Изучение спектра 137Cs : определение пика обратного рассеяния и характеристического рентгеновского излучения

Оборудование: 

Цель эксперимента:

Изучить характеристики спектра излучения источника ¹³⁷Cs, с особым вниманием к области низких энергий. Студент может узнать о бета-распаде и получить базовые сведения об экспериментальных методах изучения гамма-спектров, используя в частности линии обратного рассеяния и характеристическое рентгеновское излучение.

Основа эксперимента:

Эффект Комптона связан с экспериментальными сложностями, поскольку возникает в результате взаимодействия фотонов с электронами — как в самом детекторе, так и в окружающих его материалах. В реальных условиях некоторые гамма-фотоны могут пройти один или несколько процессов комптоновского рассеяния (например, в корпусе источника, экранирующих материалах или других частях установки) до попадания в детектор. Это приводит к появлению в спектре пика обратного рассеяния.

Основной механизм формирования пика обратного рассеяния заключается в следующем: гамма-источники излучают фотоны изотропно, и часть из них может рассеяться под углом, близким к 180°, после чего быть зарегистрированной детектором. Это вызывает избыток счетов в области Комптоновского континуума спектра — так называемый пик обратного рассеяния. Энергия этого пика примерно соответствует разности между энергией фотопика и энергией комптоновского края.

Гамма-фотопик ¹³⁷Cs на энергии 661 кэВ сопровождается также низкоэнергетическим рентгеновским излучением. Это обусловлено механизмом распада ¹³⁷Cs: он распадается β-распадом в возбужденное состояние бария-137, которое затем переходит в основное состояние, излучая фотон с энергией 661 кэВ. Однако часть возбужденных атомов бария-137 отдает энергию не через гамма-излучение, а посредством внутренней конверсии — передачи энергии электрону с 1s-оболочки. Освободившееся место заполняется электронами с более высоких уровней, при этом испускается характеристическое рентгеновское излучение бария, соответствующее линии Kα, близкой к 32 кэВ.

Проведение эксперимента:

Для проведения эксперимента подключите выход DT4800 ко входному каналу мультиканального анализатора (MCA) DT5770 и используйте выход GP0 DT4800 в качестве «trigger IN» для цифро-анализатора. Интерфейс управляющего программного обеспечения позволяет пользователю генерировать сигналы экспоненциального распада с программируемым временем нарастания и спада, а также эмулировать сигналы от радиоактивного источника  ¹³⁷Cs . Спектр может быть записан и проанализирован с помощью MCA.

Блок-схема экспериментального оборудования:

Результаты эксперимента:

Пользователь может откалибровать систему, используя сам спектр. Пик обратного рассеяния и линия Kα могут быть идентифицированы. После калибровки спектра становится возможным оценить энергию двух пиков и сравнить их с теоретическими значениями.

График спектра 137Cs, полученного с помощью многоканального анализатора . Пик обратного рассеяния и линия Kα обозначены красными стрелками.