Quang phổ tia gamma là nghiên cứu định lượng của quang phổ năng lượng của các nguồn tia gamma, như ngành công nghiệp hạt nhân, điều tra địa hoá và vật lý thiên văn.
Hầu hết các nguồn phóng xạ đều tạo ra tia gamma có nhiều năng lượng và cường độ khác nhau. Khi các phát xạ này được phát hiện và phân tích bằng một hệ thống quang phổ, một quang phổ năng lượng gamma có thể được tạo ra.
Một phân tích chi tiết về phổ này thường được sử dụng để xác định nhận dạng và số lượng các chất phát thải gamma có trong nguồn gamma và là một công cụ quan trọng trong khảo sát phóng xạ. Phổ gamma là đặc trưng của nuclid phát xạ gamma trong nguồn, giống như quang phổ quang học, phổ quang học là đặc tính của vật liệu chứa trong một mẫu.
Đặc điểm tia gamma
Quang phổ tia gamma của uranium tự nhiên, hiển thị khoảng một chục dòng điện riêng biệt được chồng trên một liên tục mềm mại, cho phép xác định nuclit 226
Ra, 214Pb, và 214Bi
của chuỗi phân rã urani.
Tia gamma là dạng bức xạ điện từ năng lượng cao nhất, có cùng thể chất với tất cả các dạng khác (ví dụ như tia X, ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, radio) nhưng có năng lượng photon cao hơn do bước sóng ngắn hơn của chúng. Do đó, năng lượng của các photon tia gamma có thể được giải quyết riêng lẻ, và một quang phổ tia gamma có thể đo và hiển thị năng lượng của các photon gamma phát hiện.
Hạt nhân phóng xạ (radionuclides) thường phát ra các tia gamma trong phạm vi năng lượng từ vài keV đến ~ 10 MeV, tương ứng với mức năng lượng tiêu biểu trong nhân với thời gian sống hợp lý. Các nguồn này thường tạo ra “quang phổ dòng” tia gamma (tức là nhiều photon phát ra ở các nguồn năng lượng rời rạc), trong khi năng lượng cao hơn (trên 1 TeV) có thể xảy ra trong phổ liên tục được quan sát trong vật lý thiên văn và vật lý hạt cơ bản. Ranh giới giữa tia gamma và tia X có phần bị mờ, vì các tia X thường đề cập đến phát xạ điện tử của các nguyên tử năng lượng cao, có thể lên đến hơn 100 keV, trong khi lượng phát xạ năng lượng thấp nhất của các hạt nhân thường được gọi là tia gamma, năng lượng có thể dưới 20 keV.
Các thành phần hệ thống và nguyên tắc hoạt động trong các thành phần
Thiết bị phòng thí nghiệm để xác định quang phổ bức xạ γ với một bộ đếm sét. Đầu ra từ bộ đếm sét tiếp xúc đến một bộ phân tích đa kênh xử lý và định dạng dữ liệu.
Các thiết bị được sử dụng trong quang phổ gamma bao gồm máy dò bức xạ năng lượng nhạy cảm, thiết bị điện tử để xử lý các tín hiệu phát hiện do máy phát hiện như bộ dò xung (ví dụ máy phân tích đa kênh) và các bộ khuếch đại và thiết bị đọc dữ liệu liên quan để tạo, hiển thị và lưu trữ quang phổ. Các thành phần khác, chẳng hạn như đồng hồ tốc độ và bộ ổn định vị trí cao điểm, cũng có thể được bao gồm.
Các thiết bị dò phổ biến nhất bao gồm các bộ đèn sét natri iodide (NaI) và các máy dò gecmani có độ tinh khiết cao.
Máy dò quang phổ gamma là vật liệu thụ động chờ sự tương tác gamma xảy ra trong thể tích máy dò. Các cơ chế tương tác quan trọng nhất là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và sản xuất cặp. Hiệu ứng quang điện được ưu tiên vì nó hấp thụ toàn bộ năng lượng của tia gamma tới. Sự hấp thụ năng lượng hoàn toàn cũng có thể xảy ra khi một loạt các cơ chế tương tác diễn ra trong lượng phát hiện. Khi một tia gamma trải qua sự tương tác Compton hoặc sản xuất cặp, và một phần năng lượng thoát khỏi khối lượng máy dò mà không bị hấp thụ, tỷ lệ nền trong quang phổ tăng lên một lần. Số này sẽ xuất hiện trong một kênh bên dưới kênh tương ứng với toàn bộ năng lượng của tia gamma. Lượng phát hiện lớn hơn làm giảm hiệu ứng này.
Các xung điện áp được tạo ra bởi máy dò (hoặc bởi các photomultiplier trong một số scintillation truy cập) được định hình bởi một multichannel analyser (MCA). Bộ phân tích đa kênh lấy tín hiệu điện áp rất nhỏ do máy dò tạo ra, định dạng lại thành hình Gaussian hoặc trapezoidal và chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu số. Trong một số hệ thống, việc chuyển đổi tương tự sang số được thực hiện trước khi đỉnh được định hình lại. Bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC) cũng sắp xếp các xung theo chiều cao của chúng. ADCs có số lượng cụ thể của “thùng” vào đó các xung có thể được sắp xếp; các thùng này đại diện cho các kênh trong quang phổ. Số lượng kênh có thể được thay đổi trong hầu hết các hệ thống phổ gamma hiện đại bằng cách sửa đổi cài đặt phần mềm hoặc phần cứng. Số lượng các kênh thông thường là một sức mạnh của hai; các giá trị phổ biến bao gồm 512, 1024, 2048, 4096, 8192, hoặc 16384 kênh. Việc lựa chọn số kênh phụ thuộc vào độ phân giải của hệ thống và phạm vi năng lượng đang được nghiên cứu.
Máy đo độ phân giải cao Pulse-Height
Đầu ra của máy phân tích đa kênh được gửi tới máy tính, lưu trữ, hiển thị và phân tích dữ liệu. Một loạt các gói phần mềm có sẵn từ nhiều nhà sản xuất và thường bao gồm các công cụ phân tích phổ như hiệu chuẩn năng lượng, diện tích cao điểm và tính diện tích ròng, và tính toán độ phân giải.