Га́мма-спектро́метр ($\gamma$-спектрометр), прибор для определения энергии $\gamma$-квантов и подсчёта их числа. Результатом его работы является график зависимости числа $\gamma$-квантов от их энергии, т. е. $\gamma$-спектр. Регистрация $\gamma$-кванта в гамма-спектрометре в большинстве случаев основана на наблюдении вторичных заряженных частиц. Как правило, это электроны или электрон-позитронные па́ры, возникающие в результате трёх главных процессов взаимодействия $γ$-кванта с веществом: фотоэффекта, эффекта Комптона (комптоновского рассеяния) и рождения электрон-позитронной пары. В большинстве случаев для нахождения энергии $\gamma$-кванта используют фотоэффект и образование электрон-позитронной пары. Последний процесс возможен лишь при энергиях $\gamma$-квантов, превышающих суммарную массу электрона и позитрона в энергетических единицах, т. е. 1022 кэВ. В гамма-спектрометре измеряются энергии электронов и позитронов, которым $\gamma$-квант передаёт свою энергию в детектирующем материале гамма-спектрометра.

Основные характеристики гамма-спектрометра – разрешающая способность и эффективность. Разрешающая способность гамма-спектрометра характеризует возможность разделения двух близких по энергии спектральных линий $\gamma$-излучения. Количественно она выражается либо величиной $\Delta E$, либо отношением $\Delta E/E$ (обычно выражается в процентах), где $E$ – энергия регистрируемых $γ$-квантов, $\Delta E$ – ширина спектральной линии (в энергетических единицах) на половине её высоты (рис. 1). Рис. 1. Спектр γ-квантов, испускаемых радиоактивным цезием.Рис. 1. Спектр γ-квантов, испускаемых радиоактивным цезием.Эффективность гамма-спектрометра – это доля зарегистрированных $\gamma$-квантов от общего их числа, попавших в гамма-спектрометр.

Ещё одной важной характеристикой гамма-спектрометра является временно́е разрешение – минимальное время между последовательными попаданиями в спектрометр двух $\gamma$-квантов, при котором спектрометр ещё способен сформировать два различимых по времени сигнала. Временно́е разрешение определяется скоростью преобразования энергии, переданной спектрометру электроном (позитроном), в конечный сигнал.

Наиболее распространённые типы гамма-спектрометров – сцинтилляционный и полупроводниковый. Сцинтилляционный гамма-спектрометр состоит из прозрачной среды (сцинтиллятора) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В сцинтилляторе под действием электронов или позитронов, создаваемых $\gamma$-квантами, возникает кратковременная вспышка света – сцинтилляция, конвертируемая ФЭУ в электрический импульс. Амплитуда импульса пропорциональна энергии электрона (позитрона), переданной сцинтиллятору и преобразованной в световую вспышку. Распространённым сцинтиллятором является кристалл $NaI$, активированный $Tl$. В 21 веке всё большее применение находят кристаллы германата висмута – $Bi_4Ge_3O_{12}$ (краткое название $BGO$) и бромида лантана, активированного трёхвалентным $Ce$ – $LaBr_3$($Ce$). Сравнительные характеристики этих трёх типов сцинтилляторов приведены в таблице для $\gamma$-линии 662 кэВ от источника $^{137}Cs$, по которой тестируются и калибруются гамма-спектрометры.

Эффективность сцинтилляционных спектрометров зависит от их объёма и для $\gamma$-квантов не слишком высокой энергии может быть близка к 100 %. Обычно сцинтилляторы имеют форму цилиндра. Принято стандартными сцинтилляторами считать кристаллы, имеющие диаметр и высоту в 3 дюйма (7,62 см). Схема сцинтилляционного спектрометра показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема сцинтилляционного гамма-спектрометра.Рис. 2. Схема сцинтилляционного гамма-спектрометра.Величина (амплитуда) электрического сигнала, создаваемого ФЭУ, пропорциональна энергии, переданной электроном (или позитроном) сцинтиллятору, и, следовательно, зависит от энергии $\gamma$-кванта. Сигналы, усиленные ФЭУ, сортируются по амплитудам с помощью специального электронного устройства – многоканального амплитудного анализатора, номер канала которого однозначно связан с амплитудой сигнала.

Для получения зависимости числа зарегистрированных событий от энергии, переданной $\gamma$-квантами сцинтиллятору, каналы анализатора калибруются по энергии с помощью стандартных радиоактивных источников с хорошо известными $\gamma$-линиями (спектральными линиями, лежащими в области $\gamma$-излучения). В числе таких источников, помимо $^{137}Cs$ с $\gamma$-линией 662 кэВ, используется $^{60}Cо$, испускающий $\gamma$-кванты с энергиями 1173 и 1332 кэВ.

Помимо выше приведённых неорганических кристаллов, свойством люминесценции, вызывающей сцинтилляции, обладают некоторые органические соединения. Они могут быть приготовлены в виде монокристаллов (стильбен, антрацен и др.) или жидких и твёрдых растворов ароматических соединений в растворителях. Для органических соединений характерно малое время затухания люминесценции ($10^{-8} \text{--} 10^{-9}$ с), поэтому они находят применение в измерениях, где требуется большая скорость счёта событий. В некоторых случаях в качестве сцинтилляторов могут быть использованы благородные газы и их смеси.

Помимо сцинтилляционных $\gamma$-спектрометров широкое применение нашли полупроводниковые спектрометры на основе монокристаллов германия; это либо германий с примесью лития – $Ge(Li)$ (применялся ранее), либо сверхчистый германий – $HPGe$. Они используются в тех измерениях, где важно высокое энергетическое разрешение. В монокристалле германия создаётся область, обеднённая носителями заряда. Электроны (позитроны), генерируемые $\gamma$-квантами, рождают в этой области электрон-дырочные пары, которые под действием приложенного электрического поля перемещаются к электродам, формируя импульс тока. Для образования одной пары носителей заряда в германии нужна энергия всего около 3 эВ, что по крайней мере на два порядка меньше энергии, необходимой для выбивания одного электрона с фотокатода ФЭУ. Поэтому статистический разброс по амплитуде выходного сигнала, полученного от $γ$-кванта определённой энергии в германиевом спектрометре, значительно ниже, чем в сцинтилляционном спектрометре. Соответственно, энергетическое разрешение германиевого спектрометра намного выше (см. таблицу). Современные кристаллы $HPGe$ имеют объёмы в сотни см³. Они работают при температуре жидкого азота (–196 ℃). На рис. 3

Рис. 3. Расшифровка спектра γ-квантов, полученного с помощью германиевого спектрометра при изучении радиационного фона «Атомного озера» Чаган в Семипалатинской области (Казахстан). Форма спектра была получена Карлом Уллисом, сотрудником Университета Нью-Мексико (США).Рис. 3. Расшифровка спектра γ-квантов, полученного с помощью германиевого спектрометра при изучении радиационного фона «Атомного озера» Чаган в Семипалатинской области (Казахстан). Форма спектра была получена Карлом Уллисом, сотрудником Университета Нью-Мексико (США).приведён пример $\gamma$-спектра, полученного с помощью германиевого спектрометра. Линии в спектре отвечают $\gamma$-квантам, испущенным радиоактивными ядрами изотопов европия, а также цезия и кобальта.

В области энергий $\gamma$-квантов порядка 100 кэВ иногда применяются газовые пропорциональные счётчики, наполненные аргоном или криптоном. По разрешающей способности они уступают полупроводниковым спектрометрам, но существенно превосходят сцинтилляционные. При регистрации $\gamma$-квантов низкой энергии применяются также кристалл-дифракционные гамма-спектрометры. Эти приборы отличаются особенно высокой точностью измерения энергии и по принципу действия аналогичны рентгеновским спектрометрам.

Особую группу образуют магнитные гамма-спектрометры. Их работа основана на измерении энергии комптоновских электронов или электрон-позитронных пар, создаваемых $\gamma$-квантами в тонком слое вещества (конверторе). Они имеют высокое энергетическое разрешение, но низкую эффективность регистрации из-за необходимости использования тонких конверторов. На рис. 4 показана схема парного магнитного спектрометра. Метод совпадений позволяет отбирать события одновременного появления электрона и позитрона. Рис. 4. Схема магнитного гамма-спектрометра, использующего эффект рождения γ-квантом электрон-позитронной пары.Рис. 4. Схема магнитного гамма-спектрометра, использующего эффект рождения γ-квантом электрон-позитронной пары.

Для спектрометрии $\gamma$-квантов высоких энергий используются гамма-спектрометры, основанные на регистрации излучения Вавилова – Черенкова от электронно-фотонных ливней, создаваемых $\gamma$-квантами в конверторах из тяжёлого прозрачного вещества, например свинцового стекла. Определить энергию высокоэнергичного $\gamma$-кванта можно также в пузырьковой камере, наблюдая за треками, создаваемыми возникающей электрон-позитронной парой в магнитном поле.

Для сложных физических экспериментов создаются и используются детекторы, являющиеся комбинацией отдельных $\gamma$-спектрометров. Созданы и функционируют установки, содержащие сотни отдельных полупроводниковых спектрометров, перекрывающих практически все направления вылета $\gamma$-квантов из точки их рождения.