной площади детектора;
Определение активности исследуемого источника.

Компоненты спектра и сопутствующие эффекты

Гамма-спектры состоят из следующих основных элементов:

Полная поглощённая энергия (photopeak) — отражает полную передачу энергии гамма-кванта детектору.
Комптоновское плато — возникает при комптоновском рассеянии в детекторе с неполной передачей энергии.
Край комптоновского рассеяния — максимальная энергия рассеянного электрона.
Пики аннигиляции (511 кэВ) — характерны при наличии позитронов.
Суммарные пики — результат одновременного поглощения нескольких квантов.
Фоновый континуум — складывается из космического излучения, радиоактивности окружающей среды, материалов установки.

Эти компоненты необходимо учитывать при деконволюции сложных спектров, особенно в многоуровневых переходах и каскадных распадах.

Коэффициенты конверсии и конкуренция процессов

В некоторых ядрах наблюдается внутренняя конверсия, при которой избыточная энергия ядерного перехода передаётся электронам атомной оболочки. Это альтернативный путь перехода, конкурирующий с гамма-излучением. Для его количественной оценки вводится коэффициент внутренней конверсии:

$$ \alpha = \frac{W_{э}}{W_γ} $$

где W_э — вероятность электронной конверсии, W_γ — вероятность гамма-излучения. Знание α необходимо для корректного определения вероятностей переходов и построения схем уровней.

Угловое распределение и линейная поляризация

Исследование углового распределения испускаемых гамма-квантов по отношению к оси симметрии системы (например, направлению поляризации пучка или ориентации ядра) даёт информацию о мультипольности и спиновых характеристиках уровней. Распределение описывается функциями типа:

W(θ) = 1 + a₂P₂(cos θ) + a₄P₄(cos θ)

где θ — угол регистрации, P_n — полиномы Лежандра, a_n — коэффициенты, зависящие от мультипольности и спинов уровней.

Поляризация гамма-излучения также используется для определения паритета состояний. Для этого применяются комптон-поляриметры, чувствительные к направлению разлёта вторичных электронов.

Современные методы и спектрометрические установки

В современной ядерной физике используются массивы многоканальных HPGe-детекторов, например:

CLARION, AGATA, GRETA, GAMMASPHERE — установки, обеспечивающие высокую эффективность регистрации, угловую разрешающую способность и возможность корреляционного анализа.
Используются также установки с секционированными детекторами, композитными модулями и временной корреляцией событий для изучения каскадных распадов и редких переходов.

Такие комплексы позволяют:

Изучать возбуждённые состояния высоких энергий;
Реконструировать схемы уровней в далёких от стабильности изотопах;
Измерять вероятность изомерных переходов;
Выполнять корреляционные и γγ-совпадения.

Применения гамма-спектроскопии

Гамма-спектроскопия находит применение в широком спектре задач:

Фундаментальные исследования ядерной структуры — определение уровней, спинов, вероятностей переходов;
Изучение редких и экзотических ядер вблизи границ стабильности;
Активационный анализ и радиохимия;
Радиоэкология — идентификация и количественная оценка радионуклидов в пробах;
Ядерная медицина — контроль активности радиофармпрепаратов;
Контроль нераспространения — идентификация ядерных материалов;
Космические исследования — регистрация гамма-излучения от астрофизических источников.

Спектроскопия изомерных состояний и γγ-совпадения

Особое направление — изучение ядерных изомеров и их переходов. Изомеры — состояния ядер с относительно долгим временем жизни (от наносекунд до лет), возникающие из-за препятствий для перехода по правилам отбора. Спектроскопия изомеров требует высокой временной и энергетической селективности.

Метод γγ-совпадений позволяет выделять последовательные переходы, принадлежащие одной каскадной цепи. Это улучшает селективность и позволяет строить схемы уровней даже при сильной перекрытости спектра.

Закономерности переходных вероятностей

Характеристики гамма-переходов подчиняются определённым закономерностям. В частности, вероятность перехода зависит от энергии перехода E_γ и мультипольности:

T(Eλ) ∝ E_γ^2λ + 1

Это объясняет резкое уменьшение вероятности переходов высокой мультипольности и даёт возможность оценивать тип перехода по сравнению экспериментальных данных с теоретическими оценками, например, из модели Вайсскопфа.