Эталонирование радиометрической аппаратуры

Для обнаружения и измерения интенсивности ядерных излучений при­меняются приборы, называемые радиометрами. Радиометры подразделяются:

1. Интегральные – измеряют суммарную интенсивность γ -излучения вне зави­си­мости от их энергии.

2. Спектрометрические – измеряют распределение γ -квантов по их энергиям.

Все полевые радиометры состоят из двух блоков: блока детектирования и блока регистратора. В блоке детектиро­вания расположены: детектор излучения, высоковольтный блок пита­ния детек­тора, предварительный усилитель сигналов детектора. В блоке регист­ра­ции нахо­дятся основной блок питания прибора (батареи); электронные схемы обра­ботки электрических импульсов, поступающих из блока детектирования; индикаторы (стрелочные приборы или цифровые индикаторы).

Важным элементом радиометра, определяющим его характеристики, яв­­ля­ется детектор. В настоящее время в полевых радиометрах наиболее широ­ко используются сцинтилляционные детекторы, В сцинтилляционном счетчике регис­тра­ция заряженной ча­стицы происходит за счет возбуждения атомов и мо­лекул вдоль ее траектории. Возбужденные атомы, живущие короткое время, пере­ходят в основное состояние, испуская электромагнитное излу­чение. У ряда прозрачных веществ (люминофоров) часть спектра этого излучения приходи­тся на световую область. Прохождение заря­женной части­цы через такое веще­ство вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и умень­шения его поглощения в люминофор добавляют активаторы. Вид активатора указывают в скобках после обозначения люминофора. Так, например, крис­талл NaI, активированный таллием, обозначают NaI (T1).

Регистрация γ -квантов в сцинтилляционном счетчике проис­ходит бла­го­даря вторичным электронам и позитронам, образу­ющимся при по­гло­щении γ -квантов люминофором. Поскольку люминофоры обладают хорошей опти­чес­кой прозрачностью, то для регистрации γ -квантов применя­ют люмино­фо­ры большой тол­щины. Это обеспечивает высокую эффектив­ность регистра­ции γ -квантов сцинтилляционным счетчиком.

У сцинтилляционных детекторов имеются некоторые особенности при спектрометрии γ -излучения. При попада­нии в сцинтилляционный детектор моно­энер­ге­тиче­с­кого γ -излучения, на выходе счетчика возникает распределение импуль­сов, называемое аппаратурной линией:

1. При фотоэффекте энергия вторичного элек­трона равна энергии γ -кванта Е₀. Пункти­р­ной линией показано реальное распреде­ле­ние импульсов на выходе ФЭУ вследст­вие энергетического раз­ре­шения детектора.

2. При комптоновском рассеянии втори­ч­­но­му электрону передается лишь часть эне­ргии кванта. При комптон-эффекте, в за­висимо­сти от угла рассеяния γ -кванта, эне­ргия вторичного электрона может меня­ться в широких пре­делах.

3. При рождении электронно-позитронной пары (РЭП) кинетическая энергия пары на 1, 02 Мэв меньше, чем энергия γ -кванта. Появление дополнитель­ных линий Е₀ -0, 51 Мэв и Е₀при РЭП обуслов­лено тем, что в ряде случа­ев один или даже оба γ -кванта с энергией 0, 51 Мэв, образующихся при анни­гиляции позитрона, поглощаются в сцинтилляторе в результате фото­эф­­фекта, и вспышка от этих фотоэлектронов сливается с вспыш­кой от первичной пары электрон - позитрон. Необходимо помнить, что РЭП является пороговой реакцией Е_пор = 1.02 Мэв.

В результате реальный спектр от моноэнергетического γ -излучения будет являться суммой всех трех составляющих.

Ниже приводится аппара­тур­ный спектр изотопа ²⁴Na (E₀= 1, 38 и 2, 76 Мэв). Для линии 1, 38 Мэв вклад эффекта образо­вания пар ничтожен и соответст­вую­щие пики почти незаметны; образует­ся лишь пик в 1, 38 Мэв, обуслов­ленный фотоэф­фектом, а также менее чет­кий комптоновский пик с энер­ги­ей 1, 17 Мэв. Для линии 2, 76 МэВ на­блю­даются три пика с энергиями 1, 74, 2, 25 и 2, 76 Мэв. Пики с энергиями 1, 74 и 2, 25 Мэв обязаны эффекту образо­вания пар (РЭП).

Пик 2, 76 Мэв обусловлен тремя процессами: фотоэффектом; эффек­том образования пар, сопровождающемуся поглощением обоих γ -кван­тов аннигиляции; комптон-эффектом, когда рассеян­ный γ -квант также поглощается люминофором в результате фотоэф­фекта. Во всех трех про­цес­сах в световую энергию превращается вся энергия γ -кванта. Поэтому этот пик называют пиком полного поглощения. Форма пика полного пог­ло­­­щения близка к гауссовой кривой.

У любого детектора есть энер­ге­тическое разрешение, в сцин­тилляционном детекторе оно со­ставляет 8 – 10% при энергии γ -излучения 1 Мэв. Под энерге­ти­ческим разрешением детекто­ра понимают способность детек­то­ра раздельно регистрировать близ­кие по энергетическому спектру линии. Чи­с­ленно энергетическое разреше­ние, выраженное в процентах, характери­зуют отношением ширины пика от моноэнергетического источника на поло­ви­не высоты к энергии источника:

A = (DE/E₀)*100%

Энергетическое разрешение уменьшается с ростом энергии излучения как (E)^-0.5. Кроме процессов, происходящих в самом сцинтилляционном дете­кторе, искажение реальных спектров γ -излучения, обусловлено также нали­чием аппаратурного разрешения – уширения пиков за счет процес­сов в электронных схемах прибора. В результате аппаратурное разреше­ние спектрометра с сцин­тилляционным детектором со­ставляет 10 – 14 % при энергии γ -излучения 1 Мэв.

Следствием аппаратурного разрешения спектрометра является то, что пики, близко расположенных по энергии, не всегда разрешаются.

На рисунке показаны различные случаи разрешения двух спектров гамма-квантов различных энергий. Аппаратурное разрешение этих пиков на всех ринках одинаковое (Δ Е₁ и Δ Е₂), энергия Е₁ остается постоянной, меняется энергия Е₂. Пунктиром показаны спектры пиков, если бы не было соседнего пика, сплошной линией показаны зарегистрированные спектры. На рисунке показаны три случая:

а) пики практически разрешены, Е2-Е1 ≥ Δ Е₁ + Δ Е₂;

б) Δ Е₁ + Δ Е₂ > Е₂-Е₁> Δ Е₁ (или Δ Е₂), т.е. спектры разрешены частично;

в) Е₂-Е₁ < Δ Е₁ (или Δ Е₂), спектры не разрешены.

Для интегральных радиометров, для перехода от измеренной интенсив­ности (в имп/мин или делениях шкалы), к истинной интенсивности (точнее к дозе) γ -излучения (в мкР/ч), необходимо установить характер зависимости между ними - назы­ваемый эталонировочной характеристикой или эталониро­вочным графиком. Эталонировочный гра­фик позволяет учитывать и чувст­вительность радио­мет­ров, и нелинейность зависимости показаний от интен­сив­ности излучения, обусловленную просчетами импульсов счетной схемой.

Для эталонирования интегральных полевых радиометров выбирают участок 10 на 15 м с минимальной активностью пород и вдали от соору­жений и предме­тов, могущих создавать помехи за счет рассеяния излучения от эталон­но­го источника. На расстоянии 6—10 м друг от друга устанавливаются два столба высотой приблизительно 2 м, между которыми натягивается трос или провод. В верхней части одного из столбов устанавливается радио­метр. Ось радио­метра должна находиться на вертикальной плоскости, проходящей через трос, на 8—10 см ниже последнего. На тросе подве­ши­вается эталонный радиевый источник известной активности. Его центр располагается на одной высоте с центром детектора. Устанавливая источ­ник на различных расстоя­ниях от детектора, создают раз­личную интен­сивность из­лучений. При этом интен­сивность излучения (в мкР/ч) рас­считывают по формуле:

I_γ эт =840a / r²

где: а – активность радиевого источника в мКи; r – расстояние между источ­ником и детектором, м; 840 мкР/ч – доза облучения от 1 мг радия на расстоянии 1 м.

По результатам измерений при различных значениях I_γ эт строят эталониро­воч­ный график. Экстраполируя этот график до нулевых по­ка­заний прибора, на оси абсцисс от­счи­тывают интенсивность фона I_ф на пункте эталонирования, а сместив шкалу на оси абсцисс на вели­чину I_ф, получают окон­чательную шкалу I_γ эталонировочного графика (нижняя шкала).

Для спектрометрической аппара­туры, кроме того, эталонируют энер­гетическую шкалу, т. е. определяют связь между энергией излуче­ния и ам­пли­тудой им­пульсов на входе дискриминаторов (или иначе но­мером канала амплитудного анализатора). Для изучения этой зави­симости обычно про­во­дят исследование спектра от нескольких исто­чников с различной энерги­ей излучения и строят график связи между уровнем дискриминации в воль­тах (номером канала) и энергией излу­чения. Для эталонирования энергети­ческой шкалы используют источ­ники из Cs¹³⁷ (энергия излучения 0, 662 МэВ), Со⁶⁰ (энергия излучения 1, 17 и 1, 33 МэВ) или других источников с известными энергиями гамма - квантов.

Задания

Задание 1. С радиевым источником активностью 3 мКи была прове­де­на эталонировка интегрального радиометра. Данные эталонирования приведены в табл.1. Табл.1

Примечание: в строке r (см) даны расстояния от источника до детектора в санти­метрах; в строке «Имп/сек» приведены показания радиометра в импульсах в секунду.

Ход работы:

1. Рассчитать мощность дозы от источника при расстоянии r;

2. Построить эталонировочный график и определить значение натура­ль­ного фона и значение переводного коэффициента из показаний при­бора имп/сек в мощности дозы.

Задание 2. На 1024-канальном анализаторе получен спектр ториевого эталона (рисунок ниже). Значения по оси абсцисс приведены в номерах канала. Необходимо произвести привязку энергетической шкалы спек­т­рометра. Данные об основных γ -излучателей ториевого ряда приведе­ны в таблице 2. Аппаратурное разрешение спектрометра с сцинтилля­ци­онным детектором составляет 12 % при 1 Мэв. Необходимо отметить, что нулевой канал не обязательно должен соответствовать нулевой энергии гамма-квантов – обычно область мягкого излучения обрезают из-за ее малой информативности при съемке со сцинтилляционным детектором.

Табл.2.

Ход решения:

1. С учетом аппаратурного разрешения промоделировать, как будут разре­шаться пики основных γ -излучателей ториевого ряда. Основное внимание уделить для близкорасположенных пиков изотопов Ac²²⁸ и Tl²⁰⁸.

2. С учетом особенностей при спектрометрии γ -излучения со сцинтилля­ционным детектором идентифицировать пики (определить энергию) на спектре ториевого эталона. Составить таблицу «номер канала – энергия идентифицированного пика».

3. Построить график зависимости энергии γ -излучения пика от номера кана­­ла, на котором этот пик зарегистрирован на спектре. Должен быть линей­ный график, отклонение любой точки на графике более чем на 5% от гра­фи­ка свидетельствует об ошибке идентификации. По графику определить коэффициент перевода номера канала в энергию, и определить с какой энергии зарегистрирован данный спектр (граница обрезания спектра).