Способ детектирования ядерного гамма-резонансного излучения

(1% (13) 3) 601 Т 16 ТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ГОСУДАРСПО ДЕЛ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 18-25 Бюл.В 47анов и Б,Г,Земсков 424 (088.8)К.М,А. МояяЪапег КевоБСцйу Пвдпс. А Вас 1 сясасгу Арр 1 РЬуя Ьес 15,Т,Н БрЦЬегпап Т,Т, оГ Япг 2 асе Сошраопс 1 ВасЬясассег МоввЬацегАрр 1 РЬув Ьес 13, 11-1 К.К., ЯрЦ 1 сегшап Т.Т.ТЬдп ЯигГасе Ьауегв Ьаиег ВасЬвсайег 1 пЕ Т. Арр 1 РЬуя 41, 3155 рототип),(21) 3493506(54)(57)1.СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО ГАММА-РЕЗОНАНСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключающийся в том, что в детекторе, заполненном газовой смесью гелия и примесной компоненты и в котором создано электрическое поле напряженностью Е, регистрируют конверсионные и Оже-электроны, испускаемые при переходе мессбауэровских ядер иэ возбужденного состояния в основное, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения соотношения сигналшум и разрешающей способности, электрическое поле в детекторе созда. ют из условия дЕр с 9 где 3 - энергия возбуждения молекулы 3Ь примесного газа, 8 - давление газа в детекторе, В - энергия ионообраэования газа гелия, и регистрируют све. товые вспышки, происходящие при высвечивании энергии возбуждения газо- Я вых молекул.1069538 концентрасоставляет 2. Способ по п,1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем , что в качествепримесной компоненты газовой смеИзобретение относится к областитехнической Физики и может быть использовано в ядерной и прикладнойФизике при регистрации гамма-резонансного излучения, в частности вслучаях, когда при ядерных переходахнаряду с гамма-квантами испускаютсяэлектроны внутренней конверсии.Известны способы детектированияядерного гамма-резонансного (мессбауэровского) излучения, основанныена регистрации резонансного рассеянного вторичного излучения 1, 2 .Нри этом в рассеянном излучении присутствуют как гамма- и рентгеновскиекванты, так и электроны, испускаемыепри ядерных переходах. Большая проникающая способность гамма- и рентгеновских квантов позволяет увели-чить интенсивность рассеянного излучения за счет использования большихтолщин исследуемого вещества. Гаммарезонансные спектры, полученные таким способом, дают информацию о химическом и кристаллографическом состоянии толщиной до 3000 А, Однако отмечается малая скорость счета и высокий уровень Фона, обусловленныйФото- и комптон эффектами, происходящими в исследуемом веществе отвысокоэнергетических гамма-квантов(122 кэВ),1Наиболее близким по своей технической сущности является способ детектирования ядерного гамма-резонансного излучения 3, заключающийся в том, что в детекторе, заполненном газовой смесью Не и примеснойкомпоненты и в котором создано электрическое поле напряженностью Е,регистрируются конверсионные и Ожеэлектроны, испускаемые при переходемессбауэровских ядер из возбужденного состояния в основное. Напряженность электрического поля Е и давле"ние наполняющего газа р подбираютсятак, чтобы отношение Гр было больси используют азот ция которого в смеси 0,1 - 1 мас. 7. ше энергии ионообраз ования В наполняющего газа. Электроны в этом способе регистрируются по ионизационному эффекту, создаваемому ими.5 Электроны, вылетающие из исследуемого образца при внутренней конверсии мессбауэровских ядер, попадаютв электрическое поле, созданное вобъеме детектора. Приобретя энергию,10достаточную для ударной ионизации,они образуют лавину, которая, попавна анодный электрод, создает электрический импульс. Амплитуда импульсапропорциональна энергии электрона,вылетевшего из образца. Спектры, полученные таким образом, дают информацию о поверхностных слоях толщиной300-500 А.Однако этот способ имеет два прин 2 О ципиальных ограничения. Энергетическое разрешение его ограничено энергией ионообразования газа, котораядля используемого в этом способе Несоставляет 41;7 эВ. Временное разрешение ограничено временем собирания электронной лавины на аноде,которое обычно составляет несколькомикросекунд, Кроме того, при детектировании гамма-излучения таким спо 30 собом эффективность регистрации отно-сительно низка, так как при большихзагрузках образуется пространствен,ный электрический заряд, которыйухудшает энергетическое разрешение35 используемого детектора, уменьшаяамплитуду сигнала, соответствующегорегистрируемой энергии,Целью изобретения является увеличение соотношения сигнал-шум и раз. решающей способности.Поставленная целЬ достигается тем, что в способе детектирования ядерного гамма-резонансного излучения, заключающемся в том, что в детекторе, заполненном газовой смесью Не и примесной компоненты и в котооом создано электрическое полесшек оно определяется количеством возбужденных молекул азота Ер/38, ( Р - энергия возбуждения молекулы азота) . Поэтому энер гетичес кое р азрешение при детектировании предла гаемдм способом улучшается в Д ( о(щ а 3,5 раааУвеличение энергетического разрешения позволяет проводить исследоваО иие более тонких поверхностных слоев образца, Это приводит к тому, что уменьшается толщина, дающая фоновые фотоэлектроны, т,е. уменьшается интенсивность базовой линии мес 15 сбауэровского спектра, а следовательно, увеличивается соотношениесигнал-шум.Если в предложенном способе не создавать электрического поля, то будет регистрироваться только так называемая "первичная" компонента световой вспьппки, интенсивность которой мала, но длительность составляет всего 8-20 нс. Это позволит,25 сохранив основное достоинство прототипа - пропорциональность амплитуды сигнала на выходе детектора энергии регистрируемых частиц, увеличить примерно на три порядка быстро- ЗО действие (при меньшем энергетическом разрешении) по сравнению с обычным способом детектирования по ионизационному эффекту.На чертеже изображено устройство, 35 с помощью которого может быть реализован предложенный способ.Устройство содержит корпус 1, гер. метично закрывающийся с помощью вакуумных уплотнений 2 крьппкой 3. Корпус и крьппка имеют расположенные на одной оси окна 4, прозрачныедля гамма-излучения. Внутри корпуса находится анодный электрод 5, на который подается высокое напряжение. На 45 внутреннюю сторону крьппки счетчика крепится исследуемый образец 6. Боковые стенки устройства снабжены окнами 7, прозрачными для световых вспьппек. Корпус устройства снабжен 50 патрубком 8 для заполнения газом. Ядерное гамма-резонансное излучениев устройство попадает от мессбауэровского источника 9.Устройство работает следующим об55 разом.Резонансные гамма-кванты проходят от источника 9 сквозь входное окно 4, попадают в исследуемый образец 6, содержащий резонансные ядра, и возбуждают их. При высвечивании энергии возбуждения этими ядрами появляются конверсионные и Оже-электроны, которые под действием электрического поля двигаются к анодному электроду 5. На пути движения к анодному электроду электроны сталкиваются с молекулами газа, заполняющего объем устройства, переводя их в возбужденное состояние. В результате столкновений между молекулами основного и примесного газов энергия возбуждения будет высвечиваться молекулами примесного газа в виде световых вспышек. Вспышки регистрируются фотоумножителем, просматривающим объем устройства сквозь окна 7. Газ поступает в устройство через патрубок 8.Предложенный способ, благодаря высокому энергетическому разрешению и высокому соотношению сигнал-шум при наблюдении мессбауэровских спектров в геометрии рассеяния, позволяет проводить селектирование поверхностных слоев образца с точностью 50-100 А, а используя .высокое быстродействие, регистрировать процессы, происходящие в этих слоях, длительность которых составляет несколько десятков наносекунд.До сих пор селектирование поверхностных слоев с такой точностью можно было проводить, лишь разделяя электроны по энергиям и регистрируя их с помощью магнитного или электростатического Р -спектрометра. Однако этот метод очень трудоемок, а устройства, с помощью которых он реализуется (3-спектрометры), сложны, дороготоящи и обладают малой светоси:лой, супетвенно увеличивающей время эк сперимент а. Устройство, с помощью которс го может быть реализован способ,значительно проще и дешевле. Предложенный способ существенно упростит исследование электронного и кристаллографического окружения мессбауэровских ядер, расположенных в поверхностных слоях, позволит исследовать поведение примесных ядер, .Ъвнедренных в поверхностные слои, осуществляя исследование поверхности крупных образцов без повреждения, что может быть использовано в серийных исследованиях промышленных образцов, например в микроэлектронике.