Гамма излучение, сопровождающее бета распад

Гамма излучение происходит при переходе ядра из возбужденного состояния на более низкий уровень. В большинстве реальных лабораторных источников возбужденное состояние ядер образуется при распаде исходного радионуклида. Четыре наиболее распространенных образца, широко используемых как калибровочные источники гамма излучения, изображено в схемах распада на рис. 1.5. В каждом случае разновидность бета распада приводит к заполнению возбужденного состояния в дочернем ядре. В изображенных примерах бета распад относительно медленный процесс, характерный период полураспада несколько сотен дней или больше, тогда как возбужденное состояние дочернего ядра имеет гораздо более короткое среднее время жизни (обычно порядка пикасекунд или даже меньше). Снятие возбуждения происходит через излучение гамма фотона с энергией равной разнице энергий между начальным и конечным состоянием ядра. Поэтому гамма лучи возникают, если период полураспада характерен для исходного бета распада, а их энергия отображает структуру энергетического уровня дочернего ядра. Например, хотя «гамма лучи ⁶⁰Со» сокращают интенсивность вместе с периодом полураспада 5.26 лет, характерными для ⁶⁰Со, они фактически повышаются от переходов в ядрах ⁶⁰Ni. Схемы распадов, изображенные на рис.1.5 сведены в таблицу для всех радиоактивных ядер в приложении 1. Можно найти число гамма квантов на один распад исходного ядра из вероятности разнообразных переходов, снимающих возбуждение (или коэффициент ветвления), которые приведены на схемах распада. Некоторые особые радионуклидные источники гамма излучения применяются для точной энергетической калибровки и калибровки эффективности детекторов гамма излучения, они представлены в Табл. 12.1 и 12.2. Т.к уровни ядра обладают конкретными энергиями, то энергия гамма излучения, возникающего при переходе из одного состояния в другое, также очень конкретна. Гамма излучение при любом переходе приближенно является моноэнергетическим, и собственная толщина линии распределения энергии фотонов почти всегда мала по сравнению с энергетическим разрешением любых детекторов, описанных далее в этом тексте. Поэтому измерение функции отклика детектора указывает, что собственное предельное разрешение правильнее любых вариаций случайных энергий гамма излучения[2].

Рис.1.5 Схемы распада для некоторых распространенных базовых гамма источников. Показаны только доминирующие переходы. Энергии и выход, приходящийся на один распад с излучением рентгеновских и гамма квантов, приведены под диаграммой.

Наиболее распространенные источники гамма излучения базируются на бета распаде, и в основном их энергия ограничена – ниже 2,8 МэВ. Одними из ядер, которые могут использоваться как потенциальные источники гамма излучения, могут быть ядра ⁵⁶Со. Схема распада для данного изотопа включает как электронный захват, так и β⁺ распад, что расширяет общий энергетический спектр гамма излучения до таких высоких энергий как 3,55 МэВ. Короткий период полураспада ⁵⁶Со (77 дней), однако, в значительной степени ограничивает его применение, так как необходимо получить возможность доступа к ускорителю, который осуществит получение ⁵⁶Со через реакцию ⁵⁶Fe (p,n). Другой радиоизотоп, который можно применять для калибровки высоких энергий - ¹⁶N с энергиями гамма излучения 6,13 и 7,11 МэВ. Излучение образуется при β^- распаде до ¹⁶О. И снова, очень короткий период полураспада, чуть более 7 секунд, требует локализованного получения этого изотопа в реакторах или ускорителях. Для создания установившегося источника данного радионуклида могут применяться реакторы или ускорители с непрерывным циркуляционным контуром.

Образцовые источники гамма излучения – это вспомогательная аппаратура в любых измерительных лабораториях, в которых проводятся измерения гамма излучения. Они обычно состоят из образцов радиоизотопов с активностью в несколько микроКюри (примерно 10⁵ Бк), заделанных в пластиковые диски или стержни. Толщина капсулы, в которую заделывается радиоизотоп, в основном довольно велика, для того чтобы предотвратить корпускулярное излучение при распаде исходных ядер. И единственное первичное излучение, высвобождаемое с поверхности – это гамма излучение, образованное при распаде дочерних ядер. Однако, вторичное излучение, такое как при аннигиляции фотонов или тормозном излучении, временами может быть значительным (см. ниже). Угроза излучения таких источников минимальна, а доля гамма излучения достаточно высока для проведения калибровки по энергиям большинства типов детекторов гамма излучения. Если источники используются для точной калибровки эффективности, то их абсолютная активность также должна быть известна. В этих случаях радиоизотопные накопители изготавливаются на очень тонких основах с минимальным вышележащим слоем, чтобы сократить ослабление и рассеяние гамма излучения в структуре источника. Поверхностные поглотители же используются для устранения корпускулярного излучения, если его присутствие мешает применению.