Учебный эксперимент: Энергетическое разрешение

Комплект оборудования:

Цель эксперимента: 

Анализ спектра энергии, отложенной γ-излучением в детекторе, раскрывает суть взаимодействия высокоэнергетических фотонов с веществом и позволяет на практике изучить эффекты, связанные с работой детектора.

Основа эксперимента:

Для γ-излучения с энергией менее 2 МэВ взаимодействие с веществом в основном происходит за счёт комптоновского рассеяния и фотоабсорбции. Анализ комптоновского континуума отложенной энергии и фотопика позволяет получить информацию как о характеристиках распадающегося изотопа, так и об эффектах, обусловленных шумом системы, статистикой зарегистрированных фотонов, стохастическими процессами в детекторе и собственной разрешающей способностью сцинтиллятора.

В эксперименте предполагается использование источника  ¹³⁷Cs, распады которого регистрируются с помощью сцинтилляционного кристалла CsI, соединённого с кремниевым фотомумножителем (SiPM). Источник  ¹³⁷Cs особенно интересен благодаря наличию двух характерных линий: низкоэнергетической линии рентгеновского излучения на 30 кэВ и гамма-излучения высокой энергии на 662 кэВ. Первая важна для оптимизации нижнего предела обнаружения системы, а вторая — стандартный ориентир для оценки энергетического разрешения. Использование этих двух линий и анализ характеристик комптоновского спектра позволяют провести приблизительную оценку линейности системы, используя всего один изотоп. Та же активность может быть выполнена и с использованием сцинтилляционного кристалла LYSO.

Проведение эксперимента:

Установите модуль i-Spector в основание и поместите радиоактивный источник в пустую коробку (при необходимости можно закрепить источник с помощью двустороннего скотча). Если источник  ¹³⁷Cs недоступен, можно использовать образец кристалла LYSO. Включите i-Spector и подключите Ethernet-кабель. Подождите, пока температура стабилизируется (это может занять до получаса; следите через веб-интерфейс). Проверьте форму сигнала, при необходимости скорректируйте порог и ширину окна, затем начните измерение энергетического спектра.

Например, выполните 2-минутное измерение с образцом источника  ¹³⁷Cs, установив соответствующее время сбора. Выберите область интереса (ROI), затем зафиксируйте значения, отображаемые в полях FWHM (ширина на половине высоты) и Centroid (центр пика).

Блок-схема экспериментальной установки:

Результат эксперимента:

На рисунке представлен типичный гамма-спектр, зарегистрированный при очень низком пороге энергии. Четко различимы низкоэнергетическая линия на уровне 32 кэВ и фото-пик. Для данного спектра энергетическое разрешение на пике 662 кэВ составляет:

Где:

• FWHM (Full Width at Half Maximum) означает полную ширину пика на половине его максимальной высоты,
• Centroid — это номер канала, соответствующий центру (среднему значению) пика.