Способ детектирования ядерного гамма-резонансного излучения

 

1.СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО ГАММА-РЕЗОНАНСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключаюсцийся в том, что и 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 из возбужденного состояния в основное, отличающийся тем, что, с целью увеличения соотношетя сигналшум и разрешающей способности, электрическое поле в детекторе создают КЗ условия vlB«. где г 3g - энергия возбуждения молекулы примесного газа, Р - давление газа в детекторе,W - энергия ибиообраэования газа гелия, и регистрируют световые вспьшки, происходяпще при высвечивании энергии возбуждения газовых молекул. (О ел со эо т

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) 3(59 G 01 Т 1 !6

ОПИСАНИК ИЗОЬЕЯткНия

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3493506/18-25 (22) 02.07.82 (46) 23. 12. 84. Бюл. К - 47 (72) В.С.Вартанов и Б.Г.Земсков (53) 621 ° 387.424 (088.8) (56) 1. Ordi R.N.À. Mossbauer Resonance Effect Study Using А Backscattering geometry Арр1 Phys Let 15, 279-281 (1969) .

2. Terrell Т.Н., Spijhernan Т.Т.

Determination of Surface Compaund

Formations by Bachscatter Mossbauer

Spectroscopy Appl Phys Let 13, 11-13, (1965).

3. Swanson К.R., Spijkerman T.Т.

Analisis of Thin Surface Layers

by 57-Fe Mossbauer Bachscatfering .Spectroscopy Т. Appl Phys 41, 315557, (1970) (прототип) . (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, отличающийся тем, что, с целью увеличения соотношения сигналшум и разрешающей способности, электрическое поле в детекторе создают из условия Jв Е/p + W > где — энергия возбуждения молекулы 3

Ь примесного газа, P — давление газа в детекторе, Ж вЂ” энергия ионообраэования газа гелия, и регистрируют све. товые вспышки, происходящие при высвечивании энергии возбуждения газо- Я вых молекул.

1069538 концентра « составляет

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что в качестве примесной компоненты газовой смеИзобретение относится к области технической физики и может быть использовано в ядерной и прикладной физике при регистрации гамма-резонансного излучения, в частности в случаях, когда при ядерных переходах наряду с гамма-квантами испускаются электроны внутренней конверсии.

Известны способы детектирования ядер но r о гамма-р ез о на нс ного (месс бауэровского) излучения, основанные на регистрации резонансного рассеянного вторичного излучения (1 9 2) .

Нри этом в рассеянном излучении присутствуют как гамма- и рентгеновские кванты, так и электроны, испускаемые при ядерных переходах. Большая проникающая способность гамма- и рентгеновских квантов позволяет увели- чить интенсивность рассеянного излучения за счет использования больших толщин 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, обусловленный фото- и комптон эффектами, происходящими в исследуемом веществе от высокоэнергетических гамма-квантов (122 кэВ).

Наиболее близким по своей технической сущности является способ детектирования ядерного гамма-резонансного излучения (3) 9 заключающийся в том, что в детекторе, заполненном газовой смесью Не и примесной компоненты и в котором создано электрическое поле напряженностью Е, регистрируются конверсионные и Ожеэлектроны, испускаемые при переходе мессбауэровских ядер из возбужденного состояния в основное. Напряженность электрического поля E и давление наполняющего газа р подбираются так, чтобы отношение E(p было больси используют азот ция которого в смеси

0,1 — 1 мас. 7. ше энергии ионообразования Vl наполняющего газа. Электроны в этом способе регистрируются по ионизационному эффекту, с оздава емому ими.

5 Электроны, вылетающие из исследуе мого образца при внутренней конверсии мессбауэровских ядер, попадают в электрическое поле9 созданное в объеме детектора. Приобретя энергию, 10 . достаточную для ударной ионизации, они образуют лавину, которая, попав на анодный электрод, создает электрический импульс. Амплитуда импульса пропорциональна энергии электрона, вылетевшего из образца. Спектры, полученные таким образом, дают информацию о поверхностных слоях толщиной

300-500 А.

Однако этот способ имеет два принципиальных ограничения. Энергетическое разрешение его ограничено энергией ионообразования газа, которая для используемого в этом способе Не составляет 41;7 эВ. Временное разрешение ограничено временем собирания электронной лавины на аноде, которое обычно составляет несколько микросекунд. Кроме того, при детектировании гамма-излучения таким споЗ0 собом эффективность регистрации отно- сительно низка, так как при больших загрузках образуется пространствен.ный электрический заряд, который ухудшает энергетическое разрешение

З5 используемого детектора, уменьшая амплитуду сигнала, соответствующего регистрируемой энергии, Целью изобретения является увеличение соотношения сигнал-шум и разрешающей способности.

Поставленная целЬ достигается тем, что в способе детектирования ядерного гамма-резонансного излучения, заключающемся в том, что в де45 текторе9 заполнедном газовой смесью

Не и примесной компоненты и в котооом создано электрическое поле

1069538

Для увеличения эффективности регистрации состав газа подбирается так, чтобы при передаче энергии ренапряженностью 5 регистрируют конверсионные и Оже-электроны, испускаемые при переходе мессбауэровских ядер из возбужденного состояния в основное, и электрическое поле в де- 5 т екторе создают из условия 38 E jp 1, где 3И вЂ” энергия возбуждения молекулы примесного газа, P — давлеййе газа в детекторе, и — энергия ионообразования газа Не, и регистрируют световые вспышки, происходящие при высвечивании энергии возбуждения газовых молекул.

В качестве примесной компоненты газовой смеси используют азот, кон- 15 центрация которого в смеси составляет О, 1-1 мас .Х.

При этом детектирование конверсионных электронов будет осуществляться не ионизацией газовых молекул, а 20 возбуждением их. Для осуществления процесса необходимо выполнение следующего условия. Конверсионные и

Оже-электроны, появляющиеся при переходе мессбауэровских ядер из возбуж- 25 денного состояния в основное, ускоряются электрическим полем, существующим в детекторе, который заполнен газом. Однако напряженность поляE и давление р подбираются так, чтобы З0 электроны приобретали энергию, достаточную лишь для возбуждения молекул газа. При этом будет выполняться условие, необходимое для протекания .Е процесса ٠— ) 3 где 3 — энер- И5 р Е ° И гия возбуждения газовых молекул.

От принципиального . ограничения по энергетическому разрешению удается избавиться благодаря тому, что коли- 40 чество возбужденных атомов газа на пути следования электрона будет в раз больше, чем количество иони. И зированных атомов того же газа для электрона с той же энергией (W энергия ионообразования) . Следовательно, .и энергетическое разрешение

Га будет в - раз выше.

Временное разрешение удается повысить, регистрируя только "первичную" компоненту световой вспышки,, интенсивность. которой мала, но длительность не более 20 нс.

55 гистрируемого электрона молекулам заполняющего газа происходило селективное заселение возбужденных уровней этих молекул, а спектр высвечиваемого светового излучения бы линейчатым и охватывалодиапазон длин волн от 3500 до 6000 А. При этом большая часть испускаемой свето. вой энергии будет сосредоточена в нескольких спектральных линиях, имеющих в связи с этим высокую яркость, и отпадает необходимость использова ния сме сит еля с пе ктра

Этого удается добиться, используя газовую смесь на основе Не.

Примесный газ следует подбирать. так, чтобы уровни возбуждения молекул его лежали на 0 0,5 эВ ниже, чем уровни возбуждения Не, и чтобы быпо велико сечение неупругого взаимодействия их с атомами Не. В этом случае необ- ратимым становится процесс передачи энергии от атомов Не к молекулам примесного газа.

Кроме того, следует учитываТь, что зависимость интенсивности наблюдаемых линий от концентрации азота, который наиболее удобен в качестве примеси, так как энергия возбужденного состояния у него 3,5 эВ, имеет вид кривой с максимумом.

Спектр испускания сыеси гелийазот состоит из линий молекулярного иона азота, имеющих высокую .яркость и нескольких линий атомарного и молекулярного гелия значительно более слабой интенсивности. Интенсивность линий зависит от концентрации азота.

Оптимальной для работы при давлении 1 атм. является концентрация азота О, 1-1 мас,Ж. При уменьшении концентрации азота ниже О, 1 мас .Х резко уменьшается вероятность передачи возбуждения от атомов гелия молекулам азота, а следовательно, + уменьшается количество молекул N<, вьквечивающих энергию возбуждения.

При увеличении концентрации азота выше 1 мас.Х происходит тушение этих линий обусловленное двойными соЭ

Ф ударениями N< с N<.

Энергетическое разрешение при дет ектир овании электр онов по ионизационному эффекту определяется флуктуа цией количества ионных пар Е /W образованных регистрируемым электроном (E> — энергия этого электрона), а при детектировании световых вспы1069538 с шек оно определяется количеством возбужденных молекул азота Ер/3п, (0 — энергия возбуждения молекулы азота) . Поэтому энер гетичес кое р азрешение при детектировании предла- 5 гаемлм способом улучшается в

Д о(щ а 3,5 рааа..

Увеличение энергетического разрешения позволяет проводить исследова!

О иие более тонких поверхностных слоев образца. Это приводит к тому, что уменьшается толщина, дающая фоновые фотоэлектроны, т. е. уменьшается интенсивность базовой линии мес15 сбауэровского спектра, а следовательно, увеличивается соотношение сигнал-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

1 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, герметично закрывающийся с помощью вакуумных уплотнений 2 крьппкой 3. 4О

Корпус и крьппка имеют расположенные на одной оси окна 4, прозрачные для 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 вспышек. Корпус устройства снабжен 50 патрубком 8 для заполнения газом.

Ядерное гамма-резонансное излучение: в устройство попадает от мессбауэровского источника 9.

Устройство работает следующим об- 5

55 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 поверхно ст ных с ло ев о бр а з ца с т очи ост ью

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 (P-спектрометры), сложны, дорогостоящи и обладают малой светоси:лой, суцественно увеличивающей время эк сперимент а. Устройство, с помощью которс

ro 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, .

Ъ внедренных в поверхностные слои, осуществляя исследование поверхности крупных образцов без повреждения, что может быть использовано в серийных исследованиях промышленных образцов, например в микроэлектронике.