Φασματοσκοπία ακτίνων γάμμα

Φασματοσκοπία ακτίνων γ είναι η ποσοτική μελέτη των ενεργειακών φασμάτων πηγών ακτίνων γ. Οι περισσότερες ραδιενεργές πηγές παράγουν ακτίνες γ διαφορετικών ενεργειών και εντάσεων. Όταν αυτές οι ακτίνες συλλεγούν και αναλυθούν από κάποιο σύστημα φασματοσκοπίας ακτίνων γ, μπορεί να δημιουργηθεί ένα φάσμα. Συνήθως γίνεται λεπτομερής ανάλυση του φάσματος για να προσδιοριστεί η ταυτότητα και η ποσότητα των εκπομπών που βρίσκονται στην πηγή. Το φάσμα των ακτίνων γ είναι χαρακτηριστικό των νουκλιδίων που εκπέμπουν την ακτινοβολία, ακριβώς όπως στην οπτική φασματοσκοπία, όπου το οπτικό φάσμα είναι χαρακτηριστικό των ατόμων και μορίων που περιέχονται στο δείγμα.

 Οι ακτίνες γ είναι η υψηλότερης ενέργειας μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (H/M). Είναι ίδιες με τις υπόλοιπες ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες (ακτίνες Χ, ορατό φως, υπέρυθρες, ραδιοκύματα κτλ.), με την διαφορά ότι τα φωτόνια ακτίνων γ έχουν μεγαλύτερη ενέργεια και συχνότητα, και μικρότερο μήκος κύματος. Ενώ οι ανιχνευτές Geiger μετρούν μόνο τον ρυθμό γεγονότων (δηλαδή το πλήθος των ακτίνων γ που αλληλεπιδρούν με τον ανιχνευτή σε ένα δευτερόλεπτο), ένα φασματόμετρο ακτίνων γ καθορίζει και τις ενέργειες των φωτονίων που εκπέμπει η πηγή. Οι ραδιενεργοί πυρήνες (ραδιονουκλίδια) συνήθως εκπέμπουν ακτίνες γ μεταξύ μερικών keV και ~10 MeV, που αντιστοιχεί στις συνηθισμένες ενέργειες πυρήνων με αρκετά μεγάλη ημιζωή. Τέτοιες πηγές συνήθως παράγουν γραμμικά φάσματα ακτίνων γ (δηλαδή πολλά φωτόνια εκπέμπονται σε διακριτές ενέργειες), ενώ πολύ υψηλότερες ενέργειες (άνω του 1 TeV) μπορούν να ανιχνευτούν στα συνεχή φάσματα που παρατηρούνται στην αστροφυσική και την φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Το όριο μεταξύ ακτίνων γ και ακτίνων Χ είναι σχετικά ασαφές, μια και οι ακτίνες Χ συνήθως αναφέρονται σε υψηλής ενέργειας Η/Μ ακτινοβολία ατόμων, η οποία μπορεί να ξεπερνάει και τα 100 keV, ενώ χαμηλότερες ενέργειες που εκπέμπονται από πυρήνες (μερικές φορές μικρότερες των 20 keV) ονομάζονται ακτίνες γ. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στην γ-φασματοσκοπία περιλαμβάνει ενεργειακά-ευαίσθητο ανιχνευτή, ηλεκτρονικά για την συλλογή και επεξεργασία του σήματος από τον ανιχνευτή, όπως αναλυτή παλμών (π.χ. αναλυτή πολλών καναλιών), και τους σχετικούς ενισχυτές και συσκευές παραγωγής, εμφάνισης, και αποθήκευσης του φάσματος. Μπορούν να συμπεριληφθούν και άλλα μέρη, όπως μετρητές ρυθμού και σταθεροποιητές θέσης κορυφής. Οι πιο κοινοί ανιχνευτές περιλαμβάνουν σπινθηριστές ιωδιούχου νατρίου (NaI) και υψηλής καθαρότητας ανιχνευτές γερμανίου. Οι ανιχνευτές στην γ-φασματοσκοπία είναι παθητικά υλικά τα οποία περιμένουν να συμβεί αλληλεπίδραση γάμμα στον όγκο του ανιχνευτή. Οι πιο σημαντικοί μηχανισμοί αλληλεπίδρασης είναι φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φαινόμενο Compton, και δίδυμη γένεση. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι προτιμητέο, επειδή απορροφάται όλη η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτίνας γ. Πλήρης απορρόφηση ενέργειας είναι εφικτή και με μία σειρά από αυτούς τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης στον όγκο του ανιχνευτή. Όταν το γ-φωτόνιο αλληλεπιδρά με Compton ή δίδυμη γένεση, και μέρος της ενέργειας δραπετεύει από τον όγκο του ανιχνευτή χωρίς να απορροφηθεί, το υπόβαθρο του φάσματος αυξάνει κατά ένα γεγονός. Αυτό το γεγονός θα εμφανιστεί σε χαμηλότερο κανάλι από αυτό που αντιστοιχεί στην πλήρη ενέργεια του γ-φωτονίου. Ανιχνευτές με μεγαλύτερο όγκο μειώνουν αυτό το φαινόμενο. Η τάση του παλμού που παράγεται σε έναν ανιχνευτή (ή από τον φωτοπολλαπλασιαστή σε ανιχνευτές σπινθηριστών) διαμορφώνεται από τον αναλυτή πολλών καναλιών (MCA). Ο MCA λαμβάνει το πολύ μικρό σήμα τάσης που παράγει ο ανιχνευτής και το διαμορφώνει σε γκαουσιανή ή τραπεζοειδή μορφή, και μετατρέπει το σήμα αυτό σε ψηφιακό. Σε μερικά συστήματα, η μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό γίνεται πριν την αναδιαμόρφωση του παλμού. Ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) επίσης ταξινομεί τους παλμούς ανάλογα με το ύψος τους. Οι ADC έχουν συγκεκριμένο αριθμό από "bins" στα οποία μπορούν να ταξινομηθούν αυτοί οι παλμοί. Αυτά τα bins αντιπροσωπεύουν τα κανάλια του φάσματος. Ο αριθμός των καναλιών μπορεί να αλλάξει στα περισσότερα σύγχρονα συστήματα γ-φασματοσκοπίας με την τροποποίηση του λογισμικού ή του hardware. Το πλήθος των καναλιών είναι συνήθως δύναμη του 2 (συνήθεις τιμές είναι 512, 1024, 2048, 4096, 8192, ή 16384 κανάλια). Η επιλογή του πλήθους των καναλιών εξαρτάται από την ανάλυση του συστήματος και την ενέργεια που μελετάται. Η έξοδος του MCA οδηγείται σε υπολογιστή, ο οποίος αποθηκεύει, εμφανίζει και αναλύει τα δεδομένα. Υπάρχει ποικιλία στα πακέτα λογισμικού που είναι διαθέσιμα από αρκετούς κατασκευαστές, και γενικά περιλαμβάνουν εργαλεία ανάλυσης φάσματος όπως βαθμονόμηση ενέργειας, υπολογισμός περιοχής φωτοκορυφής και συνολικής περιοχής, και υπολογισμός ανάλυσης. Το είδος του συστήματος φασματοσκοπίας επιλέγεται με βάση τα εκάστοτε απαραίτητα χαρακτηριστικά. Δύο από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά είναι η ανάλυση και η απόδοση του ανιχνευτή. Οι ακτίνες-γ που ανιχνεύονται με φασματοσκοπικά συστήματα παράγουν φωτοκορυφές στο φάσμα. Αυτές οι κορυφές αποκαλούνται και γραμμές σε αναλογία με την οπτική φασματοσκοπία. Το πλάτος των φωτοκορυφών καθορίζει την ανάλυση του ανιχνευτή, ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό του των ανιχνευτών γ-φασματοσκοπίας, και η υψηλή ανάλυση επιτρέπει στον φασματοσκόπο τον διαχωρισμό 2 γ-γραμμών που βρίσκονται κοντά η μία στην άλλη. Άλλα φασματοσκοπικά συστήματα σχεδιάζονται και ρυθμίζονται να παράγουν συμμετρικές φωτοκορυφές της καλύτερης δυνατής ανάλυσης. Το σχήμα της φωτοκορυφής συνήθως είναι γκαουσιανή κατανομή. Στα περισσότερα φάσματα η οριζόντια θέση της φωτοκορυφής καθορίζεται από την ενέργεια της ακτίνας-γ, και η επιφάνεια της φωτοκορυφής καθορίζεται από την ένταση της δέσμης των ακτίνων γ και την απόδοση του ανιχνευτή. Ο πιο κοινός τρόπος έκφρασης της ανάλυσης είναι πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο (full width at half maximum, FWHM), δηλαδή το πλάτος της φωτοκορυφής στο μισό του μέγιστου ύψους της. Οι τιμές ανάλυσης δίνονται μαζί με την συγκεκριμένη ενέργεια των γ. Η ανάλυση μπορεί να εκφραστεί είτε με απόλυτους είτε με σχετικούς όρους. Για παράδειγμα, ένας ανιχνευτής ιωδιούχου νατρίου μπορεί να έχει FWHM 9,15 keV στα 122 keV, και FWHM 82,75 keV στα 662 keV. Αυτές οι τιμές εκφράζονται σε απόλυτους όρους. Για να εκφραστεί σε σχετικούς όρους, η FWHM σε eV ή MeV διαιρείται με την ενέργεια των ακτίνων γ και πολλαπλασιάζεται με 100. Χρησιμοποιώντας το προηγούμενο παράδειγμα, η ανάλυση του ανιχνευτή είναι 7,5% στα 122 keV, και 12,5% στα 662 keV. Ένας ανιχνευτής γερμανίου μπορεί να δώσει ανάλυση 560 eV στα 122 keV, δηλαδή 0,46% στα 122 keV. Δεν ανιχνεύονται όλες οι ακτίνες γ που παράγονται από την πηγή και περνούν από τον ανιχνευτή. Η πιθανότητα ενός εκπεμπόμενου φωτονίου γ να αλληλεπιδράσει με τον ανιχνευτή και να καταχωρηθεί ως γεγονός είναι η απόδοση του ανιχνευτή. Οι ανιχνευτές υψηλής απόδοσης παράγουν φάσματα σε μικρότερο χρόνο από τους χαμηλής απόδοσης. Γενικά, μεγάλοι ανιχνευτές έχουν μεγαλύτερη απόδοση από μικρότερους ανιχνευτές αν και ιδιότητες θωράκισης των υλικών του ανιχνευτή είναι επίσης σημαντικός παράγοντας. Ο καθορισμός της απόδοσης ανιχνευτή γίνεται συγκρίνοντας το φάσμα πηγής γνωστής ενεργότητας (τον ρυθμό σε κάθε φωτοκορυφή) με το φάσμα πηγής άγνωστης ενεργότητας (τον ρυθμό των δικών της φωτοκορυφών). Η απόδοση, όπως και η ανάλυση, μπορεί να εκφραστεί σε απόλυτους ή σχετικούς όρους. Χρησιμοποιούνται οι ίδιες μονάδες (π.χ.. ποσοστά). Επομένως ο φασματοσκόπος πρέπει να καθορίσει προσεκτικά ποιο είδος απόδοσης δίνεται για τον ανιχνευτή. Απόλυτες τιμές απόδοσης εκφράζουν την πιθανότητα ένα φωτόνιο γ συγκεκριμένης ενέργειας που διέρχεται από τον ανιχνευτή να αλληλεπιδράσει και να ανιχνευτεί. Τιμές σχετικής απόδοσης συνήθως δίνονται για ανιχνευτές γερμανίου, και συγκρίνουν την απόδοση του ανιχνευτή στα 1332keV με την απόδοση ανιχνευτή NaI διαστάσεων 3 ίντσες × 3 ίντσες (δηλαδή, 1,2×10 −3 cps/Bq στα 25 cm). Τιμές σχετικής απόδοσης μεγαλύτερες του 1% συναντώνται επομένως σε πολύ μεγάλους ανιχνευτές γερμανίου. Η ενέργεια των ακτίνων γ που ανιχνεύεται είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην απόδοση του ανιχνευτή. Καμπύλη απόδοσης μπορεί να προκύψει κάνοντας γραφική παράσταση της απόδοσης για διάφορες ενέργειες. Αυτή η καμπύλη τότε μπορεί να καθορίσει την απόδοση του ανιχνευτή για ενέργειες διαφορετικές από αυτές που χρησιμοποιήθηκαν για την δημιουργία της καμπύλης. Οι ανιχνευτές γερμανίου υψηλής καθαρότητας συνήθως έχουν υψηλότερη ευαισθησία. Οι ανιχνευτές σπινθηρισμών χρησιμοποιούν κρύσταλλους που εκπέμπουν φως όταν μια ακτίνα γ αλληλεπιδράσει με τα άτομα του κρυστάλλου. Η ένταση του φωτός που παράγεται είναι ανάλογη της ενέργειας που αποτίθεται στον κρύσταλλο από το φωτόνιο γ. Ο μηχανισμός είναι παρόμοιος με αυτόν στα δοσίμετρα θερμοφωταύγειας. Οι ανιχνευτές ενώνονται με φωτοπολλαπλασιαστή που μετατρέπει το φως σε ηλεκτρόνια και στην συνέχεια ενισχύει το ηλεκτρικό αυτό σήμα των ηλεκτρονίων. Κοινοί σπινθηριστές είναι οι ιωδιούχου νατρίου με προσμίξεις θαλίου (NaI(Tl)) και οι γερμανίου-βισμουθίου (BGO). Επειδή οι φωτοπολλαπλασιαστές είναι ευαίσθητοι και στο φως του περιβάλλοντος, οι ανιχνευτές περιβάλλονται από αδιαφανές κάλυμμα. Οι ανιχνευτές σπινθηρισμών μπορούν επίσης να ανιχνεύσουν ακτινοβολίες άλφα και βήτα. Ο σπινθηριστής NaI(Tl) έχει δύο βασικά πλεονεκτήματα: Μπορεί να παραχτεί σε μεγάλους κρυστάλλους, προσφέροντας καλή απόδοση και παράγει ισχυρές λάμψεις φωτός σε σχέση με άλλους σπινθηριστές.Επίσης είναι βολικός στην χρήση, κάνοντάς τον δημοφιλή για εφαρμογές όπως προσδιορισμός αγνώστων υλικών από αστυνομικές αρχές. Ένα παράδειγμα φάσματος που λήφθηκε με σπινθηριστή NaI είναι το φάσμα του καισίου-137 (βλέπε σχήμα 1). Το 137Cs εκπέμπει μόνο μία γραμμή γ, στα 662keV. Η γραμμή των 662keV που παρατηρείται είναι στην πραγματικότητα γραμμή του 137mBa, το προϊόν διάσπασης του 137Cs. Το φάσμα του σχήματος 1 μετρήθηκε με την χρήση σπινθηριστή NaI, φωτοπολλαπλασιαστή, ενισχυτή και αναλυτή πολλών καναλιών (MCA). Το σχήμα δείχνει το πλήθος των γεγονότων (για την διάρκεια μέτρησης) συναρτήσει των καναλιών. Στο φάσμα υπάρχουν οι εξής φωτοκορυφές (από αριστερά προς δεξιά): χαμηλής ενέργειας Χ (λόγω εσωτερικών μετατροπών των ακτίνων γ), οπισθοσκέδαση στις χαμηλές ενέργειες του φαινομένου Compton, και φωτοκορυφή (πλήρης ενέργεια) στα 662keVΗ κατανομή Compton είναι συνεχής και βρίσκεται στο κανάλι 150 του σχήματος 1. Η κατανομή εμφανίζεται λόγω σκέδασης Compton των αρχικών φωτονίων γ μέσα στον κρύσταλλο: Ανάλογα με την γωνία σκέδασης, τα ηλεκτρόνια Compton έχουν διαφορετικές ενέργειες και επομένως παράγουν διαφορετικούς παλμούς που αντιστοιχούν σε διαφορετικά κανάλια. Αν πολλές διαφορετικές ακτίνες γ είναι παρούσες στο φάσμα, η κατανομή Compton μπορεί να δυσκολέψει την ανάλυση. Για να μειωθούν οι ακτίνες γ, μπορεί να χρησιμοποιηθεί θωράκιση αντισύμπτωσης. Η μείωση των ακτίνων γ είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για μικρούς ανιχνευτές γερμανίου με προσμίξεις λιθίου (Ge(Li)). Το γ-φάσμα του σχήματος 2 οφείλεται στο ισότοπο του κοβαλτίου 60Co, με δύο ακτίνες γ των 1,17 MeV και 1,33 MeV αντίστοιχα. Οι δύο ακτίνες γ διακρίνονται εύκολα. Η κορυφή αριστερά του καναλιού 200 πιθανότατα οφείλονται σε ισχυρή πηγή υποβάθρου που δεν αφαιρέθηκε. Η κορυφή οπισθοσκέδασης φαίνεται στο κανάλι 150, παρόμοια με το σχήμα 1. Τα συστήματα NaI, όπως και όλα τα συστήματα σπινθηρισμών, είναι ευαίσθητα στις αλλαγές θερμοκρασίας. Αλλαγές στην θερμοκρασία λειτουργίας που οφείλονται στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος μετατοπίζουν το φάσμα στον οριζόντιο άξονα. Οι φωτοκορυφές μπορούν να μετακινηθούν δεκάδες κανάλια ή και περισσότερα. Τέτοιες αλλαγές μπορούν να αποτραπούν με την χρήση σταθεροποιητών φάσματος. Λόγω της μικρής ανάλυσης των ανιχνευτών NaI, είναι ακατάλληλοι για την ταυτοποίηση πολύπλοκων μιγμάτων υλικών που παράγουν ακτίνες γ. Οι ανιχνευτές ημιαγωγών, γνωστοί και ως ανιχνευτές στερεάς κατάστασης, είναι ριζικά διαφορετικοί από τους ανιχνευτές σπινθηρισμών: Βασίζονται στην ανίχνευση φορέων φορτίου (οπές και ηλεκτρόνια) που παράγονται στους ημιαγωγούς από την ενέργεια που αποθέτουν τα φωτόνια γ. Στους ανιχνευτές ημιαγωγών, εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο στον όγκο του ανιχνευτή. Ένα ηλεκτρόνιο του ημιαγωγού στην ζώνη σθένους μεταπίπτει στην ζώνη αγωγιμότητας όταν λάβει αρκετή ενέργεια από την αλληλεπίδραση με τα φωτόνια γ. Τα ηλεκτρόνια στην ζώνη αγωγιμότητας αντιδρούν στο ηλεκτρικό πεδίο του ανιχνευτή και μετακινούνται προς την θετική επαφή. Το κενό που δημιουργείται από το κινούμενο ηλεκτρόνιο ονομάζεται "οπή", και γεμίζει από κοντινό ηλεκτρόνιο. Αυτή η ολίσθηση των οπών πρακτικά μετακινεί το θετικό φορτίο στην αρνητική επαφή. Η άφιξη του ηλεκτρονίου στην θετική επαφή και της οπής στην αρνητική παράγουν ηλεκτρικό σήμα το οποίο οδηγείται στον προενισχυτή, στον MCA, και συνεχίζει διαμέσουν του συστήματος για να αναλυθεί. Η μετακίνηση ηλεκτρονίων και οπών σε ανιχνευτή στερεάς κατάστασης είναι παρόμοια με την μετακίνηση ιόντων σε ευαίσθητο όγκο ανιχνευτή αερίου, όπως οι θάλαμοι ιονισμού. Οι συνήθεις ανιχνευτές ημιαγωγών περιλαμβάνουν τους ανιχνευτές γερμανίου, τελλουριούχου καδμίου, και τελλουριούχου καδμίου-ψευδαργύρου. Οι ανιχνευτές γερμανίου προσφέρουν σημαντική βελτίωση στην ανάλυση σε σχέση με το NaI, και παράγουν την υψηλότερη δυνατή ανάλυση σήμερα. Κρυογονικές συνθήκες είναι απαραίτητες για την λειτουργία ανιχνευτών γερμανίου. Αν ένα γ-φασματόμετρο χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση δείγματος άγνωστης σύστασης, η κλίμακα της ενέργειάς του πρέπει πρώτα να βαθμονομηθεί. Η βαθμονόμηση πραγματοποιείται με την χρήση φωτοκορυφών γνωστής πηγής όπως 137Cs ή 60Co. Λόγω του ότι ο αριθμός του καναλιού προσεγγιστικά μπορεί να θεωρηθεί ανάλογος της ενέργειας, η κλίμακα καναλιού μπορεί να μετατραπεί σε κλίμακα ενέργειας. Αν το μέγεθος του κρυστάλλου του ανιχνευτή είναι γνωστό τότε μπορεί να γίνει και βαθμονόμηση της έντασης, ώστε όχι μόνο οι ενέργειες αλλά και οι εντάσεις άγνωστης πηγής (ή η ποσότητα συγκεκριμένου ισοτόπου στην πηγή) μπορεί να καθοριστεί. Επειδή ραδιενέργεια υπάρχει παντού, το φάσμα πρέπει να αναλυθεί όταν δεν υπάρχει πηγή κοντά. Η ακτινοβολία υποβάθρου τότε υπολογίζεται, και αφαιρείται από τις κανονικές μετρήσεις. Απορροφητές μολύβδου μπορούν να τοποθετηθούν γύρω από το σύστημα μέτρησης για να μειώσουν την ακτινοβολία υποβάθρου. Λόγω των ακριβών οργάνων της γ-φασματοσκοπίας, ένα διαφορετικό σύστημα αναπτύχτηκε το οποίο επιτρέπει και σε ερασιτέχνες να πετύχουν τέτοιου είδους μετρήσεις. Ο ανιχνευτής παράγει παλμούς που οδηγούνται στην κάρτα ήχου ηλεκτρονικού υπολογιστή, η οποία τα μετατρέπει σε ψηφιακό σήμα (με την προϋπόθεση ο ρυθμός γεγονότων να είναι αρκετά χαμηλός ώστε οι παλμοί να μην είναι υπερβολικά συνωστισμένοι). Μετά την μετατροπή ADC οι παλμοί ταξινομούνται από λογισμικό MCA το οποίο τρέχει στον υπολογιστή, και παριστά γραφικά ή αναλύει το σήμα. Πολλά λογισμικά είναι διαθέσιμα και είναι χρήσιμα στην έγκαιρη ειδοποίηση κατά τον έλεγχο τροφίμων για ραδιενεργό μόλυνση. Gilmore G, Hemingway J. Practical Gamma-Ray Spectrometry. John Wiley & Sons, Chichester: 1995, ISBN 0-471-95150-1. Knoll G, Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons, Inc. NY:2000, ISBN 0-471-07338-5. Nucleonica Wiki. Gamma Spectrum Generator. Accessed 8 October 2008. Non exaustive list of Sound Card Spectrometry softwares. Amateur gamma spectrometry of a chunk of a black mold picked in Minamisoma, close to the Fukushima Dai-ichi nuclear plant. Japan.